太阳能光伏发电原理与应用.docx

太阳能光伏发电原理与应用知识点第2章（1）光子能量：一般用波长或相对应的能量来描述一个光子的特性。光子能量与波长之间存在反比例关 系,方程为E=hc/X。电子伏特与焦耳的转换为E（J）=q x E（eV）。能量与波长关系为E（eV）=1.24/如。（2）光子通量：光子通量被定义为单位时间内通过单位面积的光子数量：0 =# （光子数量）/（sm*2）。光子通量是决定太阳能电池产生的电子数量和电流大小的重要因素。光子通量并不足以确定太阳能电池产 生的电流大小或说明光源的特性。光子通量没有包含关于入射光子的能量或波长的信息。（3）辐射功率：发射自光源的总的功率强度可以通过所有波长或其对应的能量的光照度的叠加计算获得。 H=/ F（X）dX=S FQ）入可以用来计算光源发出的总的功率强度。（4）光照度：单位面积上所受的光通量。作为光子波长（或能量）的对应量，光照度（记佃）是描述光 源性质最常用的方式。（5）黑体：在任何条件下，完全吸收任何波长的外来辐射而无任何反射的物体；吸收比为1的物体；在 任何温度下，对入射的任何波长的辐射全部吸收的物体。黑体辐射出的总功率强度可由所有波长的光照度 的积分得到:H=oTM，。为斯特番一玻尔兹曼常量，T黑体温度。光照度最高处的波长入为（u,m）=2900/T。（6）地理坐标：以地心为原点，以地球为基本圆，以地球自转轴为中心轴，用纬度、经度来表示地球表 面上点的位置。天球坐标：天球：以观察者为球心，以任意长度（无限长）为半径，其上分布着所有天体的球面。 地平面：球心与铅直线相垂直的平面。地平圈：地平面与天体的交线所成大圆。天顶、天底：通过球心的 铅直线与天球的交点。地平坐标：以地平圈为基本圆，天顶为基本点，南点为原点的坐标系。地平经圈：通过天顶Z和太 阳（或任一天体）X作一大圆。时角坐标：以天极为基本点，天赤道（地球赤道平面延伸后与天球相交的大圆）和子午圈在南点附 近的交点为原点的坐标。（7）太阳常数：地球除自转外并以椭圆形轨道绕太阳运行，地球与太阳之间的距离不是一个常数，地球 大气层上界的太阳辐射强度随日地间距离的不同而不同，由于日地间的距离很大，其相对变化量是很小的， 由此引起的太阳辐射强度的相对变化不超过3.4%,z这就意味着地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个 常数。（8）太阳光谱：太阳发射的电磁波在大气顶上随波长的分布叫做太阳光谱。到达地面的太阳辐射光谱是 地外太阳光谱和大气成分的函数，它对于地面太阳电池系统及其他一些应用是十分重要的。太阳光谱是连 续的，且辐射特性与绝对黑体辐射近似。（9）直接辐射：直接接收到的、不改变方向的太阳辐射。散射辐射：接收到的被大气层反射和散射后方 向改变的太阳辐射。反射辐射：到达地面的总辐射中，有一部分被地面反射回大气,称为地面反射辐射。 总辐射：到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和称为总辐射。净辐射：单位时间、单位面积地表面吸收的太阳总辐射和大气逆辐射与本身发射辐射之差称为地面净辐射。（10）辐射在大气中的衰减：太阳辐射穿过地球大气层时，不仅受到大气中的空气分子、水汽及灰尘所散 射，而且受到大气中氧、臭氧、水和二氧化碳的吸收，所以经过大气而到达地面的太阳直接辐射显著衰减。 太阳辐射100%，最终返回宇宙43% （其中包括云层反射，地面反射，云层散射，地面散射），大气吸收 14%，直达地面27%，散射到地面16%。（11）散射作用：由入射辐射波长入与散射质点的相对大小r，将散射分为瑞利散射、米氏散射和无选择 性散射。当r «人时，瑞利散射；当r e入时，米氏散射；当r »人时，无选择性散射。瑞利散射：由大气中的原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧气分子等引起。散射强度与波长的四次方 成反比，即入射光波长越短，散射能力越强。