【導(dǎo)讀】太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)。國(guó)家發(fā)改委世界銀行/GEF項(xiàng)目辦。上海交通大學(xué)太陽能研究所。太陽能發(fā)電的主要優(yōu)缺點(diǎn)1. 太陽能光伏發(fā)電的歷史和現(xiàn)狀2. 中國(guó)的太陽能光伏發(fā)電6. 太陽和地球相對(duì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律13. 太陽輻射的性質(zhì)13. 世界和中國(guó)太陽能資源分布情況15. 半導(dǎo)體PN結(jié)電流電壓特性18. 太陽電池的工作原理19. 半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)19. 太陽電池的能量轉(zhuǎn)換過程20. 太陽電池的基本特性20. 太陽電池的光譜響應(yīng)24. 影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素25. 硅太陽電池常規(guī)工藝27. 單體電池的制造29. 太陽電池組件的常見結(jié)構(gòu)形式30. 太陽電池組件的封裝材料32. 太陽電池組件的特性曲線34. 逆變器基本特性及評(píng)價(jià)73. 電磁干擾和噪聲75. 確定太陽電池組件的輸出82. 太陽電池在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生以后，立即被用于航天飛行器，其高可靠、高效。陽能資源及氣象條件密切相關(guān)。會(huì)和實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興，最可靠的能源是太陽，太陽能光伏發(fā)電必將成為。劉志剛博士、苦史偉碩士等參加了全書的編審

　　

【正文】 一類地區(qū)為我國(guó)太陽能資源最豐富的地區(qū)，年太陽輻射總量 66808400 MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量 。這些地區(qū)包括寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最為豐富，最高達(dá) 2333kWh/ m2 （日輻射量 ），居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。 二類地區(qū)為我國(guó)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 。這些地區(qū)包括河 北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。 三類地區(qū)為我國(guó)太陽能資源中等類型地區(qū)，年太陽輻射總量為 50005850 MJ/m2，相當(dāng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 24 于日輻射量 。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、蘇北、皖北、臺(tái)灣西南部等地。 四類地區(qū)是我國(guó)太陽能資源較差地區(qū)，年太陽輻射總量 42005000 MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量 。這些地區(qū)包括湖南、湖北、廣西、 江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜南、蘇北、皖南以及黑龍江、臺(tái)灣東北部等地。 五類地區(qū)主要包括四川、貴州兩省，是我國(guó)太陽能資源最少的地區(qū)，年太陽輻射總量33504200 MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量只有 。 太陽能輻射數(shù)據(jù)可以從縣級(jí)氣象臺(tái)站取得，也可以從國(guó)家氣象局取得。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。 從全國(guó)來看，我國(guó)是太陽能資源相當(dāng)豐富的國(guó)家，絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在 4 kWh/ 以上，西藏最高達(dá) 7 kWh/。與同緯度的其它國(guó)家相比，和美國(guó)類似，比歐洲、日本優(yōu)越得多。上述一、二、三類地區(qū)約占全國(guó)總面積的 2/3 以上，年太陽輻射總量高于 5000 MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)大于 2020h，具有利用太陽能的良好條件。特別是一、二類地區(qū)，正是我國(guó)人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、邊遠(yuǎn)的廣大西北地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后?？沙浞掷卯?dāng)?shù)刎S富的太陽能資源，采用太陽光發(fā)電技術(shù)，發(fā)展經(jīng)濟(jì)，提高人民生活水平。 圖 23 中國(guó)太陽輻照及分布 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 25 第 3 章 太陽電池、組件 太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質(zhì)能、 風(fēng)能、海洋能、水能等都來自太陽能；廣義地說，太陽能包含以上各種可再生能源；太陽能作為可再生能源的一種，則是指太陽能的直接轉(zhuǎn)化和利用。 通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能利用的屬于太陽能熱利用技術(shù)，再利用熱能進(jìn)行發(fā)電的稱為太陽能熱發(fā)電，也屬于這一技術(shù)領(lǐng)域；通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能利用的屬于太陽能光發(fā)電技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，因此又稱太陽能光伏技術(shù)。 