太阳能利用技术第二篇

安 徽 建 筑 工 业 学 院授 课 教 师 ： 曹 佰 来 安 徽 建 筑 工 业 学 院按 照 基 体 材 料 分 类 ： 晶 硅 太 阳 电 池 包 括 ： 单 晶 硅 和 多 晶 硅 太 阳 电 池 非 晶 硅 太 阳 电 池 薄 膜 太 阳 电 池 化 合 物 太 阳 电 池 包 括 ： 砷 化 镓 电 池 ； 硫 化 镉 电 池 ； 碲 化 镉 电 池 ； 硒 铟 铜 电 池 等 有 机 半 导 体 太 阳 电 池 安 徽 建 筑 工 业 学 院 安 徽 建 筑 工 业 学 院单 晶 硅 太 阳 电 池 安 徽 建 筑 工 业 学 院多 晶 硅 太 阳 电 池 安 徽 建 筑 工 业 学 院 安 徽 建 筑 工 业 学 院 按 照 结 构 分 类 ： 同 质 结 太 阳 电 池 异 质 结 太 阳 电 池 肖 特 基 结 太 阳 电 池 复 合 结 太 阳 电 池 液 结 太 阳 电 池 等 安 徽 建 筑 工 业 学 院按 照 用 途 分 类 ： 空 间 太 阳 电 池 在 人 造 卫 星 、 宇 宙 飞 船 等 航 天 器 上 应 用 的太 阳 电 池 。 由 于 使 用 环 境 特 殊 ， 要 求 太 阳 电 池具 有 效 率 高 、 重 量 轻 、 耐 辐 照 等 性 能 。 地 面 太 阳 电 池 在 地 面 上 应 用 的 太 阳 电 池 。 光 敏 传 感 器 光 照 射 时 ， 太 阳 电 池 两 极 之 间 就 能 产 生 电压 。 连 成 回 路 ， 就 有 电 流 流 过 ， 光 照 强 度 不 同 ，电 流 的 大 小 也 不 一 样 ， 因 此 可 以 作 为 传 感 器 使用 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院航 天 器 上 的 光 伏 系 统 安 徽 建 筑 工 业 学 院 安 徽 建 筑 工 业 学 院 安 徽 建 筑 工 业 学 院按 照 工 作 方 式 分 类 ： 平 板 太 阳 电 池 聚 光 太 阳 电 池 安 徽 建 筑 工 业 学 院平 板 太 阳 电 池 安 徽 建 筑 工 业 学 院 安 徽 建 筑 工 业 学 院聚光太阳电池 安 徽 建 筑 工 业 学 院 硅 原 子 的 外 层 电 子 壳 层 中 有 4个 电 子 。受 到 原 子 核 的 束 缚 比 较 小 ， 如 果 得 到足 够 的 能 量 ， 会 摆 脱 原 子 核 的 束 缚 而成 为 自 由 电 子 ， 并 同 时 在 原 来 位 置 留出 一 个 空 穴 。 电 子 带 负 电 ； 空 穴 带 正电 。 在 纯 净 的 硅 晶 体 中 ， 自 由 电 子 和 空 穴的 数 目 是 相 等 的 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 安 徽 建 筑 工 业 学 院 在 硅 晶 体 中 每 个 原 子 有 4个 相 邻 原 子 ， 并 和每 一 个 相 邻 原 子 共 有 2个 价 电 子 ， 形 成 稳 定的 8电 子 壳 层 。 从 硅 的 原 子 中 分 离 出 一 个 电 子 需 要 1.12eV的 能 量 ， 该 能 量 称 为 硅 的 禁 带 宽 度 。 被 分 离出 来 的 电 子 是 自 由 的 传 导 电 子 ， 它 能 自 由 移动 并 传 送 电 流 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院硅 原 子 的 共 价 键 结 构 安 徽 建 筑 工 业 学 院 如 果 在 纯 净 的 硅 晶 体 中 掺 入 少 量 的 5价 杂质 磷 （ 或 砷 ， 锑 等 ） ， 由 于 磷 原 子 具 有 5个 价 电 子 ， 所 以 1个 磷 原 子 同 相 邻 的 4个 硅原 子 结 成 共 价 键 时 ， 还 多 余 1个 价 电 子 ，这 个 价 电 子 很 容 易 挣 脱 磷 原 子 核 的 吸 引 而变 成 自 由 电 子 。 