米氏散射：大气中的微粒如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起的散射，这种散射的强度受气候影响大。散 射强度与波长的平方成反比，且散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强，方向性明显。无选择性散射：当大气混浊（质点半径10um），大气粒子的直径比辐射波长大得多时发生。散射强度与 波长无关，即任何波长的散射强度相同，散射系数不再随波长改变，也称为漫射。（12）大气质量：大气质量被定义为光穿过大气的路径长度，长度最短时的路径（即当太阳处在头顶正上 方时）规定为“一个标准大气质量”。“大气质量”量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰 减程度。大气质量AM=1/cos（0），其中0表示太阳光线与垂直线的夹角，当太阳处在头顶时，大气 质量为1。“大气质量”描绘了太阳光到达地面前所走过的路程与太阳处在头顶时的路程的比例，也等于 Y/X 。（14）典型气象年：描述当地天文气候时最常用的数据就是叫做典型气象年的数据（TMY）。描述太阳辐 射最常用的方式是典型气象年（TMY），或者是由美国国家可再生能源实验室所使用的TMY2, TMY包含 有每天数据的变化。平均太阳辐射数据，特别是一年中每个月的平均数据在粗略估计太阳能电池板安装数量时也是被广泛使用 的。阴天：地面实际接收到的光线要少于理论光线接收值的50%的日子。（15）日照时数：日照时数的长短受所在纬度、季节、地形、天空状况等因素影响。定义为不受任何遮蔽 时每天从日出到日落的总时数。日照百分率：衡量日照的多少常以实际照射时数（实照时数）与可能照射时数（可照时数）的百分比即日 照百分率表示。光照时间：光照时间=可照时数+曙暮光时间曙暮光：在日出前和日落后，太阳光线在地平线以下0°6°时，光通过大气散射到地表产生一定的光照 强度，这种光线称为曙光和暮光。一般曙暮光随纬度升高而加长，夏季尤为显著。（16）峰值太阳时：日平均日照度（单位为KWhr / mA2 day）有时也被称为峰值太阳时。日照度：日照度是指特定时间内单位面积区域所接受到的总的太阳辐射量，通常以KWhr / （ m2 day ）为 单位。第3章根据导电性能和电阻率：导体，半导体，绝缘体半导体按是否含杂质可分为：本征半导体与杂志半导体（N型半导体、P型半导体）。按物理特性可分为：热敏、光敏、气敏、磁性、压电、铁电半导体等。晶体：有规则对称的几何外形；物理性质（力、热、点、光）各向异性；有确定的熔点；微观上，分子、 原子或离子呈有规则的周期性排列，形成空间点阵（晶格）。面心立方晶格AuAgCuAl体心立方晶格LiNaKFe六角密排晶格BeMgZnCd共价键：硅、错等多数半导体多有4个价电子，当形成晶体时，原子之间靠的很近，相连的两个原子各贡 献一个价电子，形成为这两个原子共有的价电子，围绕着这两个原子转动，从而形成共价键结构。共价键 中的电子同时受到两个原子核的约束，具有很强的结合力，按一定形式排列，因此，在绝对零度和无外界 激发的条件下，硅晶体没有自由电子存在。电子共有化：大量原子规则排列时晶体中的大量原子（分子、离子）的规则排列形成点阵结构，晶体中形 成周期性势场。由于晶体中原子的周期性排列，价电子不再为单个原子所有的现象称为电子共有化。共有 化的电子可以在不同原子中的相似轨道上转移，可以在整个固体中运动。原子的外层电子（高能级），势 垒穿透概率较大，属于共有化的电子，原子的内层电子与原子结合较紧，一般不是共有化电子。对能量E1的电子：势能曲线表现为势垒，电子能量V势垒高度，且E1较小，势垒较宽，穿 透概率小，认为电子束缚在各自离子周围。若E1较大（仍低于势垒高度），穿透概率较大， 由隧道效应，电子可以进入相邻原子。对能量E2的电子：电子能量势垒高度，电子在晶体中自由运动，不受特定离子束缚。能带：量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互影响 原来各原子中能量相近的能级将分裂成一系列和 原能级接近的新能级。这些新能级基本上连成一片，形成能带。