太阳能发电03.ppt

1、主讲： 黄志昌 副教授 单位： 自动化技术研究所,太阳能光伏发电 应用技术,主讲： 黄志昌 副教授 单位： 自动化技术研究所,第三章 太 阳 能 电 池,3,3.1 光伏发电的应用范围,3.1 光伏发电的应用范围,3,图2-1 原子共有化运动使能级分裂为能带的示意图 (a)孤立原子；(b)N个原子共有化,可为电子占据的能带为允带,两个允带之间的间隙不允许电子存在，称为禁带。又称为能隙。,3.2 太阳能电池的物理基础,3.2.1. 能带的形成,孤立原子中的电子只能在各个允许的壳层上运动。 而在晶体中，各个原子互相靠得很近，不同原子的内、外壳层都有了一定的重叠，重叠壳层的电子不再属于原来的原子独自

2、所有，可通过量子数相同且又互相重叠的壳层转移到相邻的原子上去，属于整个晶体所有，这就是晶体中的共有化运动。,3.2 太阳能电池的物理基础,3.2.1. 能带的形成,导带未被电子填满的能带或空能带称为导带； 价带已被电子填满的能带称为满带或价带。满带中的电子在外电场作用下不能移动，不能形成电流，故满带电子不起导电作用。,3.2 太阳能电池的物理基础,导体、绝缘体和半导体的原子结构和能带图像 (a)金属(能带交叠，即使极小的外加能量即引起导电)； (b)绝缘体(能带间距很大，不可能导电)； (c)半导体(导带中有少量电子，价带中有少量空穴，有一定的导电能力),3.2 太阳能电池的物理基础,掺杂硅的

3、原子图像和能带图像 (a)N型半导体；(b)P型半导体,3.2 太阳能电池的物理基础,热平衡下P-N结模型及能带图,3.2 太阳能电池的物理基础,3.2 太阳能电池的物理基础,3.2、 太阳能电池的物理基础,根据太阳光谱实现光电转换的需求，由理论分析得知，一般太阳电池最常用的半导体材料的带隙在12eV之间，而在1.4eV左右可获得最高的光电转化效率。半导体材料分为直接带隙和间接带隙。,理想的太阳电池材料应当具有以下条件： 直接带隙，带隙宽度在1.11.7eV之间， 接近l.4eV可达到最大光电转换效率； 无毒，在地球上丰度高； 较好的力学性能，便于加工； 较高的光电转换效率； 性能稳定，耐候性

4、好，具有较长的使用寿命； 便于制备，特别是能适合大面积、薄膜化生产。,3.2、 太阳能电池的物理基础,3.3 太阳电池原理,太阳电池的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以p型硅和n型硅对外部来说是电中性的。 如将p型硅或n型硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。尽管通过光的能量电子从化学键中被释放，由此产生电子空穴对，但在很短的时间内(在s范围内)电子又被捕获，即电子和空穴“复合”。,3. 当p型材料和n型材料相接，将在晶体中p型和n型材料之间形成界面，即一个p-n结。此时在界面层n型材料中的自由电子和p型材料中的空穴相对

5、应。 在之前p型材料和n型材料是电中性的，这样通过界面层周围的电荷交换形成两个带电区： 通过电子到p型材料的迁移在n型区形成一个正的空间电荷区和在p型区形成一个负空间电荷区。,3.3 太阳电池原理,3. 当p型材料和n型材料相接，将在晶体中p型和n型材料之间形成界面，即一个p-n结。此时在界面层n型材料中的自由电子和p型材料中的空穴相对应。由于正负电荷之间的吸引力，在界面层附近n型材料中的电子扩散到p型材料中，并且将在原子作用力允许范围内，与p型材料中的电子缺乏实现平衡。与此相反，空穴扩散到n型材料中与自由电子复合.这样在界面层周围形成一个无电荷区域。在之前p型材料和n型材料是电中性的，这样通

6、过界面层周围的电荷交换形成两个带电区：通过电子到p型材料的迁移在n型区形成一个正的空间电荷区和在p型区形成一个负空间电荷区。,3.3 太阳电池原理,在界面层附近n型材料中的电子扩散到p型材料中，并且将在原子作用力允许范围内，与p型材料中的电子缺乏实现平衡。,空穴扩散到n型材料中与自由电子复合。这样在界面层周围形成一个无电荷区域。,3.3太阳电池原理,大多数太阳电池厂家都是通过扩散工艺，在p型硅片上形成n型区，在两区交界就形成了一个p-n结(即n+p)。 太阳电池的基本结构就是一个大面积平面p-n结。由于在结区附近电子和空穴的相互扩散，从而在结区形成一个由n区指向p区的内建电场。 太阳电池在无光