所 以 一 个 掺 入 5价 杂 质 的 4价 半 导 体 ， 就成 了 电 子 导 电 类 型 的 半 导 体 ， 也 称 为 n型半 导 体 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 在 n型 半 导 体 中 ， 除 了 由 于 掺 入 杂 质 而产 生 大 量 的 自 由 电 子 以 外 ， 还 有 由 于 热激 发 而 产 生 少 量 的 电 子 -空 穴 对 。 然 而空 穴 的 数 目 相 对 于 电 子 的 数 目 是 极 少 的 。 所 以 在 n型 半 导 体 材 料 中 ， 空 穴 数 目很 少 ,称 为 少 数 载 流 子 ;而 电 子 数 目 很 多 ,称 为 多 数 载 流 子 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院n型 半 导 体 安 徽 建 筑 工 业 学 院 同 样 如 果 在 纯 净 的 硅 晶 体 中 掺 入 3价 杂 质 ，如 硼 （ 或 鋁 、 镓 或 铟 等 ） ， 这 些 3价 杂 质原 子 的 最 外 层 只 有 3个 价 电 子 ， 当 它 与 相邻 的 硅 原 子 形 成 共 价 键 时 ， 还 缺 少 1个 价电 子 ， 因 而 在 一 个 共 价 键 上 要 出 现 一 个空 穴 ， 因 此 掺 入 3价 杂 质 的 4价 半 导 体 ，也 称 为 p型 半 导 体 。 对 于 p型 半 导 体 ， 空 穴 是 多 数 载 流 子 ，而 电 子 为 少 数 载 流 子 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院P型 半 导 体 安 徽 建 筑 工 业 学 院 若 将 p型 半 导 体 和 n型 半 导 体 两 者 紧 密 结 合 ， 联 成 一 体 时 ， 由 导 电 类 型 相 反的 两 块 半 导 体 之 间 的 过 渡 区 域 ， 称 为 p-n 结 。 在 p-n 结 两 边 ， 由 于 在 p型 区内 ， 空 穴 很 多 ， 电 子 很 少 ； 而 在 n型 区内 ， 则 电 子 很 多 ， 空 穴 很 少 。 由 于 交 界面 两 边 ， 电 子 和 空 穴 的 浓 度 不 相 等 ， 因此 会 产 生 多 数 载 流 子 的 扩 散 运 动 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 在 靠 近 交 界 面 附 近 的 p区 中 ， 空 穴要 由 浓 度 大 的 p区 向 浓 度 小 的 n区扩 散 ， 并 与 那 里 的 电 子 复 合 ， 从而 使 那 里 出 现 一 批 带 正 电 荷 的 搀入 杂 质 的 离 子 。 同 时 在 p型 区 内 ， 由 于 跑 掉 了 一批 空 穴 而 呈 现 带 负 电 荷 的 搀 入 杂质 的 离 子 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 同 样 在 靠 近 交 界 面 附 近 的 n区 中 ， 电子 要 由 浓 度 大 的 n区 向 浓 度 小 的 p区 扩散 ， 而 电 子 则 由 浓 度 大 的 n区 要 向 浓 度小 的 p区 扩 散 ， 并 与 那 里 的 空 穴 复 合 ，从 而 使 那 里 出 现 一 批 带 负 电 荷 的 搀 入杂 质 的 离 子 。 同 时 在 n型 区 内 ， 由 于 跑 掉 了 一 批 电子 而 呈 现 带 正 电 荷 的 搀 入 杂 质 的 离 子 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 于 是 ， 扩 散 的 结 果 是 在 交 界 面 的 两边 形 成 一 边 带 正 电 荷 而 另 一 边 带 负电 荷 的 一 层 很 薄 的 区 域 ， 称 为 空 间电 荷 区 。 这 就 是 p-n 结 。 在 p-n 结 内 ， 由 于 两 边 分 别 积 聚 了 负 电 荷和 正 电 荷 ， 会 产 生 一 个 由 正 电 荷 指向 负 电 荷 的 电 场 ， 因 此 在 p-n 结内 ， 存 在 一 个 由 n区 指 向 p区 的 电 场 ，称 为 内 建 电 场 （ 或 称 势 垒 电 场 )。