能带的一般规律：外层电子共有化程度显著，能带较宽（ E较大）；内层电子相应的能带很窄。点阵间距 越小，能带越宽，E越大。两能带有可能重叠能带中的电子排布：晶体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上。排布原则：（1）服从泡里不相 容原理（电子是费米子）（2）服从能量最小原理。孤立原子的能级Enl，最多能容纳2（21+1）个电子。这一 能级分裂成由N条能级组成的能带后，最多能容纳2N（21+1）个电子。例如：1s、2s能带，最多容纳2N 个电子，2p、3p能带，最多容纳6N个电子。能带结构：应用单电子近似的结果，就是晶体里的每一个电子不再是处于一个具有确定数值的能级里，而 是和其它所有原子里具有相同轨道的电子共同处在一个具有一定宽度的能量范围里，形成所谓能带，能带 之间则是任何电子都不能稳定存在的能量区域，称为禁带。能带产生的根本原因还是在于泡利不相容原理。由于组成晶体的大量原子的相同轨道的电子被共有化后， 只有把同一个能级分裂为相互之间具有微小差异的极其细致的能级，这些能级数目巨大，而且堆积在一个 一定宽度的能量范围内，以至于可以看成是在这个能量范围内，电子的能量状态是连续分布的。电子在能带中的填充：满带中排满电子，导带中部分能带排满电子，空带中未排电子，禁带中不能排电子。 满带：能带中各能级都被电子填满；满带中的电子不能起导电作用。导带：被电子部分填充的能带。在外电场作用下，电子可向带内未被填充的高能级转移，但无相反的电子 转换，因而可形成电流。价电子能级分裂后形成的能带。有的晶体的价带是导带；有的晶体的价带也可能 是满带。空带：所有能级均未被电子填充的能带。由原子的激发态能级分裂而成，正常情况下空着；当有激发因素 （热激发、光激发）时，价带中的电子可被激发进入空带；在外电场作用下，这些电子的转移可形成电流。 所以，空带也是导带。禁带：在能带之间的能量间隙区，电子不能填充。禁带的宽度对晶体的导电性有重要的作用。若上下能带 重叠，其间禁带就不存在。导体的能带结构：在外电场的作用下，电子容易从低能级跃迁到高能级，形成集体的定向流动（电流），显 出很强的导电能力。绝缘体的能带结构：禁带较宽（相对于半导体），禁带宽度乙Eg = 36 eV。在外电场的作用下电子很难接受 外电场的能量，所以形不成电流。一般的热激发、光激发或外加电场不太强时，满带中的电子很难能越过 禁带而被激发到空带上去。当外电场非常强时，电子有可能越过禁带跃迁到上面的空带中去形成电流，这 时绝缘体就被击穿而变成导体了。本征半导体：是指纯净的半导体，导电性能介于导体与绝缘体之间。和绝缘体相似，只是半导体的禁带宽 度很小（ Eg= 0.12eV）杂志半导体：n型（电子导电）半导体和p型（空穴导电）半导体。N型半导体：四价的本征半导体Si、Ge等，掺入少量五价的杂质元素（如P、As等）形成电子型半导体， 也称n型半导体。施主能级：这种杂质能级因靠近空带，杂质价电子极易向空带跃迁。因向空带供应自由电子，所以这种杂 质能级称施主能级。导电机制：杂质中多余电子经激发后跃迁到空带（或导带）而形成的。在n型半导体中，电子是多数载流子 （多子），空穴是少数载流子（少子）。P型半导体：四价的本征半导体Si、Ge等，掺入少量三价的杂质元素（如B、Ga、In等）形成空穴型半导 体，也称p型半导体。受主能级：这种杂质的能级紧靠满带顶处，满带中的电子极易跃入此杂质能级，使满带中产生空穴。这种 杂质能级因接受电子而称受主能级。导电机制：主要是由满带中空穴的运动形成的。在P型半导体中，电子是少数载流子（少子），空穴是多 刷载流子（多子）。杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂原子的浓度，少子的浓度决定于温度。杂质补偿作用：实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），又有受主杂质（浓度na），两种杂质有补偿作 用：若nd>na为n型（施主），若nd<na为p型（受主），利用杂质的补偿作用，可以制成P-N结。 