【正文】 48 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 銅銦錫太陽(yáng)電池 安裝在北威爾士 St Asaph 的 Welsh Development Agency光學(xué)中心 由 CIS 太陽(yáng)電池組件組成的 85 kW光伏電站 49 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 碲化鎘 /鎘化硫太陽(yáng)電池 ? 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： CdTe是 IIVI族化合物，閃鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù) a= ； CdS是 IIVI族化合物，纖鋅礦結(jié)構(gòu) ? 光學(xué)性能：直接帶隙半導(dǎo)體材料， ,光譜響應(yīng)與太陽(yáng)光譜非常吻合， 1μ m厚度的薄膜可吸收 99%所對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)光能量 ； CdS：直接帶隙半導(dǎo)體材料， ? 電學(xué)性能：薄膜組分、結(jié)構(gòu)沉積條件、熱處理過(guò)程對(duì)薄膜的電阻和導(dǎo)電類型有很大影響 ? CdTe/CdS薄膜太陽(yáng)電池參數(shù)的理論值： ? 開(kāi)路電壓電壓 Voc= ；短路電流 Jsc ；填充因子 FF=%；轉(zhuǎn)換效率約 27% ? 盡管和相差 10%，但他們能形成電性能優(yōu)良的異質(zhì)結(jié) 50 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 碲化鎘 /鎘化硫太陽(yáng)電池 51 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 碲化鎘 /鎘化硫太陽(yáng)電池 First Solar CdTe 太陽(yáng)池組件組成的 80 kW光伏電站 52 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 薄膜太陽(yáng)電池的機(jī)遇與發(fā)展 ? 至今為止，薄膜電池未能達(dá)到所期望的發(fā)展 原因：效率、穩(wěn)定性、價(jià)格 硅電池長(zhǎng)壽命，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)期應(yīng)用檢驗(yàn)，認(rèn)可度高 ? 薄膜電池優(yōu)點(diǎn)： 薄膜化、大面積是太陽(yáng)電池發(fā)展趨勢(shì) 低成本、柔性電池 ? 發(fā)展機(jī)遇 ? 多晶硅薄膜電池 ? 有機(jī)材料太陽(yáng)電池 印刷工藝 53 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 2023年世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧 全球 ? 2023年太陽(yáng)電池全球總產(chǎn)量 GW，安裝 6 GW ? 四大生產(chǎn)國(guó)： 中國(guó) (大陸： GW ，臺(tái)灣 GW)、德國(guó) ( GW？ )、日本 ( GW)、美國(guó)（？ GW） ? 2023年六大市場(chǎng)： ? 西班牙（ GW）、德國(guó)（ GW）、美國(guó)（ 342 MW）、韓國(guó)（ 282 MW）意大利（ 258 MW）日本（ 230 MW） ? 材料來(lái)自 PV Status Report 2023,Dr Arnulf J228。 37 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 晶體硅太陽(yáng)電池的制備工藝 ? 多晶硅材料 西門(mén)子工藝、硅烷法 ? 晶體生長(zhǎng) 硅片 單晶、多晶、硅帶技術(shù) ? 太陽(yáng)電池 自動(dòng)化、大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù) ? 光伏組件 標(biāo)準(zhǔn)組件、建材型組件 ? 系統(tǒng)集成 并網(wǎng)發(fā)電、建筑集合、大型地面電站 38 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 晶體硅太陽(yáng)電池的制備工藝 ? 硅片表面絨化 ? 通過(guò)濕化學(xué)工藝去除 硅片表面機(jī)械損傷、顆粒附著物等污染物，并形成絨面構(gòu)造 。主要是讓高能量的光子先被吸收利用，后吸收低能量光子，以便降低釋放聲子的幾率，即降低熱量產(chǎn)生對(duì)電池性能的影響。 32 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 串聯(lián)電阻對(duì)太陽(yáng)電池參數(shù)的影響 33 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 并聯(lián)電阻對(duì)太陽(yáng)電池參數(shù)的影響 34 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽(yáng)電池的效率理論分析 ? 太陽(yáng)電池 的效率（ efficiency） ? 