7、照时，在界面层附近的相反的空间电荷相互作用，使载流子的继续交换停止。在界面层附近的空间电荷区的厚度一般为0.51m左右。 对于太阳电池来说，界面层应当处于硅片表面的附近位置。,3.3 太阳电池原理,光线照射在太阳电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在p型硅和n型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子-空穴对。 界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。 电子向带正电的n区和空穴向带负电的p区运动 。通过界面层的电荷分离，将在p区和 n区之间产生一个向外的可测试的电压。,3.3 太阳电池原理,6.,3.3 太阳电池原理,在硅片的两边加上电极并接入电压表。

8、对晶体硅电池来说，开路电压的典型数值为0.50.6V。 用一个电流表也可测量电流的强度。通过光照在界面层产生的电子-空穴对愈多，电流愈大。界面层吸收的光能愈多，界面层即电池面积愈大，在太阳电池中形成的电流也愈大。,6.,3.3 太阳电池原理,对于晶体硅太阳电池来说，太阳光谱中波长小于1.1m的光线都可产生光伏效应。 对不同材料的太阳电池来说，尽管光谱响应的范围是不同的，但光电转换的原理是一致的。,6.,3.3 太阳电池原理,在p-n结的内建电场作用下， n区的空穴向p区运动，而p区的电子向n区运动，最后造成在太阳电池受光面(上表面)有大量负电荷(电子)积累，而在电池背光面(下表面)有大量正电荷

9、(空穴)积累。 在电池上、下表面做上金属电极，并用导线接上负载，在负载上就有电流通过。,3.3 太阳电池原理,图2-2 晶体硅太阳电池原理示意 (代表电子；o代表空穴；光子能量h),3.4 太阳电池模型,实际应用中，太阳电池可处于四种不同的状态：,太阳电池实际上就是一个大面积平面二极管，在阳光照射下就可产生直流电。,无光照 无电压、无电流； 有光照但短路 短路电流； 有光照但开路 开路电压； 有光照和有负载 有电压、有电流.,3.4 太阳电池模型,太阳电池的理想化等效 电路模型,IL是入射光产生的恒流源的强度，恒流源来自太阳辐射所激发的过量载流子.,Is是二极管饱和电流， RL是负载电阻。,3

10、.4 太阳电池模型,q为电子电量，k是为波尔兹曼常数；T为绝对温度。,这种器件的理想I-V特性为,当开路时，I=0，得到开路电压(open circuit voltage),3.4 太阳电池模型,输出功率为,式中，Pin为入射功率，对于地面应用的太阳电池，太阳功率密度数值为1000Wm2(海平面)；对于空间中的太阳电池，大气层外的太阳功率密度数值为1350Wm2；FF为填充因子(fill factor),太阳电池的转换效率： 是电池电功率和入射光功率的比值,太阳电池的理想转换效率,3.4 太阳电池模型,太阳电池的明、暗特性曲线(阴影面积对应太阳电池的最大输出功率),3.4 太阳电池模型,填充因

11、子FF: 最大功率矩形对IscVoc矩形的比例,3.4 太阳电池模型,串、并联电阻对填充因子有较大影响，如图322所示。串联电阻越大，短路电流下降越多，填充因子也随之减少得越多；并联电阻越小，这部分电流就越大，开路电压就下降得越多，填充因子随之也下降得越多。,3.4 太阳电池模型,串、并联电阻对填充因子有较大影响； 串联电阻越大，短路电流下降越多，填充因子也随之减少得越多； 并联电阻越小，这部分电流就越大，开路电压就下降得越多，填充因子随之也下降得越多。,图2-5 太阳电池的单二极管等效电路模型,由于光生电动势使pn结正向偏置，因此存在一个流经二极管的漏电流，该电流与光生电流的方向相反，会抵消

12、部分光生电流，被称为暗电流ID。,正面金属电极与半导体材料的接触电阻、半导体材料的体电阻和电极电阻三部分,电池边缘漏电或耗尽区内的复合电流引起的,3.4 太阳电池模型,3.4 太阳电池模型,当负载被短路时，V=0，I=Isc，流经二极管的暗电流非常小，可以忽略，根据式,Isc即为太阳电池的短路电流(short circuit current).,可得,短路电流Isc总小于光生电流IL。,3.5 太阳电池的效率原理性损失,单晶硅电池可将约16-20的入射光线转换为电流。在实验室最佳的条件下制作的电池效率已经接近25。从理论讲，最大的转换效率达到30甚至更高也是可能的。 不管是哪一种材料的太阳电池