PN结的形成：在半导体内，由于掺杂的不同，使部分区域是n型，另一部分区域是p型，它们交界处的 结构称为p-n结。在一块n型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就 成为p型半导体。由于N区的电子向P区扩散，P区的空穴向N区扩散，在p型半导体和n型半导体的交 界面附近产生了一个由n-p的电场，称为内建场。n区（电子多、空穴少）的电子向p区扩散，p区（空穴多、 电子少）的空穴向n区扩散，在交界面处形成正负电荷的积累，交界处形成电偶层，此特殊结构即为p-n结， 厚度约为10-7m （0.1p m）。内建场阻止电子和空穴进一步扩散，内建场大到一定程度，不再有净电荷的流动， 达到了新的平衡。稳定后，n区相对p区有电势差U0 （n比p高）。p-n结也称势垒区。它阻止P区带正 电的空穴进一步向N区扩散；也阻止N区带负电的电子进一步向P区扩散。在交界面，由于两种载流子 的浓度差，出现扩散运动，由于扩散运动，经过复合，出现空间电荷区，当扩散电流等于漂移电流时，达 到动态平衡，形成PN结。在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内电子很多而空穴很少，而P 型区内空穴很多电子很少，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。这样，电子和空穴都要从浓 度高的地方向浓度低的地方扩散。于是，有一些电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区 向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子， 留下了带正电的杂质离子。半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在 P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，就是所谓的PN结。PN结的偏压：在p-n结的p端接电源正极，n端接负极，这叫对P-N结加正向偏压，此时阻挡层势垒削弱、 变窄有利于空穴向n型区、电子向p型区移动，即形成正向电流（mA级）。p-n结加反向偏压。此时阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向n型区、电子向p型区移动。没有正向电 流。但是，由于少数载流子的存在，在外电场作用下，会形成很弱的反向电流，称为漏电流。当反向电压 超过某一数值后，反向电流会急剧增大，这称为反向击穿。PN结的单向导电性：加正向偏压时，外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变窄，形成较大的扩散电流。 外加反向偏压时，外电场和内电场一起作用，使耗尽层变宽，形成很小的漂移电流。直接带隙与间接带隙：直接带隙的半导体的导带底与价带顶对应相同的动量值，为此，电子从导带向价带 的跃迁无需动量的变化。直接带隙半导体材料的光吸收系数大而间接带隙半导体材料的光吸收系数小，通 俗地讲就是，吸收同样多的太阳光，间接带隙的半导体材料的厚度要求比直接带隙半导体材料要厚得多。 直接带隙半导体材料：就是导带最小值（导带底）和满带（允带中的能级均被电子占据）最大值在k空 间（寻常空间在傅利叶转换下的对偶空间）中同一位置。电子跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形 成半满能带）只需要吸收能量。直接带隙半导体的例子：GaAs、InP半导体。直接带隙半导体的重要性质：当价带电子往导带跃迁时，电子波矢不变，在能带图上即是竖直地跃迁，这 就意味着电子在跃迁过程中，动量可保持不变一一满足动量守恒定律。相反，如果导带电子下落到价带（即 电子与空穴复合）时，也可以保持动量不变一一直接复合，即电子与空穴只要一相遇就会发生复合（不需 要声子来接受或提供动量）。