非晶微晶硅薄膜太阳能电池.doc

非晶硅(a-Si)太阳电池是在玻璃(glass)衬底上沉积透明导电膜(TCO)，然后依次用等离子体反应沉积p型、i型、n型三层a-Si，接着再蒸镀金属电极铝(Al).光从玻璃面入射，电池电流从透明导电膜和铝引出，其结构可表示为glass/TCO/pin/Al，还可以用不锈钢片、塑料等作衬底。 硅材料是目前太阳电池的主导材料，在成品太阳电池成本份额中，硅材料占了将近40%，而非晶硅太阳电池的厚度不到1m，不足晶体硅太阳电池厚度的1/100，这就大大降低了制造成本，又由于非晶硅太阳电池的制造温度很低(200)、易于实现大面积等优点，使其在薄膜太阳电池中占据首要地位，在制造方法方面有电子回旋共振法、光化学气相沉积法、直流辉光放电法、射频辉光放电法、溅谢法和热丝法等。特别是射频辉光放电法由于其低温过程(200)，易于实现大面积和大批量连续生产，现成为国际公认的成熟技术。在材料研究方面，先后研究了a-SiC窗口层、梯度界面层、C-SiC p层等，明显改善了电池的短波光谱响应.这是由于a-Si太阳电池光生载流子的生成主要在i层，入射光到达i层之前部分被p层吸收，对发电是无效的.而a-SiC和C-SiC材料比p型a-Si具有更宽的光学带隙，因此减少了对光的吸收，使到达i层的光增加；加之梯度界面层的采用，改善了a-SiC/a-Si异质结界面光电子的输运特性.在增加长波响应方面，采用了绒面TCO膜、绒面多层背反射电极(ZnO/Ag/Al)和多带隙叠层结构，即glass/TCO/p1i1n1/p2i2n2/p3i3n3/ZnO/Ag/Al结构.绒面TCO膜和多层背反射电极减少了光的反射和透射损失，并增加了光在i层的传播路程，从而增加了光在i层的吸收.多带隙结构中，i层的带隙宽度从光入射方向开始依次减小，以便分段吸收太阳光，达到拓宽光谱响应、提高转换效率之目的。在提高叠层电池效率方面还采用了渐变带隙设计、隧道结中的微晶化掺杂层等，以改善载流子收集。 为了获得具有高效率、高稳定性的硅基薄膜太阳电池，近年来又出现了微晶、多晶硅薄膜电池。微晶硅薄膜是采用大氢稀释和微量掺硼技术制备的。多晶硅薄膜的制造技术主要有两种，一种是采用PECVD技术或热丝法直接生长；另一种则是通过对a-SiH材料进行后退火，实现低温固相晶化。薄膜太阳电池的测试薄膜太阳电池或者一般的非晶硅太阳电池的电性测试,和单/多晶硅太阳电池的测试有什么区别?1.目前市场上的太阳电池多以单晶硅和多晶硅电池为主.这种电池技术成熟,转换效率高,性能稳定,因此成为市场的主流.但因其材料消耗过大,人们正在积极寻找替代品或者改进工艺.就目前来讲,主要是发展非晶硅技术.它的主要特点是:用Si少,可沉积在玻璃,塑料甚至柔性材质上,并做成大面积的组件.虽然其转换效率偏低,但它的低材耗和可加工为大面积组件的特点,可以使它广泛用于建筑等方面;至于它的衰减性,目前也有很大的改观. 2.对于非晶硅薄膜太阳电池的测试,相对于单晶/多晶硅来讲,如果光谱和光强相同,那么,它只不过需要更长的光照时间.通过大量的实际测试和理论,比较公认的是至少在60ms以上,这比单/多晶硅电池只需要几毫秒的时间相比延长了不少.在实现光源长脉宽的过程中,主要是要克服在次过程中光强的稳定性和光的重复性. 3.在电池的测试设备上,国际的知名厂商如SPIRE等早已实现了100ms准稳态光源,但国内起步较晚.目前大多数厂家只能做到20ms35ms,虽然有些电池厂商在测试的时候也注意到这一点,并用乘以一定系数的方法来校正,但不能得到较准确的电池参数.上海赫爽太阳能科技有限公司是国内薄膜电池设备的领先者,已有2年多的研发制造经验,其生产的薄膜电池测试设备在光强的稳定度和重复度上可以达到国际水平,被国内外数家企业和研究机构选用.如果您对这方面感兴趣,可以相互讨论一下.我对这方面的了解也比较欠缺. 非晶硅太阳能电池的优势: 1. 非晶硅对可见光的吸收比晶体硅的要强,也就是说以阴雨天或者说月光较强的晚上,非晶硅电池也可以产生较少量的电流. 甚至有测得,同样功率的非晶硅和晶体硅太阳能电池, 按一年的发电量计算, 非晶硅要比晶体硅发的电多. 2. 非晶硅价格便宜, 因为非晶硅不受硅材料价格的限制, 在生产过程中, 用硅烷气体通过辉光放电法,在玻璃等衬底上沉积成一层薄膜. 因其材料较便宜, 可以大规模生产和推广. 3. 高温性能好：当太阳能电池工作温度高于标准测试温度25时，其最佳输出功率会有所下降；非晶硅太阳能电池受温度的影响比晶体硅太阳能电池要小得多。 4. 能量回收周期短, 在生产过程中的每瓦用电能耗较小,1.5-2年即可返回. 由于上述这些优势,令薄膜硅电池在民用领域具有广阔的应用前景，如光伏建筑一体化、大规模低成本发电站、太阳能照明光源。 由于非晶硅薄膜电池的良好前景，包括Sharp、Q-Cells、无锡尚德等在内的诸多企业正大规模进入非晶硅薄膜太阳能电池领域，整个行业的统计数字不断翻新。一、太阳能电池的原理 太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。 太阳能发电方式太阳能发电有两种方式 一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。 