【正文】 系統(tǒng)。已 從 1999年開始讓位于日本。 生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，光伏產(chǎn)業(yè)向百兆瓦級規(guī)模和更高技術(shù)發(fā)展。 1973年 2 2 第 1章 導(dǎo)論 的石油危機(jī)和九十年代的環(huán)境污染問題大大促進(jìn)了太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展。依靠光伏電池，把照射到光伏電池上的光能直接 轉(zhuǎn)換成電能輸出的光伏發(fā)電是太陽能光發(fā)電的主流。 太陽能光伏電池分類 迄今為止，人們已經(jīng)研究了 100多種不同材料、不同結(jié)構(gòu)、不同用途和不同型式的太 陽能電池（見表 ）。由于德國、歐盟及日本太陽能屋頂項目的推動， 2022年世界光伏年產(chǎn) 量達(dá)到 1256MW，年增長率超過 50%。 新技術(shù)不斷出現(xiàn)，電池效率持續(xù)攀升，成本明顯降低。于 1973年開始地面光伏系統(tǒng)應(yīng)用。 2022年，國家計委啟動了“西部省區(qū) 無電鄉(xiāng)通電計劃”，通過光伏和小型風(fēng)力發(fā)電解決西部七省區(qū)（西藏、新疆、青海、甘 肅、內(nèi)蒙、陜西和四川） 780個無電鄉(xiāng)的用電問題，光伏用量達(dá)到 。 附錄： 中國光伏的生產(chǎn)能力 中國太陽電池片主要廠家和生產(chǎn)能力 產(chǎn)品類別 單晶硅 廠商名稱 上海太陽能科技股份有限公司 云南半導(dǎo)體器件廠 上海國飛 8 生產(chǎn)能力 (MW) 10 1 8 4 1 2 4 2 2 2 2 2 1 2 1 6 第 1章 導(dǎo)論 寧波太陽能 多晶硅 非晶硅 無錫尚德 保定英利 哈爾濱克羅拉 25 3 合計 深圳創(chuàng)益 深圳日月環(huán) 深圳拓日 天津津能 北京世華 中國光伏組件主要廠家 2022年生產(chǎn)能力 8 10 廠商名稱 云南半導(dǎo)體 寧波太陽能 無錫尚德 上海國飛 保定英利 深圳能聯(lián) 上海 811 武漢日新 深圳先行 深圳珈瑋 小計 合計 2022年生產(chǎn)能力（ MW） 25 16 10 2 65 9 廠商名稱 青海國飛 內(nèi)蒙古國飛 西藏華冠 西安佳陽 深圳創(chuàng)意 天津日本京瓷 黃山朝陽（在建） 山東力諾（在建） 廣州銓欣照明 其他 小計 2022年生產(chǎn)能力（ MW） 10 10 9 6 12 2 33g 33cm 3 4msec2 6 10 1 2 1 46 2 2 1 2 第 2 章 太陽和太陽能 第 2 章 太陽和太陽能 萬物生長靠太陽 , 太陽對地球來說是唯一永恒的能源。 K 615 10 ergs cm 617 [4]、光球?qū)? 從吸收層以外至 1 倍太陽直徑處稱為對流層。包括一部 分太陽塵埃質(zhì)點，電離粒子和電子。因而稱北緯 176。赤緯角的日變化可以用如下近似公式表達(dá)： ? = Sin(360 284 + n 365 式中 n 為天數(shù)。 真可謂取之不盡，用之不竭。這種削弱還與 太陽輻射穿透大氣層的厚度、太陽輻射的方向等有關(guān)，通常用大氣質(zhì)量 (AM)來表示上述情況。在陽光的光譜分布中，吸收帶附近衰減更為嚴(yán)重。 我國地處北半球，土地遼闊，幅員廣大，國土總面積達(dá) 960 萬平方公里。 二類地區(qū)為我國太陽能資源較豐富地區(qū)，年太陽輻射總量為 58506680 MJ/m2，相當(dāng)于 日輻射量 。從氣象局取得的 數(shù)據(jù)是水平面的輻射數(shù)據(jù)，包括：水平面總輻射，水平面直接輻射和水平面散射輻射。 太陽電池是把光能轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。 