13、都不能将全部的太阳光转换为电流。 太阳光包含电磁波中的一个很宽的光谱范围(0.252.5m)，即从红外线经过各种颜色的可见光直到紫外线。大体分为紫外光占7、可见光占45和红外光占47左右。,晶体硅太阳电池的光谱敏感最大值没有与太阳辐射的强度最大值完全重合。为了在硅中产生电子-空穴对，光线具有一个确定的最小能量值是必要的。光的能量随着波长的减少而增加，即蓝光的能量大于红光。,3.5 太阳电池的效率原理性损失,5. 对于硅电池来说，为了产生电子-空穴对形成电流，波长小于1.1m的光，也就是靠近可见光的近红外线和可见光才具有足够的能量。 6. 太阳光谱中波长大于1.1m的长波部分不能够产生电子一空穴

14、对，而是转变为热量。太阳辐射中大约有25的这样的光能不能被利用。,3.5 太阳电池的效率原理性损失,太阳能电池在入射光中每一种波长的光的作用下，所收集到的光电流与相对于入射到电池表面的该波长光子数之比，称为太阳能电池的光谱响应，又称为光谱灵敏度。 光谱响应有绝对光谱响应和相对光谱响应之分。绝对光谱响应是指某一波长下太阳能电池的短路电流除以入射光功率所得的商，其单位是mAmW或mAmWcm2。由于测量与每个波长单色光相对应的光谱灵敏度的绝对值较为困难，所以常把光谱响应曲线的最大值定为1，并求出其他灵敏度对这一最大值的相对值，这样得到的曲线则称为相对光谱响应曲线，即相对光谱响应。,3.5 太阳电池

15、的效率原理性损失,太阳能电池的光谱响应,3.5 太阳电池的效率原理性损失,太阳能电池的光谱响应,曲线,光谱响应曲线的最大值定为1,太阳光包含电磁波中的一个很宽的光谱范围(0.252.5m),硅太阳能电池的相对光谱响应范围(0.31.1m),3.5 太阳电池的效率原理性损失,7. 如光线的能量足以产生电子-空穴对，那么此时光能的大小就不起作用了，即不管是红光还是蓝光。在光能临界值之上一个光量子只产生一个电子-空穴对，剩余的能量又被转换为未利用的热量。如此太阳能的30的部分没有被利用。,3.5 太阳电池的效率工艺性损失,不是所有的光线都能够在p-n结周围被吸收和转换.不是在界面层附近产生的电子-空

16、穴对，很有可能由于相互迅速复合而将能量损失。 晶体中的不纯(杂质)和晶体结构中的缺陷导致不是所有的电子一空穴对很快地在界面分离，以致一定百分比的电子-空穴对可以复合，从而造成电流损失。,3.5 太阳电池的效率工艺性损失,3. 解决方法是使用高纯的硅材料，这样必须支付高昂的材料成本。在工业部门生产时要兼顾材料的纯度和生产成本，要求达到的转换效率和价格之间平衡关系。,3.5 太阳电池的效率小结,在能量转换时的效率影响 光学损失 光学损失主要是表面反射、遮挡损失(前电极)和电池材料本身的光谱响应特性。 电学损失 电能转换的损失来源可总结为如下方面：载流子损失(复合)和欧姆损失(电极一晶体接触)等。,

17、3.6 硅片的生产,太阳电池产品需要高纯的原料，对于太阳电池要求硅材料的纯度至少是99.99998，即在1千万个硅原子中最多允许2个杂质原子存在。而对半导体技术要求的纯度还要高几个数量级。,3.6 硅片的生产,二氧化硅冶金级硅高纯三氯氢硅高纯多晶硅原料单晶硅棒或多晶硅锭硅片太阳电池电池组件,金属合金需要的冶金级硅 (杂质约12) 大约810元kg,生产工艺,3.6 硅片的生产,太阳电池用的硅材料价格要比冶金级硅高几十倍。 一片100mml00mm的太阳电池要用硅材料约10g左右，电功率为1.31.5W； 1MW太阳电池需要13t左右的硅材料。 现在的发展趋势是不管是单晶还是多晶硅太阳电池，都使

18、用大尺寸、超薄的硅片，如125mm125mm。,生产工艺,3.6 硅片的生产,现在的发展趋势是不管是单晶还是多晶硅太阳电池，都使用大尺寸、超薄的硅片，如125mm125mm，150mm150mm，而厚度开始从330m向240m、220m甚至可减少到100m以下。,生产工艺,3.6 硅片的生产,太阳电池用的硅材料价格要比冶金级硅高几十倍。一片100mml00mm的太阳电池要用硅材料约10g左右，对应的太阳电池的电功率为1.31.5W，这样的话，1MW太阳电池需要13t左右的硅材料。,生产工艺,3.6 硅片的生产,德国太阳能系统研究所使用40m超薄硅片，制作的太阳电池的转换效率也达到20。这些技术