太陽電池是把光能轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。當(dāng)陽光照射到太陽電池上，光子所含的能量被太陽電池吸收后，產(chǎn) 生光生伏打效應(yīng)，將太陽電池兩極用導(dǎo)線連成回路后，形成光生電流。如圖 所示。目前市場(chǎng)上所用多是硅太陽電池。根據(jù)硅晶體結(jié)構(gòu)的不同，太陽電池可分為：?jiǎn)尉Ч杼栯姵?，多晶硅太陽電池，非晶硅太陽電池，帶狀硅太陽電池。此外?duì)于晶體硅太陽電池，由于減反膜的厚度不同可以制備成不同顏色的太陽電池。如圖 所示的彩色太陽電池。 圖 太陽電池工作示意圖 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 26 圖 彩色太陽電池 隨著地球化石資源的日益消耗和環(huán)保意識(shí)的深入人心，隨著太陽能光伏發(fā)電理論研究和新工藝技術(shù)研究的深入發(fā)展，也隨著規(guī)模效應(yīng)帶來的成本的持續(xù)下降，太陽能光伏發(fā)電有望逐漸成為新世紀(jì)的主力電源。 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。這兩種半導(dǎo)體的界面稱作 PN 結(jié) 。 在 pn結(jié)上加偏置電壓時(shí)，由于空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子（又稱為耗盡區(qū)）形成高阻區(qū)，因此，電壓幾乎全部跨落在空間電荷區(qū)上。當(dāng)外加電壓使得 p 區(qū)為正時(shí)，勢(shì)壘高度減小，空穴從 p 區(qū)向 n 區(qū)的移動(dòng)以及電子從 n 區(qū)向 p 區(qū)的移動(dòng)變得容易，在兩個(gè)區(qū)內(nèi)有少數(shù)載流子注入，因此電流容易流動(dòng)（稱為正向）。當(dāng)外加電壓使得 n 區(qū)為正時(shí)，勢(shì)壘高度增加，載流子的移動(dòng)就變得困難，幾乎沒有電流流過（此時(shí)稱為反向）。當(dāng)存在外加電壓時(shí)，空間電荷區(qū)的 n 區(qū)邊界和 p 區(qū)邊界的空穴濃度 pn及電子濃度 np如下： ??????????????kTqVnnkTqVppppnne xpe xp00 () 當(dāng)加正向電壓時(shí) V0，加反向電壓時(shí) V0。 由于我們認(rèn)為外加電壓僅跨越在空間電荷區(qū)，所以可視為 n 區(qū)內(nèi)沒有電場(chǎng)，由空穴構(gòu)成的電流只是由于它的濃度梯度形成的擴(kuò)散電流。電流密度 Jp為 ? ? ?????? ?????????? 1e x p00 kTqVLDqpppLDqJppnnnppp () 同樣，注入到 p 區(qū)的少數(shù)載流子電子的電流密度 Jn為 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 27 ?????? ???????? 1e x p0 kTqVLDqnJ nnpn () 因加偏壓 V 而產(chǎn)生的總電流是空穴電流與電 子電流之和，故總電流密度 J 為： ?????? ?????????? 1e x p0 kTqVJJJJ np () nnpppn LDqnLDqpJ000 ?? () 總電流密度 J 具有如圖 所示的整流特性。正向時(shí)，在電壓較大的區(qū)域，電流密度與exp(qV/kT)成正比；反向時(shí)則趨近于 J0。稱 J0為飽和電流密度。 圖 半導(dǎo)體 pn 結(jié)的電流－電壓特性 太陽電池工作原理 半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照射到半導(dǎo)體 上時(shí)，光子將能量提供給電子，電子將躍遷到更高的能態(tài)，在這些電子中，作為實(shí)際使用的光電器件里可利用的電子有： （ 1） 價(jià)帶電子； （ 2） 自由電子或空穴（ Free Carrier）； （ 3） 存在于雜質(zhì)能級(jí)上的電子。 太陽電池可利用的電子主要是價(jià)帶電子。由價(jià)帶電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶的過程決定的光的吸收稱為本征吸收或固有吸收。 太陽電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體 pn 結(jié)的 光生伏特效應(yīng) 。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體光伏器件上時(shí)，在器件內(nèi)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，在半導(dǎo)體內(nèi)部 pn 結(jié)附近生成的載流子沒有被復(fù)合而能夠到達(dá)空間電荷區(qū)，受內(nèi)建電場(chǎng)的吸引，電子流入 n 區(qū)，空穴流入 p 區(qū)，結(jié)果使 n 區(qū)儲(chǔ)存了過剩的電子， p 區(qū)有過剩的空穴。它們?cè)?pn 結(jié)附近形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)除了部分抵消勢(shì)壘電場(chǎng)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(dòng)勢(shì)，這就是光生伏特效應(yīng)。此時(shí)，如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過，這個(gè)電流稱作短路電流（ Isc），另一方面，若將 PN 結(jié)兩端開路，則由于電子和空穴分別流入 N 區(qū)和 P 區(qū)，使 N 區(qū)的費(fèi)米能級(jí)比 P 區(qū)的費(fèi)米能級(jí)高，在這兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)之間就產(chǎn)生了電位差 VOC?？梢詼y(cè)得這個(gè)值，并稱之為開路 電壓 (Voc)。由太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 28 于此時(shí) pn 結(jié)處于正向偏置，因此，上述短路光電流和二極管的正向電流相等，并由此可以決定 VOC的值。 