pn 結(jié)電流電壓特性 太陽電池是由電性質(zhì)不同的 N型半導(dǎo)體和 P型半導(dǎo)體連接合成的。正向時，在電壓較大的區(qū)域，電流密度與 exp(qV/kT)成正比；反向時則趨近于 J0。光生電 場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使 p區(qū)帶正電， N區(qū)帶負(fù)電，在 N區(qū)和 P區(qū)之間的薄層就 產(chǎn)生電動勢，這就是光生伏特效應(yīng)。 首先研究在太陽電池工作時，外部觀測到的特性。分析短路電流的最方便的方法是將太陽光譜劃 分成許多微小光譜區(qū)域，每一微小區(qū)域只有很窄的波長范圍，并計算出每一微小區(qū)域光譜所 對應(yīng)的電流，電池的總短路電流是全光譜貢獻(xiàn)的總和，表達(dá)式如下： I sc = +0 jsc (? )d? ? +?m ? ? 0 jsc (? )d? = +?m ? 0 (1 ? R(? ) )qF (? )? (? )d? () 式中 λ0 ——本征吸收波長極限； R(λ)——半導(dǎo)體器件表面反射率； F(λ)——太陽光譜中波長為 λ～ λ+dλ間隔內(nèi)的光子數(shù)。即 d1 = 1 ? 39。假如半導(dǎo)體 pn結(jié)的質(zhì)量很好，禁帶寬度愈寬的 半導(dǎo)體，開路電壓 VOC也愈大。其等效電路 就繪制成上圖 （ b）的形式。填充因 子下降，所以轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增加而降低。 ISC對溫度 T很敏感，溫度還對 VOC起主要作用。 （ 3） 光生載流子復(fù)合壽命 :對于太陽電池的半導(dǎo)體而言，光生載流子的復(fù)合壽命越長， 短路電流 ISC會越大。 （ 4） 光強(qiáng) :將太陽光聚焦于太陽電池，可使一個小小的太陽電池產(chǎn)生出大量的電能。隨摻雜濃度增加有效摻雜濃度飽和，甚至?xí)陆? 目前，在 Si太陽電池中，摻雜濃度大約為 10 cm ，在直接帶隙材料制做的太陽電池 中約為 10 cm 為了減小串聯(lián)電阻，前擴(kuò)散區(qū)的摻雜濃度經(jīng)常高于 10 cm 因此重?fù)? 雜效應(yīng)在擴(kuò)散區(qū)是較為重要的。因為有太陽 光反射的存在，不是全部光線都能進(jìn)入 Si中。 治金級硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級硅或太陽電池級硅 。 28 第三章 太陽電池、組件 (3). 晶向、位錯、壽命 :太陽電池較多選用（１１１）和（１００）晶向生長的單 晶硅。 (3). 有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能經(jīng)受在運輸、安裝和使用過程中發(fā)生的沖突，振動及其 29 第三章 太陽電池、組件 它應(yīng)力。 圖 全膠密封太陽電池組件示意圖 1－硅太陽電池； 2－粘接劑； 3－電極引線； 4－下底板； 5－互連條。目前較多應(yīng)用的是 TPF 復(fù)合膜，要求 : （ 1）具有良好的耐氣候性能； （ 2）層壓溫度下不起任何變化； （ 3）與粘接材料結(jié)合牢固。在很多條 件下，失配是光伏組件和光伏方陣中一個很嚴(yán)重的問題，因為此時組件或方陣的輸出是系統(tǒng) 中最差的組件或方陣的輸出。它們的電流是相同的，電壓等于兩單電池電壓之和。 并聯(lián)失配后輸出的開路電壓可利用圖 計算。作為 一個完整的獨立發(fā)電系統(tǒng)，除了光伏方陣外，還需要一些其他的部件，我們將在下一章節(jié)詳 細(xì)介紹。 逆變器：將直流電轉(zhuǎn)換成 220V50Hz 的交流電。它就是光伏系統(tǒng) 中把輻射能轉(zhuǎn)換成電能的部件。 