二、太阳能电池的分类 太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式(以下表示为a-)两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。 按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、V族(GaAs,InP等)、族(Cds系)和磷化锌 (Zn 3 p 2 )等。 太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。 （1） 硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 （2） 多元化合物薄膜太阳能电池 多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。 （3） 聚合物多层修饰电极型太阳能电池 以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。 （4） 纳米晶太阳能电池 纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/51/10寿命能达到2O年以上。首先，数据采集仪器应采用低功能耗的。 其次，选择的太阳能发电板和蓄电池应是经济、可靠性的。既要防止太阳能发电板在阴雨期容量不够，达不到测量目的，又要避免容量过大，造成浪费。 一、关于硅太阳能发电板容量 硅太阳能发电板容量是指平板式太阳能板发电功率WP。太阳能发电功率量值取决于负载24h所能消耗的电力 H(WH)，由负载额定电源与负载24h所消耗的电力，决定了负载24h消耗的容量P(AH)，再考虑到平均每天日照时数及阴雨天造成的影响，计算出太阳能电池阵列工作电流IP(A)。 由负载额定电源，选取蓄电池公称电压，由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压VF (V)，再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压VT (v)及反充二极管P-N结的压降VD(V)所造成的影响，则可计算出太阳能电池阵列的工作电压VP(V)，由太阳电池阵列工作电源IP(A)与工作电压VP(V)，便可决定平板式太阳能板发电功率WPW，从而设计出太阳能板容量，由设计出的容量WP与太阳能电池阵列工作电压VP，确定硅电池平板的串联块数与并联组数。 太阳能电池阵列的具体设计步骤如下： 1.计算负载24h消耗容量P。 P=H/V V负载额定电源 2.选定每天日照时数T(H)。 3.计算太阳能阵列工作电流。 IP=P(1+Q)/T Q按阴雨期富余系数，Q=0.211.00 4.确定蓄电池浮充电压VF。 镉镍(GN)和铅酸(CS)蓄电池的单体浮充电压分别为1.41.6V和2.2V。 5.太阳能电池温度补偿电压VT。 VT=2.1/430(T-25)VF 6.计算太阳能电池阵列工作电压VP。 VP=VF+VD+VT 其中VD=0.50.7 约等于VF 7.太阳电池阵列输出功率WP平板式太阳能电板。 WP=IPUP 8.根据VP、WP在硅电池平板组合系列表格，确定标准规格的串联块数和并联组数。 二、关于蓄电池的容量计算 蓄电池的容量由下列因素决定： 1.蓄电池单独工作天数。在特殊气候条件下，蓄电池允许放电达到蓄电池所剩容量占正常额定容量的20%。 2.蓄电池每天放电量。对于日负载稳定且要求不高的场合，日放电周期深度可限制在蓄电池所剩容量占额定容量的80%。 3.蓄电池要有足够的容量，以保证不会因过充电所造成的失水。一般在选蓄电池容量时，只要蓄电池容量大于太阳能发电板峰值电流的25倍，则蓄电池在充电时就不会造成失水。 4.蓄电池自身漏掉的电能。随着电池使用时间的增长及电池温度的升高，自放电率会增加。对于新的电池自放电率通常小于容量的5%，但对于旧的质量不好的电池，自放电率可增至每月10%15%。 在水情遥测系统中，连续阴雨天的长短决定了蓄电池的容量，由遥测设备在连续阴雨天中所消耗能量安时数 加上20%因子，再加上10%电池自放电能安时数，便可计算出蓄电池的容量源。 按照两种容量方案的计算，作者计算完成了太阳能电源的设计： 1.测站的主要参数： 每隔5min发射一次数据，发射时间2Sec； 发射机输入电压DC13.8V，输出电流5A； 当地日照时数78h。 2.测站蓄电池容量经计算得出为38AH。 3.测站太阳能电池容量阵列输出功率WP W为2535w。 综合以上结果，太阳能电源设计值为： 蓄电池：采用铅酸蓄电池，容量38AH，采用2个容量20AH并联形式；太阳能电池阵列：输出功率2535W，采用标准块板一块输出容量2538W，一块正好。 三、太阳能电源安装使用中注意的问题 1.阵列板选择安装在周围无高大建筑物、树木、电线杆等无遮挡太阳光和避风处。 2.太阳能电池阵列板配套的蓄电池在第一次使用时，要先充电到额定容量，不可过充或过放。 3.注意定期的维护工作。此电源系统经济可靠，安装方便，利于维护，在实践中取得了满意的效果。