【文章內(nèi)容簡介】 世，并首先應(yīng)用于空間技術(shù)。當(dāng)時太陽能電池的轉(zhuǎn)換效 率為 8%。 1973 年世界爆 發(fā)石油 危機(jī)， 從此 之后， 人們普 遍對 于太陽 能電 池關(guān)注 ，近十 幾年來， 隨著世 界能源 短缺 和環(huán)境 污染等 問題 日趨嚴(yán) 重， 太陽能 電池的 清潔性、 安全性 、長壽 命， 免維護(hù) 以及資 源可 再生性 等優(yōu) 點(diǎn)更加 顯現(xiàn)。 由于單個 太陽能 電池功 率極 小，所 以在實(shí) 際應(yīng) 用中是 將許 多單個 太陽電 池經(jīng)過串 、并聯(lián) 組合并 進(jìn)行 封裝后 構(gòu)成太 陽電 池組件 使用 。光伏 陣列就 是由許多太陽電池組件經(jīng)過相應(yīng)的串、并聯(lián)后構(gòu)成。 硅太陽 能電池 的結(jié) 構(gòu)及工 作原 理：硅 太 陽 能電池 的外 形及 基本結(jié)構(gòu)如圖 31。 基本 材料 為 P 型單 晶硅 ，厚 度為 — 左右 。上 表面 為N+型區(qū) ，構(gòu)成 一個 PN＋結(jié) 。頂區(qū) 表面有 柵狀 金屬電 極， 硅片背 面為金 屬底電極。 上下 電極分 別與 N＋區(qū) 和 P區(qū) 形成歐 姆接觸 ，整 個上表 面還均 勻覆蓋著 減反射 膜。當(dāng) 入發(fā) 射光照 在電池 表面 時，光 子穿 過減反 射膜進(jìn) 入硅中，能量大于硅禁帶寬度的光子在 N+區(qū)， PN＋結(jié)空間電荷區(qū)和 P區(qū)中 激發(fā)出光生電子 ——空穴對。各區(qū)中的光 生載流子如果在復(fù)合前能越過耗 盡區(qū)，就對 發(fā)光 電壓作 出貢獻(xiàn) 。光 生電子 留于 N＋區(qū) ，光生 空穴留 于 P區(qū)，在 PN＋ 結(jié)的兩 側(cè)形成 正負(fù) 電荷的 積累， 產(chǎn)生 光生電 壓， 此為光 生伏打 效應(yīng)。當(dāng)光 伏電 池兩端 接一負(fù) 載后 ，光電 池就從 P區(qū) 經(jīng)負(fù)載 流至 N＋區(qū)， 負(fù)載中就有功率輸出。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 圖 31 硅太陽能電池結(jié)構(gòu) 太陽能 電池各 區(qū)對 不同波 長光 的敏感 型是 不同的 。靠 近頂 區(qū)的光生電流對短波長的紫光（或紫外光）敏感，約占總光源電流的 5－ 10%（隨 N＋區(qū)厚 度而變 ）， PN＋結(jié) 空間電 荷的光 生電 流對可 見光 敏感， 約占 5%左右。電池基體區(qū)域產(chǎn)生的光生電流對紅外光 敏感，占 80－ 90%，是光生 電流的主要組成部分。 太 陽 能 電 池 的分類 1） 單晶硅太陽能電池 單晶硅 太陽能 電池 是當(dāng)前 開發(fā) 最快的 一種 太陽能 電池 ，它 的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工 藝已基 本定型 ，產(chǎn) 品已廣 泛用于 實(shí)際 中。這 種太 陽能電 池以高 純的單晶硅為原料，純度要求 %。目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn) 換效率為 15%左右 ，最 高的達(dá) 到 24%，這是 目前 所有種 類的 太陽能 電池中 光電轉(zhuǎn)換 效率最 高的， 技術(shù) 也最為 成熟但 制作 成本很 大， 以致于 它還不 能被大量 廣泛和 普遍地 使用 。為了 降低生 產(chǎn)成 本，現(xiàn) 在地 面應(yīng)用 的太陽 能電池等 采用太 陽能級 的單 晶硅棒 ，材料 性能 指標(biāo)有 所放 寬。有 的也使 用半導(dǎo)體 器件加 工的頭 尾料 和廢次 單晶硅 材料 ，經(jīng)過 復(fù)拉 制成太 陽能電 池專用的 單晶硅 棒。