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 安 徽 建 筑 工 业 学 院 太 阳 电 池 在 光 照 下 ， 能 量 大 于 半导 体 禁 带 宽 度 的 光 子 ， 使 得 半 导体 中 原 子 的 价 电 子 受 到 激 发 ， 在 p区 、 空 间 电 荷 区 和 n区 都 会 产 生 光生 电 子 -空 穴 对 ， 也 称 光 生 载 流 子 。这 样 形 成 的 电 子 -空 穴 对 由 于 热 运动 ， 向 各 个 方 向 迁 移 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 光 生 电 子 -空 穴 对 在 空 间 电 荷区 中 产 生 后 ， 立 即 被 内 建 电 场分 离 ， 光 生 电 子 被 推 进 n区 ， 光生 空 穴 被 推 进 p区 。 在 空 间 电 荷区 边 界 处 总 的 载 流 子 浓 度 近 似为 0。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 在 n区 ， 光 生 电 子 -空 穴 产 生 后 ，光 生 空 穴 便 向 p-n 结 边 界 扩 散 ，一 旦 到 达 p-n 结 边 界 ， 便 立 即受 到 内 建 电 场 的 作 用 ， 在 电 场 力作 用 下 作 漂 移 运 动 ， 越 过 空 间 电荷 区 进 入 p区 ， 而 光 生 电 子 （ 多数 载 流 子 ） 则 被 留 在 n区 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 p区 中 的 光 生 电 子 也 会 向 p-n 结 边 界 扩 散 ， 并 在 到 达 p-n 结 边 界 后 ， 同 样 由 于 受 到 内 建 电场 的 作 用 而 在 电 场 力 作 用 下 作 漂移 运 动 ， 进 入 n区 ， 而 光 生 空 穴（ 多 数 载 流 子 ） 则 被 留 在 p区 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 因 此 在 p-n 结 两 侧 形 成 了 正 、 负 电荷 的 积 累 ， 形 成 与 内 建 电 场 方 向 相反 的 光 生 电 场 。 这 个 电 场 除 了 一 部分 抵 消 内 建 电 场 以 外 ， 还 使 p型 层 带正 电 ， n型 层 带 负 电 ， 因 此 产 生 了 光生 电 动 势 。 这 就 是 “ 光 生 伏 打 效应 ” （ 简 称 光 伏 ） 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 如 果 使 太 阳 电 池 开 路 ， 即 负 载 电 阻 ， RL = ， 则 被 p-n 结 分 开 的 全 部 过 剩 载 流子 就 会 积 累 在 p-n 结 附 近 ， 于 是 产 生 了等 于 开 路 电 压 VOC的 最 大 光 生 电 动 势 。 如 果 把 太 阳 电 池 短 路 ， 即 RL = 0， 则 所有 可 以 到 达 p-n 结 的 过 剩 载 流 子 都 可 以穿 过 结 ， 并 因 外 电 路 闭 合 而 产 生 了 最 大可 能 的 电 流 ， 即 短 路 电 流 ISC。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 如 果 把 太 阳 电 池 接 上 负 载 RL， 则被 结 分 开 的 过 剩 载 流 子 中 就 有 一部 分 把 能 量 消 耗 于 降 低 p-n 结势 垒 ， 即 用 于 建 立 工 作 电 压 Vm，而 剩 余 部 分 的 光 生 载 流 子 则 用 来产 生 光 生 电 流 Im。