间接带隙半导体材料：导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。形成半满能带不只需要 吸收能量，还要改变动量。k不同，电子在k状态时的动量（h/2pi） k就不同，从一个状态到另一个必须 改变动量。间接带隙半导体的例子：Si、Ge。第4章太阳电池分类：单晶硅：采用单晶硅片制造；转换效率高；小面积约为24%，10cm2可达21%，规模化生 产可达16%18%；制造技术成熟；单晶硅棒、pn结的制造技术成熟；可靠性高；发电稳定，使用寿命20 年以上，使用历史长，如人造卫星、灯塔；较高的市场份额；制造成本较高；向超薄、高效发展多晶硅 高纯硅熔化一浇铸成正方形硅锭一切割机切成薄片一加工成电池，转换效率比单晶硅低；规模化生产可达 15%17%；产量、市场份最大额；1998年之后年产量最大；制造成本低。非晶硅：用高频辉光放电等方 法使硅烷（SiH4）气体分解沉积而成。非晶硅的禁带宽度为1.7eV，掺硼、磷可得P型a-Si、N型a-Si。 原子排列缺少结晶硅中的规则性，缺陷多。单纯非晶硅PN结中隧道电流占主导地位，呈现无整流特性， 不能做太阳电池。在P层和N层之间加入较厚的本征层I，以遏制其隧道电流。非晶硅结构：P-I-N结构， 或P-I-N / P-I-N双层或多层的叠层结构；制造成本低；电池厚度不到1m，不到晶体硅太阳电池的 1/100，可节约硅材料；吸收系数大、光谱响应与太阳光谱的峰值接近，在弱光下，发电能力远高于晶体硅 电池；市场潜力大；易于实现与建筑一体化；转换效率较；规模化生产可达5%8%，目前最高可达14.6%； 稳定性不高。多数载流子的扩散运动将P型半导体与N型半导体紧密结合，在它们之间形成过渡区。在过渡区，P区空穴浓度大，空穴向N区 扩散，与N区电子复合，N区电子浓度大，电子向P区扩散，与P区空穴复合，P区呈现带负电荷的杂 质离子，N区呈现带正电荷的杂志离子。在过渡区，P区带负电荷，N区带正电荷，形成内建电场。少数载流子的漂移运动在内建电场的作用下，将阻止P区空穴向N区扩散，阻止N区电子向P区扩散。在内建电场的作用下， 将促进P区电子向N区漂移，促进N区空穴向P区漂移。一内母场P型生呈谜 窒间电的区 .型半导体（5° G? - G?。孔_）（2）*（X）*心 O飞G） ®*®*O*o° gHo ® h*®*内光电效应：当半导体的表面受到太阳光照，处于价带中的价电子获得超过禁带宽度的能量时，价电子跃 迁到导带成为自由电子，同时在价带中留下一个空穴，形成大量的电子-空穴对，这称为内光电效应。光生载流子：在太阳光照射下，太阳电池吸收光子能量，能量大于半导体禁带宽度的光子，激发半导体中 原子的价电子，在P区、空间电荷区、N区都会产生光生电子-空穴对，称为光生载流子。光生电场：在N区，光生空穴（少数载流子）向PN结边界扩散，一旦达到PN结边界，在内建电场的作 用下做漂移运动，越过空间电荷区进入P区，而光生电子（多数载流子）留在N区。在P区，光生电子（少 数载流子）向PN结边界扩散，一旦达到PN结边界，在内建电场的作用下做漂移运动，越过空间电荷区 进入N区，而光生空穴（多数载流子）留在P区。即，在PN结的两侧产生了正负电荷的积累，形成与内 建电场方向相反的光生电场。光生电势：光生电场一部分抵消内建电场，还使P型层带正电、N型层带负电，产生了光生电动势。光生电流：在太阳光照射下，太阳电池的上、下两极就有一定的光生电动势，用导线连接负载，就能产生 直流电。在太阳能电池中产生的电流叫做“光生电流”，它的产生包括了两个主要的过程。第一个过程是 吸收入射光电子并产生电子空穴对。电子空穴对只能由能量大于太阳能电池的禁带宽度的光子产生。然而， 电子（在P型材料中）和空穴（在N型材料中）是处在亚稳定状态的，在复合之前其平均生存时间等于少数载流子的寿命。如果载流子被复合了，光生电子空穴对将消失，也没有电流和电能产生。 第二个过程是，PN结通过对这些光生载流子的收集，即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的 复合。