單 晶硅 太陽能 電池的 單體 片制成 后， 經(jīng)過檢 驗(yàn)，就 可以按所 需要的 規(guī)格組 裝成 太陽能 電池組 件， 在實(shí)際 應(yīng)用 中通過 串聯(lián)和 并聯(lián)的方 法構(gòu)成 一定的 輸出 電壓和 電流， 為負(fù) 載所用 ，使 用壽命 一般可 達(dá)15 年，最高可達(dá) 25 年。 2） 多晶硅太陽能電池 目前太 陽能電 池使 用的多 晶硅 材料， 大多 是含有 大量 單晶 顆粒的集合體， 或用廢 次單晶 硅材 料和冶 金級硅 材料 融合澆 鑄而 成，然 后注入 石墨鑄模 中，即 得多晶 硅錠 。這種 硅錠鑄 成立 方體后 通過 切片加 工成方 形太陽能 電池片 ，提高 了材 料利用 率和方 便組 裝多晶 硅太 陽能電 池與單 晶硅太陽能電池的制作工藝差不多，其光電轉(zhuǎn)換率約 12%左右，稍 低于單 晶硅太陽 能電池 ，但其 材料 制造簡 便，節(jié) 約電 耗，總 的生 產(chǎn)成本 較低， 因此得到大量發(fā)展。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 3） 非晶硅薄膜太陽能電池 非晶硅 新型薄 膜式 太陽能 電池 ，它與 單晶 硅和多 晶硅 太陽 能電池的制作方 法完全 不同， 硅材 料消耗 很少， 電耗 更低， 工藝 過程大 大簡化 ，成本低重量輕 ,轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模 生產(chǎn)，非常吸引人。非晶硅 太陽能電 池的結(jié) 構(gòu)各 有不同 ，其 中有一 種較好 的結(jié) 構(gòu)叫 PiN電池 ，它是 在襯底上先 沉積 一層摻 磷的 N型非 晶硅， 再沉積 一層 未摻雜 的 i層 ，然后 再沉積一 層摻硼 的型非 晶硅 ，最后 用電子 束蒸 發(fā)一層 減反 射膜， 并蒸鍍 銀電極。此種制作工藝，可 以采用一連串沉 積室，在生產(chǎn)中構(gòu)成連續(xù)程 序，以實(shí)現(xiàn) 大批量 生產(chǎn)。 同時 ，非晶 硅太陽 能電 池很薄 ，可 以制成 疊層式 或采用集 成電路 的方法 制造 ，在一 個平面 上， 用適當(dāng) 的掩 模工藝 ，一次 制作多個 串聯(lián)電 池，以 獲得 較高的 電壓。 它的 主要優(yōu) 點(diǎn)是 在弱光 條件也 能發(fā)電， 有極大 的潛力 。但 非晶硅 太陽電 池存 在的主 要問 題是光 電轉(zhuǎn)換 效率偏低，目前國際先進(jìn)水平為 10%左右，且不 夠穩(wěn)定，隨著時間的延長 ，其轉(zhuǎn)換 效率衰 減，直 接影 響了它 的實(shí)際 應(yīng)用 ?，F(xiàn)在 日本 生產(chǎn)的 非晶硅 串聯(lián)太陽能電池可達(dá) ，且不夠穩(wěn)定，如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題 及提高轉(zhuǎn) 換率問 題，那 么， 非晶硅 大陽能 電池 無疑是 太陽 能電池 的主要 發(fā)展產(chǎn)品之一。 太 陽 能 電 池 的發(fā)展 種類 多元化 合物太 陽能 電池： 多元 化合物 太陽 能電池 指不 是用 單一元素半導(dǎo)體 材料制 成的太 陽能 電池。 現(xiàn)在各 國研 究的品 種繁 多，大 多數(shù)尚 未工業(yè)化 生產(chǎn)。 主要有 硫化 鎘太陽 能電池 、砷 化鎵太 陽能 電池、 銅銦硒 太陽能電 池幾種 。聚合 物多 層修飾 電極型 太陽 能電池 ：由 于有機(jī) 材料柔 性好、制 作容易 、材料 來源 廣泛、 成本低 等優(yōu) 勢、從 而對 大規(guī)模 利用太 陽能，提 供廉價 電能具 有重 要意義 。但由 于有 機(jī)材料 制備 太陽能 電池的 研究僅僅 剛開始 ，不論 是使 用壽命 、電池 效率 都不能 和硅 電池相 比，能 否發(fā)展成 為具有 實(shí)用意 義的 產(chǎn)品， 還有待 于進(jìn) 一步研 究探 索。