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 安 徽 建 筑 工 业 学 院 安 徽 建 筑 工 业 学 院 安 徽 建 筑 工 业 学 院太 阳 电 池 的 极 性 太 阳 电 池 一 般 制 成 p+/n型 结 构 或 n+/p型 结构 ， 其 中 第 一 个 符 号 ， 即 p+和 n+表 示 太 阳电 池 正 面 光 照 半 导 体 材 料 的 导 电 类 型 ； 第二 个 符 号 ， 即 n和 p表 示 太 阳 电 池 背 面 衬底 半 导 体 材 料 的 导 电 类 型 。 下 图 为 在 p型 半 导 体 材 料 上 扩 散 磷 元 素 ，形 成 n+/p型 结 构 的 太 阳 电 池 。 上 表 面 为 负极 ； 下 表 面 为 正 极 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 安 徽 建 筑 工 业 学 院1.标 准 测 试 条 件 光 源 辐 照 度 ： 1000W/m2 ； 测 试 温 度 ： 25 20C ； AM1.5地 面 太 阳 光 谱 辐 照 度 分 布 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 安 徽 建 筑 工 业 学 院2.太 阳 电 池 等 效 电 路(1)理 想 太 阳 电 池 等 效 电 路 ： 相 当 于 一 个 电 流 为 Iph的 恒 流 电源 与 一 只 正 向 二 极 管 并 联 。 流 过 二 极 管 的 正 向 电 流 称 为 暗电 流 ID. 流 过 负 载 的 电 流 为 I 负 载 两 端 的 电 压 为 V 安 徽 建 筑 工 业 学 院 Iph ID V R I 安 徽 建 筑 工 业 学 院 Rs Iph ID Rsh Ish V R I实 际 的 太 阳 电 池 等 效 电 路 安 徽 建 筑 工 业 学 院 暗 电 流 ID是 注 入 电 流 和 复 合 电 流 之 和 ，可 以 简 化 为 单 指 数 形 式 ： ID=Iooexp(qVj/A0kT)-1其 中 ： Ioo为 太 阳 电 池 在 无 光 照 时 的 饱 和 电 流 ； A0为 结 构 因 子 ， 它 反 映 了 p-n结 的 结构 完 整 性 对 性 能 的 影 响 ； K是 玻 尔 兹 曼 恒 量 安 徽 建 筑 工 业 学 院 (2)实 际 太 阳 电 池 等 效 电 路 ： 由 于 漏 电 流 等 产 生 的 旁 路 电 阻 Rsh 由 于 体 电 阻 和 电 极 的 欧 姆 电 阻 产 生 的串 联 电 阻 Rs 在 Rsh两 端 的 电 压 为 ： Vj =(V+IRS) 因 此 流 过 旁 路 电 阻 Rsh的 电 流 为 ： ISh= (V+IRS) / Rsh 流 过 负 载 的 电 流 ： I= Iph ID ISh 安 徽 建 筑 工 业 学 院 因 此 得 出 : 这 就 是 光 照 情 况 下 太 阳 电 池 的 电流 与 电 压 的 关 系 。 画 成 图 形 ， 即 为(I-V)特 性 曲 线 。 sh skTAIRVqph shDph RIRVeII IIII s )1( 0/)(00 安 徽 建 筑 工 业 学 院 在 理 想 情 况 下 ： Rsh ， Rs 0 由 此 得 到 ： I= Iph ID = Iph Iooexp(qV/A0kT)-1 在 负 载 短 路 时 ， 即 Vj=0(忽 略 串 联 电阻 )， 便 得 到 短 路 电 流 ， 其 值 恰 好 与 光电 流 相 等 Isc= Iph 安 徽 建 筑 工 业 学 院 因 此 得 出 ： I= Iph ID = Isc Iooexp(qV/A0kT)-1 在 负 载 R时 ,输 出 电 流 0,便 得 到 开路 电 压 Voc其 值 由 下 式 确 定 ： )1/ln( 000 IIqkTAV phoc 安 徽 建 筑 工 业 学 院3. 伏 安 (I-V)特 性 曲 线 受 光 照 的 太 阳 电 池 ， 在 一 定 的 温 度和 辐 照 度 以 及 不 同 的 外 电 路 负 载 下 ，流 入 负 载 的 电 流 I和 电 池 端 电 压 V的关 系 曲 线 。 