PN结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光生少数载流子到达PN结，将会被内建电场 移到另一个区，然后它便成了多少载流子。如果用一根导线把发射区跟基区连接在一起（使电池短路）， 光生载流子将流到外部电路。收集概率：“收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生的载流子被pn结收集并参与到电流流动的概 率，它的大小取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。收集概率与载流子的生成率决定了电 池的光生电流的大小。量子效率：所谓“量子效率”，即太阳能电池所收集的载流子的数量与入射光子的数量的比例。量子效率 即可以与波长相对应又可以与光子能量相对应。如果某个特定波长的所有光子都被吸收，并且其所产生的 少数载流子都能被收集，则这个特定波长的所有光子的量子效率都是相同的。而能量低于禁带宽度的光子 的量子效率为零。光谱响应：光谱响应指的是太阳能电池产生的电流大小与入射能量的比例。理想的光谱响应在长波长段受 到限制，因为半导体不能吸收能量低于禁带宽度的光子。这种限制在量子效率曲线中同样起作用。不同于 量子效率的矩形曲线，光谱响应曲线在随着波长减小而下降。因为这些短波长的光子的能量很高，导致光子与能量的比例下降。标准测试条件：太阳电池受到光照产生的电能与太阳辐照度、电池的温度、照射光的光谱分布有关。标准测试条件光源辐照度：1000W/m2,测试温度：250C，AM1.5-地面太阳光谱辐照度分布，AM0- 大气层上太阳光谱辐照度分布bo®（展）：生悬撤瓣鼬钢犹掇触虏蝮撰茂漏鼬网g金飓阳 金属电极本身的电阻，一般小于g o串联电阻越小越好分光感度特性：对于太阳电池来说，不同波长的光照射时所产生的电能是不同的，用分光感度特性来表示 温度特性：像所有其它半导体器件一样，太阳能电池对温度非常敏感。温度的升高降低了半导体的禁带宽 度，因此影响了大多数的半导体材料参数。可以把半导体的禁带宽度随温度的升高而下降，看成是材料中 的电子能量的提高。因此破坏共价键所需的能量更低。在半导体禁带宽度的共价键模型中，价键能量的降 低意味着禁带宽度的下降。在太阳能电池中，受温度影响最大的参数是开路电压。光强特性：改变入射光的强度将改变所有太阳能电池的参数，包括短路电流、开路电压、填充因子即、转 换效率以及并联电阻和串联电阻对电池的影响。最大功率跟踪方法：恒电压控制法，扰动观察法，增量电导法，直线近似法，实际测量法 恒电压控制法：在一定范围内，光照强度变化时，太阳电池的最佳工作电压um变化不大。在光伏阵列与 负载之间，加入可变阻抗，使得系统成为一个稳压器。没有考虑温度的变化，若温度发生变化，会影响系 统稳定。扰动观察法：周期性地增加或减少负载的大小，观察输出电压和功率的变化。若输出功率变大，则继续按 相同方向改变负载的大小，反之亦然。由于扰动不停止，因而造成能量损失。增量电导法：在最大功率点处，dP/dU=0，有 dP/dU=d（IU）/dU=I+UdI/Du=0 即 dI/dU=-I/U 式中 dI、dU、I/U 分别为变化前后测得的电流差值、电压差值、瞬间太阳电池的电导率。根据他们的关系，可决定下一步的 变动方法。直线近似法：在最大功率点处，dP/dU=0在某个工作温度下，对于不同的光照度，最大功率Pm的变化接 近于一条直线。实际测量法：对于较大的太阳能光伏系统，利用一块额外的小电池组件，每隔一段时间实际测量开路电压 和短路电流以建立有关光照度和温度的参考模型，求出此时的最大功率点的电压与电流。太阳电池设计：太阳能电池的设计包括明确电池结构的参数以使转换效率达到最大，以及设置一定的限制 条件。这些条件由太阳能电池所处的制造环境所决定。为获得最高效率，在设计单节太阳能电池时，因注 意几项原则：1.提高能被电池吸收并生产载流子的光的数量。2.提高pn结收集光生载流子的能力。3.提取 不受电阻损耗的电流。