納 米晶化 學(xué)太陽能電池：納米晶 TiO2 太陽能電池 的優(yōu)點(diǎn)在于它廉 價的成本和簡單 的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在 10%以上，制作成本僅為硅系太 陽能電池 的 1/5~1/10，壽 命能達(dá) 到 20年以上 。但 由于 此類電 池的 研究和 開發(fā)也剛剛起步，所以還有待于進(jìn)一步的研究探索。 太 陽 能 電 池 的電氣 特性 太陽能 電池的 電氣 特性為 研究 、質(zhì)量 保證 和生產(chǎn) 所需 。對 于不同的行業(yè)來 說測量 精度和 參數(shù) 的重要 性會有 不同 ，以下 是太 陽能電 池一些 在任何測試環(huán)境都必須測量的重要參數(shù)： 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 （ 1）開 路電壓 (Voc ) 沒有電流時的電池電壓 。 （ 2）短路電流 (Isc ) 負(fù)載電阻為零時從電池流出的電流 。 （ 3）電池最大功率輸出 (Pmax ) 電池產(chǎn)生最大功率時的電壓和電流點(diǎn)，通常把 IV曲線上的點(diǎn) Pmax作為最大功率點(diǎn) 。 （ 4） Pmax的電壓 (Vmax ) 電池在 Pmax的電壓電平 。 （ 5） Pmax的電流 (Imax ) 電池在 Pmax 的電流電平 。 （ 6）太陽能的電池的轉(zhuǎn)換效率 (η) 太陽能電池接到電路時轉(zhuǎn)換 (從吸 收 光 的 電 能 ) 和 收 集 功 率的 百 分比。是 評估太 陽電 池好壞 的重 要因素 。計(jì) 算方法 是用 標(biāo)準(zhǔn) 條件 (STC) 和太陽能電池表面積 ( Ac，單位是 m2 )下的最大功率點(diǎn) Pmax 除以輸入光 輻照度 ( E，單位是 W/ m2 ) mcPEA?? ? （ 31） 目前：實(shí)驗(yàn)室： η≈ 24%，產(chǎn)業(yè)化： η≈ 15% （ 7）填充因子 (FF) 最大功率點(diǎn) max P 與開路電壓 (Voc) 及短路電流 (Isc) 之比 為： mco c s c o c s cP A EFF V I V I? ?????? （ 32） （ 8） 電池的二極管特性 （ 9） 電池的串聯(lián)電阻 （ 10） 電池的旁路電阻 太陽能 電池板 通常 定義為 封裝 和連接 在一 起的一 個以 上的 電池。太陽 能 電 池 板 有 不 同 的 電 壓 和 電 流 范 圍 ， 但 功 率 產(chǎn) 生 能 力 一 般 為 50W至300W。太陽能電池和電池板有許多相同的參數(shù)，如 Voc , Isc , Pmax 和 I V 曲線。圖 32是太陽能電池的 IV曲線。 圖 32 太陽能電池的 IV曲線 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 蓄電池的設(shè)計(jì) 蓄電池 的選擇 一般 要遵循 以下 原則： 首先 在能夠 滿足 夜晚 照明的前提下， 把白天 太陽能 電池 組件的 能量盡 量存 儲下來 ，同 時還要 能夠存 儲滿足連 續(xù)陰雨 天夜晚 照明 需要的 電能。 蓄電 池容量 過小 不能夠 滿足夜 晚照明的 需要， 蓄電池 容量 過大， 一方面 蓄電 池始終 處在 虧電狀 態(tài)，影 響蓄電池壽命，同時造成浪費(fèi)。 目前太 陽能光 伏系 統(tǒng)常用 的是 鉛酸蓄 電池 ，對于 較高 要求 的系統(tǒng)，通常采用膠體、富液免維護(hù)鉛酸蓄電池，深放電閥控式密封鉛酸蓄電 池、深放電 吸液式 鉛酸蓄 電池 等。在 光伏發(fā) 電系 統(tǒng)中， 蓄電 池是唯 一需要 經(jīng)常檢查 的部件 ，任何 蓄電 池的使 用壽命 都是 有限的 。最 大限度 地延長 蓄電池的使用壽命是影響整個系統(tǒng)周期成本的關(guān)鍵因 素。 