下 图 为 某 个 太 阳 电 池 组 件 的 (I-V)特性 曲 线 示 意 图 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 安 徽 建 筑 工 业 学 院4. 开 路 电 压 在 一 定 的 温 度 和 辐 照 度 条 件 下 ， 光 伏发 电 器 在 空 载 (开 路 )情 况 下 的 端 电 压 ，通 常 用 Voc来 表 示 。 太 阳 电 池 的 开 路 电 压 与 电 池 面 积 大 小无 关 ， 通 常 单 晶 硅 太 阳 电 池 的 开 路 电 压约 为 450-600mV， 最 高 可 达 690mV 。 太 阳 电 池 的 开 路 电 压 与 入 射 光 谱 辐照 度 的 对 数 成 正 比 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院5. 短 路 电 流 在 一 定 的 温 度 和 辐 照 条 件 下 ， 光 伏 发电 器 在 端 电 压 为 零 时 的 输 出 电 流 ， 通 常用 Isc来 表 示 。 Isc与 太 阳 电 池 的 面 积 大 小 有 关 ， 面 积越 大 ， Isc越 大 。 一 般 1cm2的 太 阳 电 池Isc值 约 为 16-30mA。 Isc与 入 射 光 的 辐 照 度 成 正 比 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院 6. 最 大 功 率 点 在 太 阳 电 池 的 伏 安 特 性 曲 线 上 对 应最 大 功 率 的 点 ， 又 称 最 佳 工 作 点 。 7. 最 佳 工 作 电 压 太 阳 电 池 伏 安 特 性 曲 线 上 最 大 功 率点 所 对 应 的 电 压 。 通 常 用 Vm表 示 8. 最 佳 工 作 电 流 太 阳 电 池 伏 安 特 性 曲 线 上 最 大 功 率点 所 对 应 的 电 流 。 通 常 用 Im表 示 安 徽 建 筑 工 业 学 院 9. 转 换 效 率 受 光 照 太 阳 电 池 的 最 大 功 率 与 入 射到 该 太 阳 电 池 上 的 全 部 辐 射 功 率 的 百分 比 。 = Vm Im / At Pin 其 中 Vm和 Im分 别 为 最 大 输 出 功 率 点的 电 压 和 电 流 ， At为 太 阳 电 池 的 总 面 积 ， Pin为 单 位 面 积 太 阳 入 射 光 的 功 率 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院电 池 种 类 转 换 效 率(%) 研 制 单 位 备 注单 晶 硅 电 池 24.7 0.5 澳 大 利 亚 新 南 威 尔 士 大学 4 cm2面 积GaAs多 结 电 池 34.7 1.7 Spectro lab 333倍 聚 光多 晶 硅 电 池 20.3 0.5 德 国 弗 朗 霍 夫 研 究 所 1.002 cm2面 积InGaP/GaAs 30.8 1.0 日 本 能 源 公 司 4 cm2面 积非 晶 硅 电 池 12.8 0.7 美 国 USSC公 司 0.27 cm2面 积CIGS电 池 19.5 0.6 美 国 可 再 生 能 源 实 验 室 0.41 cm2面 积CdTe电 池 16.5 0.5 美 国 可 再 生 能 源 实 验 室 1.032 cm2面 积多 晶 硅 薄 膜 电 池 16.6 0.4 德 国 斯 图 加 特 大 学 4.017 cm2面 积纳 米 硅 电 池 10.1 0.2 日 本 钟 渊 公 司 2微 米 膜 (玻 璃 衬底 )氧 化 钛 有 机 纳 米电 池 11.0 0.5 EPFL 0.25 cm2面 积GaInP/GaAs/Ge 37.3 1.9 Spectro lab 175 倍 聚 光背 接 触 聚 光 硅 电池 26.8 0.8 美 国 SunPower公 司 96倍 聚 光 安 徽 建 筑 工 业 学 院最 高 效 率 面 积 (cm2)单 晶 硅 电 池 20.4 2 2多 晶 硅 电 池 14.53 2 2GaAs电 池 20.1 1 1聚 光 硅 电 池 17 2 2CdS/CuxS电 池 12 几 个 mm2CuInSe2电 池 8.57 1 1CdTe电 池 7 3mm2多 晶 硅 薄 膜 电 池 13.6 1 1非 晶 硅 电 池 11.2(单 结 )8.66.2 几 个 mm210 1030 30二 氧 化 钛 纳 米 有 机 电 池 10 1 1 安 徽 建 筑 工 业 学 院 10. 