19、的推广使用将节省大量的硅材料，可明显降低太阳电池生产成本，有利地促进太阳电池工业的发展。,生产工艺,晶体硅太阳电池生产工艺主要包括：,硅片腐蚀 扩散制结 等离子边缘腐蚀 去磷硅玻璃 减反射膜制备 表面金属化 检测分级。,3.7 太阳电池生产工艺,商用的太阳电池类型：,目前在研究的还有纳米氧化钛敏化电池、多晶硅薄膜以及有机太阳电池等。但实际应用的主要还是硅材料电池，特别是晶体硅太阳电池。,3.8 太阳电池类型,单晶硅电池 多晶硅电池 非晶硅电池 碲化镉电池 铜铟硒电池,3.8 太阳电池类型,1.单晶硅太阳电池 单晶硅太阳电池是最早发展起来的，主要用单晶硅片来制造。与其他种类的电池相比，单晶硅电池

20、的转换效率最高。作为原料的高纯单晶硅片多是从电子工业半导体器件加工中退出的产品，以往在市场上可大量以较便宜的价格得到，因此单晶硅电池能够以相对较有利的成本来生产。,3.8 太阳电池类型,1.单晶硅太阳电池,单晶硅太阳电池,3.8 太阳电池类型,第三章 太阳能电池,1.单晶硅太阳电池,单晶硅电池的基本结构多为np型，多以p型单晶硅片为基片，其电阻率范围一般为l3cm，厚度一般为200300m。,由于单晶硅材料大都来自半导体工业退下的废次品，因而，一些厂家利用的硅片厚度达到0.50.7mm，由于这些硅片的质量完全满足太阳电池的要求，用来制作太阳电池可得到很好的效果，一般很容易使效率达到15以上。,

21、3.8 太阳电池类型,第三章 太阳能电池,1.单晶硅太阳电池,单晶硅电池制作过程首先是表面绒面结构的制作，其次与多晶硅不同的是所用的减反膜主要为Si0X或TiO2薄膜。制备Si0X或TiO2薄膜通常采用热氧化或常压化学气相沉积工艺。,单晶硅太阳电池(图2-3)主要用于光伏电站，特别是通讯电站，也可用于航空器电源，或用于聚焦光伏发电系统。像单晶硅的结晶是非常完美一样，单晶硅电池的光学、电学和力学性能均匀一致，电池的颜色多为黑色或深色，特别适合切割成小片制作小型消费产品，如太阳能庭院灯等。,3.8 太阳电池类型,第三章 太阳能电池,1.单晶硅太阳电池,单单晶硅电池的实验室实现的转换效率达到24.7

22、，为澳大利亚新南威尔士大学创造并保持。代表性的单晶硅电池商品主要有荷兰Shell Solar、西班牙Iso- foton，印度Microsol等厂家。 单晶硅电池是目前除了GaAs以外效率最高的太阳电池产品。与GaAs不同，高效单晶硅电池实现了规模化生产，图2-4(a)为欧洲一工厂的小批量生产的高效太阳电池产品，效达到18左右。高效硅太阳电池的主要代表性商品为以n型硅基片的美国Sunpower和日本Sanyo HIT的20转换效率的太阳电池，其中美国Sunpower正在建设年产量达到25MW太阳电池的生产厂。,3.8 太阳电池类型,第三章 太阳能电池,1.单晶硅太阳电池,单晶硅电池的实验室实现

23、的转换效率达到24.7，为澳大利亚新南威尔士大学创造并保持。代表性的单晶硅电池商品主要有荷兰Shell Solar、西班牙Iso- foton，印度Microsol等厂家。,图2-4 高效率太阳电池,3.8 太阳电池类型,第三章 太阳能电池,2、多晶硅太阳电池,在制作多晶硅太阳电池时，作为原料的高纯硅不是拉成单晶，而是熔化后浇铸成正方形的硅锭，然后像加工单晶硅一样切成薄片和进行类似的电池加工。 从多晶硅电池的表面很容易辨认，硅片是由大量不同大小结晶区域组成。在这样结晶区域(晶粒)里的光电转换机制完全同单晶硅电池。 由于硅片由多个不同大小、不同取向的晶粒组成，而在晶粒界面(晶界)处光电转换易受到