是指太陽(yáng)電池將入射的太陽(yáng)光的功率轉(zhuǎn)換成最大的電功率的比例。為了求出最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的最大工作電壓和最大工作電流值，可對(duì)上式進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，即通過(guò) dP / dV = 0 即可得出最大工作電壓： ? Vmax = VT In (（ IL ＋ 1/（ I max / VT ＝ 1） )，由此導(dǎo)出最大工作電流： ? I max ＝ Is Vmax e Vmax/VT / VT ? 而太陽(yáng)電池的最大功率即 Pmax ＝ Vmax I max 30 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽(yáng)電池的等效電路 ? 串連電阻與并聯(lián)電阻 ? 串聯(lián)電阻（ series resistance: Rs）： 半導(dǎo)體材料本身、或半導(dǎo)體與金屬之間都不可避免存在的電阻。 ? 正常的二極管的 pSi 端 為正極， nSi 端 為負(fù)極，二極管內(nèi)電流從在 pSi 端 到 nSi 端 ，但太陽(yáng)電池中的電流方向是從 nSi 端 到 pSi 端 ，這正好與二極管相反。這就是太陽(yáng)電池的工作原理。開(kāi)路電壓也被稱為光電壓（ photovoltage），這也是光伏（photovoltaics）一詞的由來(lái)。 ? 至今為止，實(shí)際使用的太陽(yáng)電池主要是利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)制作的。 在 pn結(jié)附近，電子會(huì)從濃度高的 n型區(qū)向濃度低的 p型區(qū)擴(kuò)散，與此同時(shí)，空穴會(huì)從濃度高的 p型區(qū)向濃度低的 n型區(qū)擴(kuò)散。另外，在半導(dǎo)體中可以傳導(dǎo)的除了帶負(fù)電的電子外，還有帶正電的空穴，這種雙極性的導(dǎo)電機(jī)制是金屬所不具有的。 ? 第二，假定 1/2(mvm2)＝ 0，則 ν 0=A/h,這表明頻率為 ν 0的光子具有發(fā)射光電子的最小能量。一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體的 Dember效應(yīng)不是很明顯。 9 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽(yáng)電池的發(fā)展歷史 ? 1995 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) MW；光伏電池安裝總量達(dá)到 500 MW； ? 1998 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) MW；多晶 澆鑄 硅 太陽(yáng) 電池產(chǎn)量首次超過(guò)單晶硅； ? 1999 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) MW； 美國(guó) NREL的 等報(bào)道銅銦錫（ CIS）電池效率達(dá)到 %； 非晶硅電池占市場(chǎng)份額%； ? 2023 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) MW，安裝超過(guò) 1000 MW，標(biāo)志太陽(yáng)能時(shí)代到來(lái)； ? 2023 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 399 MW。 ? 1954年雷諾慈發(fā)現(xiàn) CdS具有光伏效應(yīng) , 1960年采用蒸鍍法制得 CdS太陽(yáng)電池 , 效率為 %, 1964年美國(guó)將效率提高 46%, 歐洲提高到 9%。 （ Alexander E. Becquerel 是 Henri A. Becquerel (18521908)的祖父。澳大利亞新南威爾士大學(xué) Martin Green 研制單晶硅的太陽(yáng)電池效率達(dá)到 20%； ? 1986 6月， ARCO Solar發(fā)布 G4000—世界首例商用薄膜電池 “ 動(dòng)力組件 ” ； ? 1987 11月，在 3100公里穿越澳大利亞的 Pentax World Solar Challenge PV動(dòng)力汽車競(jìng)賽上， GM Sunraycer 獲勝，平均時(shí)速約為71 km/h； ? 1991 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) MW； 瑞士 Gr228。 ? 光電效應(yīng)是指金屬表面在光的照射下能發(fā)射電子，即光電子。 ? 根據(jù)能量守恒定律，愛(ài)因斯坦提出 光電效應(yīng)方程 : hν =1/2(mvm2)+ A ? 189。就對(duì)人類的貢獻(xiàn)而言，光電效應(yīng)大于相對(duì)論， 1921年授獎(jiǎng)只字不提相對(duì)論，看來(lái)諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)具有 “ 難得糊涂 ” 的先見(jiàn)之明。因此，半導(dǎo)體材料中具有四種帶電電荷：帶負(fù)電的電子，帶正電的空穴，帶負(fù)電的受主離子和帶正電的施主離子。