填 充 因 子 (曲 线 因 子 ) 太 阳 电 池 的 最 大 功 率 与 开 路 电 压 和短 路 电 流 乘 积 之 比 ， 通 常 用 FF(或 CF)表 示 ： FF = ImVm/ IscVoc IscVoc是 太 阳 电 池 的 极 限 输 出 功 率 ImVm是 太 阳 电 池 的 最 大 输 出 功 率 填 充 因 子 是 表 征 太 阳 电 池 性 能 优劣 的 一 个 重 要 参 数 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院11. 电 流 温 度 系 数 在 规 定 的 试 验 条 件 下 ， 被 测太 阳 电 池 温 度 每 变 化 10C ，太 阳 电 池 短 路 电 流 的 变 化 值 ，通 常 用 表 示 。 对 于 一 般 晶 体 硅 电 池 = + 0.1%/0C 安 徽 建 筑 工 业 学 院12. 电 压 温 度 系 数 在 规 定 的 试 验 条 件 下 ， 被 测 太 阳 电池 温 度 每 变 化 10C ， 太 阳 电 池 开 路 电 压的 变 化 值 ， 通 常 用 表 示 。 对 于 一 般 晶 体 硅 电 池 = - 0.38%/0C 安 徽 建 筑 工 业 学 院 安 徽 建 筑 工 业 学 院 1. 紫 光 电 池 采 用 浅 结 (如 0.1-0.15 m),和 密 栅 (如30条 /cm),克 服 了 “ 死 层 ” ,增 加 了 电 池 的蓝 紫 光 响 应 ,提 高 了 电 池 的 效 率 。 2. 背 电 场 (BSF)电 池 在 常 规 电 池 n+/p或 p+/n的 硅 电 池 背 面 增加 一 层 p+或 n+层 ,即 形 成 背 电 场 ,可 以 使 电池 性 能 提 高 ,并 且 不 受 电 阻 率 和 一 定 范 围内 单 晶 片 厚 度 变 化 的 影 响 安 徽 建 筑 工 业 学 院 3. 绒 面 电 池 采 用 选 择 性 腐 蚀 溶 液 ,使 (100)硅 片表 面 形 成 微 小 的 金 字 塔 型 的 小 丘 ,小 丘 密度 大 约 为 108-109个 /厘 米 2。 依 靠 表 面 金 字 塔 形 的 方 锥 结 构 ,对 光进 行 多 次 反 射 ,不 仅 减 少 了 反 射 损 失 ,而且 改 变 了 光 在 硅 中 的 前 进 方 向 ,延 长 了 光程 ,增 加 了 光 生 载 流 子 的 产 量 ； 曲 折 的 绒面 又 增 加 了 p-n结 面 积 ,从 而 增 加 对 光 生载 流 子 的 收 集 率 ； 并 改 善 了 电 池 的 红 光响 应 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院4. 聚 光 电 池 通 过 聚 光 器 ,使 大 面 积 聚 光 器 上接 收 到 的 太 阳 光 会 聚 一 个 比 较 小的 范 围 内 ,形 成 “ 焦 斑 ” 或 “ 焦带 ” 。 位 于 “ 焦 斑 ” 或 “ 焦 带 ”处 的 太 阳 电 池 可 得 到 较 多 的 光 能 ,使 每 一 片 电 池 能 输 出 更 多 的 电 能 。 需 要 配 备 一 套 包 括 ： 聚 光 器 ,散热 器 ,跟 踪 器 及 机 械 传 动 机 构 等 的聚 光 系 统 。 安 徽 建 筑 工 业 学 院低 倍 聚 光 方 阵 安 徽 建 筑 工 业 学 院聚 光 太 阳 电 池 方 阵 安 徽 建 筑 工 业 学 院250倍 聚 光 的 24KW太 阳 电 池 方 阵 安 徽 建 筑 工 业 学 院