光学设计光的损耗：在电池表面铺上减反射膜；表面制绒；增加电池的厚度以提高吸收（尽管任何在与 结的距离大于扩散长度的区域被吸收的光，都因载流子的复合而对短路电流没有贡献）；通过表面制绒与 光陷阱的结合来增加电池中光的路径长度。光的损耗主要以降低短路电流的方式影响太阳能电池的功率。 减反射膜：减反射膜的厚度经过特殊设计，刚好为入射光的波长的四分之一。计算过程如下，对于折射率 为n1薄膜材料，入射光波长为40，则使反射最小化的薄膜厚度为d1： d1=A0/4n如果减反射膜的折射率 为膜两边的材料的折射率的几何平均数，反射将被进一步降低。制绒：在硅表面制绒，可以与减反射膜相结合，也可以单独使用，都能达到减小反射的效果。因为任何表 面的缺陷都能增加光反弹回表面而不是离开表面的概率，所以都能起到减小反射的效果。电池厚度：像减小表面反射一样，充分的吸收入射光也是获得高转换效率的必要途径之一。而吸收光的多 少则取决于光路径的长度和吸收系数。对于厚度超过10mm的硅电池来说，入射光能量大于禁带宽度的部 分基本全部被吸收。总电流的100%指的是所有能被硅吸收的光都被吸收了。当硅材料厚度为10微米时， 只有30%的可吸收光被吸收。光陷阱：使光子入射在倾斜面上，随之改变光子在电池内运动的角度，便能达到光陷阱的效果。一个经过 制绒的表面不仅能像前面所讲的那样减少反射，还能使光斜着入射电池，因此光的路径长度比厚度大。朗伯背反射复合：朗伯背反射层是一种特殊的背反射层，它能使反射光的方向随机化。电池背反射层的高 反射率减小了背电极对光的吸收和光穿出电池的几率，并把光反弹回电池体内。方向的随机化使得许多反 射光都被全反射回去。有些被反射回电池顶端表面的光与表面的角度大于临界角，则又再次被全反射回电 池内。这样一来，光被吸收的机会就大大增加了，因为光的路径长度能达到4n2, n为半导体的折射率。 使光的路径长度长达电池厚度的50倍，因此这是一个十分有效的围困光线的技术太阳电池板结构设计：一块电池板由许多互相连接的电池（通常为36块串联着的电池）组成。把互相连 接的电池封装起来的主要原因是为了保护它们和它们连接线不受其周围环境的破坏。封装材料：大多数晶体硅电池板都是由一块透明表层、一块密封板、背板和围绕外围的框架。通常，透明 表层是一层玻璃，密封层材料是EVA （乙基醋酸乙烯），而背板则是一种Tedlar材料。1.前表面材料：光 伏组件的前端表面必须对那些能够被电池吸收的光线保持高透明度。此外，前端表面对光的反射率必须很 低，除了减反射特性和透明特性，顶端表面材料还应该不能透水，应该有好的耐冲击性，应该能在长时间 的紫外线照射下保持稳定，应该有低的热阻抗性。水或水蒸气在渗入金属电极和连接线后会大大降低光伏 组件的寿命。大多数的组件的前端表面是用来增加机械强度和刚度的。对于材料的的种类，可以有几种选 择，包括丙烯酸、聚合物和玻璃。其中含铁量低的玻璃是使用最广泛的，因为它成本低、强度好、稳定、 高度透明、不透水不透气同时还有自我清洁功能。2.密封层：密封材料是用来粘附组件中的太阳能电池、 前表面和背面的。密封材料应该在高温和强紫外线照射下保持稳定。当然，材料还应该有良好的光透性和 低热阻抗。EVA是最常使用的密封材料。3.背表面层：光伏组件的背表面层材料的最关键性质是必须拥有 低热阻抗性，同时必须能够阻止水和水蒸气的渗入。对于大多数组件，薄的聚合物层特别是Tedlar，是背 表面层的首选材料。有些光伏组件被称为双面组件，被设计成电池的正面和背面都能够接收光的照射。在 双面电池组件中的前表面和背表面都应该保持良好的光透性。4.框架：电池组件的最后一个结构组成部分 是组件的边界或框架。传统的光伏组件通常由铝制成，框架结构应该是平滑无凸起状的，否则会导致水、 灰尘或其它异物停留在上面。错配效应：错配损耗是由互相连接的电池或组件没有相同的性能或者工作在不同的条件下造成的。在工作 条件相同的情况下，错配损耗是一个相当严重的问题，因为整个光伏组件的输出是决定于那个表现最差的 电池的输出的。热斑效应：“热点加热”现象发生在几个串联电池中出现了一个问题电池时，电路中，一个被阴影遮住的电 池减少了电路电流，使得好电池提高电压，并常常导致'问题”电池的电压反置。