24、干扰，因而多晶硅的转换效率相对较低，同时，多晶硅的电学、力学和光学性能一致性不如单晶硅电池。,3.8 太阳电池类型,第三章 太阳能电池,2、多晶硅太阳电池,图2-5 多晶硅太阳电池,3.8 太阳电池类型,第三章 太阳能电池,2、多晶硅太阳电池,多晶硅太阳电池的基本结构都为n+p型，都用p型单晶硅片，电阻率0.52cm，厚度220300m，有些厂家正在向180m甚至更薄发展，以节约昂贵高纯硅材料。 制作过程的主要特点是以氮化硅为减反射薄膜，商业化电池的效率多为1315； 主要特点是多晶硅电池是正方片，在制作电池组件时有最高的填充率。由于多晶硅的生产工艺简单，可大规模生产，所以多晶硅电池的产量和市

25、场占有率为最大。,3.8 太阳电池类型,第三章 太阳能电池,2、多晶硅太阳电池,多晶硅电池与单晶硅相同，性能稳定，也主要用于光伏电站建设，作为光伏建筑材料，如光伏幕墙或屋顶光伏系统。 多晶结构在阳光作用下，由于不同晶面散射强度不同，可呈现不同色彩。 通过控制氮化硅减反射薄膜的厚度，可使太阳电池具备各种各样的颜色(表22)，如金色、绿色等，因而，多晶硅电池具有良好的装饰效果。 。,3.8 太阳电池类型,第三章 太阳能电池,2、多晶硅太阳电池,多晶硅电池的实验室最高效率达到20.3，为德国研究机构获得。具有代表性的商品有Q-Cell、Motech、Suntech等公司生产的产品。,表2-2 氮化硅

26、厚度对应不同颜色的多晶硅太阳电池,3.8 太阳电池类型,第三章 太阳能电池,3、双面太阳电池,日本Hitachi公司的创新。 用单晶硅衬底制作的太阳电池，两面均能够产生电能，且均有SiO2减反射薄膜，起到减反射和钝化硅表面悬挂键的作用。 采用双面玻璃封装。正面和背面的转换效率分别是15和10.5。 背面的转换效率明显比正面低。如果阳光照射到背面的话，背面产生的载流子需要跨过更长的距离才能到达p-n结，在这个过程中载流子容易被复合。,3.8 太阳电池类型,第三章 太阳能电池,4、非晶硅太阳电池,1975年Spear等利用硅烷的直流辉光放电技术制备出a-Si：H材料，即补偿了悬挂键等缺陷态，才实现

27、了对非晶硅基材料的掺杂，使非晶硅材料开始得到应用。 1976年第一个效率为12的非晶硅太阳电池被研制出； 直到1980年非晶硅太阳电池实现商品化。日本三洋电器公司利用非晶硅太阳电池率先制成计算器电源，并实现工业化生产。目前世界非晶硅太阳电池生产能力50MW年，最高效率为13，应用范围从多种电子消费产品如手表、计算器、玩具到户用电源、光伏电站等。,3.8 太阳电池类型,第三章 太阳能电池,4、非晶硅太阳电池,非晶硅a-Si禁带宽度为1.7eV，通过掺B或掺P可得到p型a-Si或n型a-Si。 在太阳光谱的可见光范围内，非晶硅的吸收系数比晶体硅大近一个数量级。 非晶硅太阳电池光谱响应的峰值与太阳光

28、谱的峰值很接近。 由于非晶硅材料的本征吸收系数很大，1m厚度就能充分吸收太阳光，厚度不足晶体硅的1100，可明显节省昂贵的半导体材料。,3.8 太阳电池类型,第三章 太阳能电池,4、非晶硅太阳电池,非晶硅电池是至今取得最为成功的薄膜太阳电池，尽管从最早的1996年12市场份额降到2004年的4。由于目前晶体硅电池供应短缺，人们试图通过非晶硅电池来补充非晶硅电池之所以不能大规模使用，主要是因为S-W效应，即光致衰减效应。,非晶硅及其合金的光照电导率随光照时间加长而减少，经200退火2h可恢复原状。这种现象首先由Stabler和Wronski发现，称为S-W效应。这是非晶硅材料结构的一种光致亚稳态变化效应，即光照使材料产生悬挂键等亚稳缺陷。,3.8 太阳电池类型,第三章 太阳能电池,4、非晶硅太阳电池,基本结构：n-i-p型，主要用PECVD工艺沉积在具有SnO2(F)的导电玻璃而制成。 其他结构：2个p-n或3个p-n结的非晶硅电池，基片采用导电玻璃甚至不锈钢作为衬底材料。 效率：商品化的