用于電力的組件 電力用的太陽電池一般均安裝在戶外用，所以除太陽電池本身以外，還必須采用能經(jīng)受 雨、風(fēng)、砂塵和溫度變化甚至冰雹襲擊等的框架、支撐板和密封樹脂等進(jìn)行完好的保護(hù)，現(xiàn) 正研究各種電力用的太陽電池組件的結(jié)構(gòu)。 下圖給出了地面用晶體硅太陽電池組件的結(jié)構(gòu)，首先將太陽電池元件排列好，進(jìn)行電學(xué) 串聯(lián)連接，然后將聯(lián)接好的電池封裝成組件。 柴油發(fā)電機(jī)：作為后備電源 光伏組件（陣列） 一個光伏陣列包含兩個或兩個以上的光伏組件，具體需要多少個組件及如何連接組件與 所需電壓（電流）及各個組件的參數(shù)有關(guān)。 太陽電池 組件 接線箱 充電控制器 逆變器 蓄電池 負(fù)載 1. 2. 照明 TV 柴油發(fā)電機(jī) 3. 4. 冰箱 井水提水泵 圖 41 光伏發(fā)電系統(tǒng)方框圖 太陽電池組件：把太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。但是單體太陽電池往往因為輸出電壓太低、 輸出電流不合適，晶體硅太陽電池本身又比較易碎，不能獨立抵御外界惡劣條件，因而在實 際使用中需要把單體太陽電池進(jìn)行串、并聯(lián)，并加以封裝，接出外接電線，成為可以獨立作 為光伏電源使用的太陽電池組件。將其中一個電池的 IV 曲 線對 I 軸做對稱，而另一個保持不變，那么焦點的電流表示串聯(lián)輸出的短路電流（此 時 v1+v2=0）。 光伏組件和光伏方陣出現(xiàn)失配導(dǎo)致的能量損失的因素主要有： PV 組件的工作點情況； 電流的匹配情況； 與其他電池電性能參數(shù)的匹配情況； 下面我們進(jìn)一步討論電池串串聯(lián)和并聯(lián)時失配的影響。 組件制造工藝 平板式組件制造工藝流程如下：單體電池分選 單體電池 單體電池分選 制備互連條 上電極焊互連條 組合焊接 組合電池測試 玻璃清洗 疊 層 層壓封裝 固 化 邊框封裝 電性能測試 組件檢驗 組件包裝 33 (1). (3). (4). 第三章 太陽電池、組件 太陽電池組件的特性曲線 太陽電池組件的伏安特性曲線，見圖 . (2). 太陽電池并聯(lián)和串聯(lián)圖，見圖 。作上蓋板的材料有：鋼化玻璃、聚丙烯酸類樹脂、氟化乙烯丙烯、 透明聚酯、聚碳酯等。目前還出現(xiàn)較新的雙面 鋼化玻璃封裝組件。制造工藝流程如下： 1. 硅片檢測 2. 化學(xué)清洗和表面織構(gòu) 3. 擴(kuò)散形成 pn 結(jié) 4. 刻邊 5. 去除磷硅玻璃層 6. 制備減反射膜 7. 印刷電極 8. 烘干電極 9. 電極燒結(jié) 10. 單體性能電池檢測和分檔 fin g e r in v e rte d p y ra m id s n+ re a r c o n ta c t n p s ilic o n o x id e o x id e 圖 PERL 結(jié)構(gòu)太陽電池 太陽電池組件及封裝 單體太陽電池是低電壓、大電流的器件，通常不能直接滿足負(fù)載需要。也由于該種材料易得。對含多波長的太陽光， 采用多層涂層能得到更好的效果。一定的串聯(lián)電阻 RS的影響是改變 I－ V曲線的位置。摻雜濃度愈 高， Voc愈高。在直接帶隙材料，如 GaAs或 Gu2S中，只要 10ns的復(fù)合壽命就已足夠長了。 C時的效率為 20%，當(dāng)溫度升到 120176。 關(guān)于上述幾種因素對電池性能影響情況見圖 3－ 8。 23 = 第三章 太陽電池、組件 圖 太陽電池的輸出特性 轉(zhuǎn)換效率 轉(zhuǎn)換效率表示在外電路連接最佳負(fù)載電阻 R 時，得到的最大能量轉(zhuǎn)換效率，其定義為 ? = Pmax I mpVmp Pin Pin 即電池的最大功率輸出與入射功率之比， 這里我們定義一個填充因子 FF 為 FF = I mpVmp Voc I sc = Pm Voc I sc () 填充因子正好是