在金屬的光電效應(yīng)中，光子的能量被吸收，電子從費(fèi)米能級(jí)（ Fermi energy）附近躍遷到真空能級(jí)。對(duì)于具有 n＋ / p 結(jié)構(gòu)的晶體硅太陽(yáng)電池而言，產(chǎn)生的光電流方向是從 nSi 區(qū)到 pSi 區(qū)，這正好與一般pn結(jié)二極管的正向電流相反。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，空間電荷區(qū)的電子和空穴對(duì)光電流都有貢獻(xiàn)，形成所謂的漂移電流。 24 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽(yáng)電池的等效電路 ? 太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)大面積的 pn 結(jié)，它的基本特性可借助一個(gè)理想二極管的電流－電壓關(guān)系來(lái)分析。 ? 當(dāng)太陽(yáng)電池開(kāi)路，即 I ＝ 0， 則開(kāi)路電壓為： ? VOC = VT ln ( IL / Is ＝ 1 ) ? 相對(duì)于二極管的電流－電壓關(guān)系曲線，太陽(yáng)電池的電流－電壓關(guān)系曲線向下移動(dòng) IL 距離，即從第一象限移動(dòng)到第四象限。 理想的太陽(yáng)電池的并聯(lián)電阻為無(wú)窮大，實(shí)際的太陽(yáng)電池的并聯(lián)電阻為幾十－幾百 Ωcm以上。 ? 單結(jié)太陽(yáng)電池 ：對(duì)于太陽(yáng)光譜的具體情況，從材料角度要得到最高的轉(zhuǎn)換效率，其能隙的寬度為 eV 最為合適，此時(shí)可達(dá)到最高的效率為 31％。 ? 然而，多結(jié)電池解決不了載流子的能帶間的能量釋放（ interband energy relaxation ）即載流子復(fù)合過(guò)程：有三種可能：光發(fā)射、聲子發(fā)射和俄歇（ Auger）過(guò)程，俄歇過(guò)程是載流子之間的能量交換。 ? 在太陽(yáng)光譜的可見(jiàn)光范圍內(nèi)，非晶硅的吸收系數(shù)比晶體硅大將近一個(gè)數(shù)量級(jí)，其本征吸收系數(shù)高達(dá) 105cm1。 75 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 關(guān)于光伏建筑結(jié)合或一體化 光伏建筑結(jié)合概念 光伏發(fā)電技術(shù)與建筑本身的結(jié)合 普通結(jié)合 采用標(biāo)準(zhǔn)組件和附著式安裝方式 緊密結(jié)合 采用光伏建筑構(gòu)件和鑲嵌式安裝方式 光伏建筑集成（或稱一體化）： 主要采用光伏建筑構(gòu)件和鑲嵌式安裝方式，是光伏技術(shù)與 建筑緊密結(jié)合形式，光伏電池作為建筑元素融入建筑本身 76 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 關(guān)于光伏建筑結(jié)合或一體化 光伏建筑組件： 雙玻璃疊層：根據(jù)透光要求，調(diào)節(jié)電池片之間間隔 中空玻璃：要考慮光線折射損失與散熱問(wèn)題 光伏電池瓦片：電池可與陶瓷、金屬、聚合物等結(jié)合 光伏外墻瓷磚：通過(guò)真空層壓或硅酮膠粘接 光伏集成屋頂：可用標(biāo)準(zhǔn)組件，通過(guò)集成技術(shù)形成發(fā)電 屋頂結(jié)構(gòu) 77 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 關(guān)于光伏建筑結(jié)合或一體化 ? 評(píng)論文章來(lái)自 Photon Das Solarstrom – Magazin p8493為什么光伏建筑集成發(fā)展困難？ ? 世界范圍內(nèi)而論， 50塊組件中只有不到 1塊用于光伏建筑集成（全球范圍只占 05.%市場(chǎng)份額） ? 原因何在： ? 建筑師缺乏對(duì)光伏認(rèn)識(shí)； ? 缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)借鑒； ? 缺少合作氛圍； ? 缺乏相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 78 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 關(guān)于光伏建筑結(jié)合或一體化 ? 與建筑結(jié)合，光伏組件必須在發(fā)電的同時(shí)滿足以下條件： ? 代替幕墻或起到屋頂?shù)墓δ埽? ? 遮陽(yáng)、隔音、擋風(fēng)、遮雨、隔冷、隔熱、防火等等 ? 光伏建筑集成或光伏建筑一體化（ BIPV）： ? 即光伏組件除了發(fā)電同時(shí)滿足作為建筑外表面的建筑構(gòu)件的功能，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn) DIN VDE 012621 ? 這樣的組件可以完美地用于建筑，當(dāng)然還有安全與外觀問(wèn)題，價(jià)格是不是可以接受和壽命能不能與傳統(tǒng)建材相比，仍需發(fā)展和評(píng)估，但是它可以發(fā)電產(chǎn)生利潤(rùn)并保護(hù)環(huán)境。本書(shū)的重點(diǎn)是對(duì)超過(guò) 30多個(gè)各式各樣的和以極高美學(xué)