太陽電池的能量轉(zhuǎn)換過程 太陽電池是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件。它的基本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的 PN 結(jié)組成。此外，異質(zhì)結(jié)、肖特基勢(shì)壘等也可以得到較好的光電轉(zhuǎn)換效率。本節(jié)以最普通的硅材料 PN結(jié)太陽電池為例，研究光能轉(zhuǎn)換成電能的過程。 首先研究在太陽電池工作時(shí)，外部觀測(cè)到的特性。圖 表示了無光照時(shí)太陽電池典型的電流電壓特性（暗特性）。當(dāng)太陽光照射到這個(gè)太陽電池上時(shí)，將有和暗電流方向相反的光電流 Iph流過。 圖 無光照和有光照時(shí)太陽電池電流－電壓特性 當(dāng)太陽電池與負(fù)載 R 連接，并用太陽光照射時(shí)，負(fù)載上的電流 Im和電壓 Vm將由圖中有光照時(shí)的電流一電壓特性曲線與 V=IR 表示的直線的交點(diǎn)來確定。此時(shí)負(fù)載上有 Pout=RI2m的功率消耗，它清楚地表明正在進(jìn)行著光電能量的轉(zhuǎn)換。通過調(diào)整負(fù)載的大小，可以在一個(gè)最佳的工作點(diǎn)上得到最大輸出功率。輸出功率（電能）與輸入功率（光能）之比稱為太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率。 太陽電池的基本特性 短路電流 太陽電池的短路電流等于其光生電 流。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(zhǎng)范圍，并計(jì)算出每一微小區(qū)域光譜所對(duì)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： ? ???? ???? ? 00 )()()(1)()( ? ?? ? ????????? mm scscsc dqFRdjdjI () 式中 λ 0 —— 本征吸收波長(zhǎng)極限； R(λ )—— 半導(dǎo)體器件表面反射率； F(λ )—— 太陽光譜中波長(zhǎng)為 ?～ ?+d?間隔內(nèi)的光子數(shù)。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 29 F（ ?）的值很大的程度上依賴于太陽天頂角。作為表示 F（ ?）分布的參數(shù)是大氣質(zhì)量 AM（ AirMass）。 AM 表示入射到地球上的大氣的太陽直射光所通過的路程長(zhǎng)度，定義為 ZbbAM sec0? () 式中： b0—— 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 b—— 測(cè)定時(shí)的大氣壓 Z—— 太陽天頂距離 一般情況下， b ? b0，例如， AM1 相當(dāng)于太陽在天頂位置時(shí)的情況， AM2 相當(dāng)于太陽高度角為 30?時(shí)的情況， AM0 則表示在宇宙空間中的分布 實(shí)際半導(dǎo)體表面的反射率與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)，反射率一般為 30～ 50％。為防止表面的反射，在半導(dǎo)體表面沉積折射率介于 半導(dǎo)體折射率和空氣折射率之間的透明薄膜層。這個(gè)薄膜層稱為減反射膜（ Antireflective coating）。 設(shè)半導(dǎo)體、減反射膜、空氣的折射率分別為 n n n0，減反射膜厚度為 d1，則反射率 R 為 ??2c o s21 2c o s2 212221 212221rrrr rrrrR ?? ??? () 式中： r1=(n0 n1)/(n0 + n1) r2=(n1 n2)/(n1 + n2) θ =2π n1d1/λ λ－波長(zhǎng) 顯然，減反射膜的厚度 d1為 1/4 波長(zhǎng)時(shí)， R 為最小。即139。1 41nd ??時(shí)， ? ?? ? 220212021mi n ?????? ??? nnn nnnR () 一般在太陽光譜的峰值波長(zhǎng)處，使得 R 變?yōu)樽钚?，以此來決定 d1的值。 開路電壓 當(dāng)太陽電池處于開路狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)光電流的大小產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這就是開路電壓。設(shè) I=0（開路）， Iph＝ ISC，則 ? ?? ?1ln 0 ?? IIqnk TV scoc () 在可以忽略串聯(lián)、并聯(lián)電阻的影響時(shí)， ISC 為與入射光強(qiáng)度成正 比的值，在很弱的陽光下，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 30 ISCI0，因此 00 RIIIqnk TV LLoc ?? () 其中 00 qInkTR ? 。 在很強(qiáng)的陽光下， ISCI0， 0ln IIqnkTV scoc ? () 由此可見，在較弱陽光時(shí)，硅太陽電池的開路電壓隨光的強(qiáng)度作近似直線的變化。而當(dāng)有 圖 開路電壓與短路電流的關(guān)系 較強(qiáng)的陽光時(shí)， VOC則與入射光的強(qiáng)度的對(duì) 數(shù)成正比。圖 表示具有代表性的硅和 GaAs 太陽電池的 ISC與 Voc 之間的關(guān)系。用 Si與 GaAs 比較，因?yàn)?GaAs 的禁帶寬度寬，故 I0值比 Si的小幾個(gè)數(shù)量級(jí)， GaAs 的 VOC值比 Si 的高 伏左右。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。 太陽電池的輸出特性 等效電路 為了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負(fù)載系統(tǒng)用一等效電路來模擬。在恒定光照下，一個(gè)處于工作狀態(tài) 的太陽電池，其光電流不隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中可把它看作是恒流源。光電流一部分流經(jīng)負(fù)載 RL，在負(fù)載兩端建立起端電壓 V，反過來它又正向偏置于 p— n 結(jié)二極管，引起一股與光電流方向相反