為了更 進(jìn)一 步提高 太陽 能 LED 照 明系 統(tǒng)的 穩(wěn)定性 ，在 本課題 中選用膠體鉛 酸蓄電 池。膠 體鉛 酸蓄電 池是對 液態(tài) 電解質(zhì) 的普 通鉛酸 蓄電池 的改進(jìn)， 用膠體 電解液 代換 了硫酸 電解液 ，在 安全性 、蓄 電量、 放電性 能和使用 壽命等 方面較 普通 電池有 所改善 。膠 體電池 具有 使用性 能穩(wěn)定 ，可靠性 高，使 用壽命 長， 對環(huán)境 溫度的 適應(yīng) 能力（ 高、 低溫） 強(qiáng)，承 受長時間 放電能 力、循 環(huán)放 電能力 、深度 放電 及大電 流放 電能力 強(qiáng)，有 過充電及 過放電 自我保 護(hù)等 優(yōu)點(diǎn)， 其性能 優(yōu)于 其它類 型的 閥控密 封型鉛 酸電池。 蓄電池的容量 BC 計(jì)算可用下公式： 0LLA Q N TBC CC? ? ?? Ah (33) 式中： A 為安全系數(shù)，取 ～ 之間； QL為負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時數(shù)；（ QL= 10=7Ah 這里的 LED提供的恒定電流 ） NL 為最長連續(xù)陰雨天數(shù)； T 為溫度修正系數(shù)，一般在 0℃以上取 1，－ 10℃以上取 ，－ 10℃以下取 ； CC 為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取 ，堿性鎳鎘蓄電池取。 01 .2 7 7 1 / 0 .7 57 8 A hLLA Q N TBCCC? ? ??? ? ? ?? （ 34） 12V 膠體蓄電池浮充電壓： ， 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 均充電壓： 則 12V 膠體蓄電池的浮充電壓為： 6V（ ）均充電壓為： 6V（ ） 所以選用三個德國蘇克士系列膠體電池中的 MX12300 型號 12V/30 Ah 蓄電池，滿足太陽能 LED 路燈 照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。 SKSPOR 膠體電池 性能特點(diǎn) ：完全 密封， 無需 加水維 護(hù)；無 酸氣 逸出， 不污 染環(huán)境 ，環(huán)保 型產(chǎn)品； 采用膠 體電解 質(zhì)技 術(shù)，絕 無酸液 濃度 層化問 題， 完全消 除因濃 度層化引 起的 極板腐 蝕和 鈍化現(xiàn) 象； 浮充 壽命長 ， 12V 系列電 池設(shè)計(jì) 壽命可達(dá) 810 年； 采用特殊的德國膠體配方和板柵合金 /極 板配方，電池的循環(huán)性能和深放電恢復(fù)能力優(yōu)越；采用歐洲進(jìn)口的膠體電池專用隔板，孔率高，電阻低； 內(nèi)部過量電解液設(shè)計(jì)，在高溫和過充情況下工作可靠，性能明 顯優(yōu)于 AMG 電 池，更 適合 惡劣環(huán) 境下 使用； 在正 常浮充 使用過 程中，容量穩(wěn) 定，衰減率低；采用超純材料制造，自放電極低。 有如下特點(diǎn)： （ 1） 完全密封，無需加水維護(hù)；無酸氣逸出，不污染環(huán)境，環(huán)保型產(chǎn)品。 （ 2） 采用膠體電解質(zhì)技術(shù)，絕無酸液濃度層化問題，完全消除因濃度層化引 起的極板腐蝕和鈍化現(xiàn)象。 （ 3） 浮充壽命長， 12V系列電池設(shè)計(jì)壽命可達(dá) 810年。 （ 4） 采用特 殊的德 國膠 體配方 和板 柵合金 /極 板配方 ，電 池的循環(huán)性能和深放電恢復(fù)能力優(yōu)越。 （ 5） 采用歐洲進(jìn)口的膠體電池專用隔板，孔率高，電阻低。 （ 6） 內(nèi)部過量電解液設(shè)計(jì)，在高溫和過充情況下工作可靠，性能明顯優(yōu)于 AMG 電池 ，更適合惡劣環(huán)境下使用。 （ 7