第5章薄膜电池分类：1硅系薄膜太阳电池非晶/微晶硅太阳电池（单结非晶硅太阳电池，双结（叠层）非/微晶硅 太阳电池，三结（叠层）非/纳米晶硅太阳电池）多晶硅薄膜太阳电池，硅薄膜/单晶硅太阳电池（非晶/单晶 硅异质结太阳电池，纳米晶/单晶硅异质结太阳电池）2化合物薄膜太阳电池铜铟（镓）硒太阳电池（铜铟硒太阳电池，铜铟（镓）硒太阳电池）蹄化镉太阳电池， 硫化镉太阳电池薄膜太阳电池特点：1制造工艺简单:一般用PEVCD（等离子增强型化学气相沉积）法2成本低，硅厚度1以 m3不需要高温过程，2003000C4衬底选择余地大，可在玻璃、不锈钢、陶瓷板、柔性塑料片上沉积薄膜 5适于大面积生产非晶硅电池结构：在P-N之间设置不掺杂I层，形成P-I-N型，进行光转换的是I层非晶硅太阳电池结构分类：1肖特基势垒型（SB域金属-绝缘体-半导体（MIS）型：主要用于分析工作特性2P-I-N型：Al/N-I-P/TCO/玻璃基板太阳电池或ITO/N-I-P/金属基板太阳电池TCO （Transparent Conducting Oxides）：透明导电氧化物 ITO （Indium Tin Oxides）：纳米铟锡金属氧化物P-I-N型太阳电池结构设计N-I-P型太阳电池结构设计SW（Staebler-Wronski）效应：a-si:H电导率和光电特性因连续光照会发生衰减现象，这种现象是由于短路电 流、填充因子降低造成的，与沉积条件、电池结构等有关，向非晶硅P-I-N太阳电池的I层掺杂硼后，其 转换效率提高了 10%，连续光照，其特性与I层膜厚、制备条件无关，而且没有发生变化，光致衰减与I 层的厚度有关，影响程度随I层的减薄而减小叠层电池结构工作原理:若从光入射表面开始排序，依次为第一、二、三单元，它们的带隙宽度为Eg1、Eg2、 Eg3,应有Eg13 Eg23 Eg3，入射光子由第一个太阳电池吸收，透过第一单元且能量小于或等于Eg1的 光子由第二单元吸收，透过第二单元且能量小于或等于Eg2的光子由第三单元吸收集成型薄膜太阳电池的工艺特点：可利用激光刻划等技术，将按电学性能设计的子电池串联起来，与集成 电路的设计、制造相类似，可根据实际需要，使Uoc、Isc在相当大的范围内进行变化，转换效率损失不 大，减少引线、提高了电池组件的可靠性集成型非晶硅太阳电池的特点：从单一基板上可得到高电压输出，可简化组件组装工艺大面积时电力损失少，可制造超长组件，多样化的设计第6章多晶硅分类：冶金级（工业硅）：是硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。一般含Si为9099%。太阳能级：纯度介于冶金级硅与电子级硅之间，至今未有明确界定。一般认为含Si在99.9999.9999 （46个9）电子级：一般要求含Si>99.9999%以上，超高纯 达到 99.9999999%99.999999999% （911 个 9）。硅的制备（三氯氢硅法）有三道关键工序1由硅砂到冶金硅（将石英砂放在大型电弧炉，用焦炭进行还原，生产液态硅SiO2 + 2C 一 Si +2 CO2 f） 2由冶金硅到三氯氢硅（将冶金硅通过机械破碎、研磨成粉末，与盐酸在液化床上进行反应，得到 三氯氢硅 Si + 3HC1 一 SiHCl3 +H2 f）3由三氯氢硅到多晶硅（将三氯氢硅分馏，以达到超纯状态，再将其注入充有大量氢气的还原炉中 三氯氢硅在通电加热的细长硅芯表面发生反应，硅沉积在硅芯表面，经过一周或更长时间，硅芯直径将从 8mm生长到150mm，形成硅棒化学反应式为：SiHC13 +H2 Si + 3HC1 f） 多晶硅的制备化学提纯法：西门子法（气相沉淀反应法），甲硅烷热分解法，流态化床法物理提纯法：区域熔化提纯法（FZ），直拉单晶法（CZ），定向凝固多晶硅锭法（铸造法）单晶硅的制备（FZ、CZ）区熔法（Float-Zone, FZ ）区域提纯多晶硅生长单晶硅是利用区域熔炼的原理。区熔法生长单晶可分为水平 区熔和悬浮法两种。水平区熔法适用于错、锑化铟等与容器反应不太严重的体系；对于硅，则用悬浮区熔 法（Float Zone method，简称FZ法）制备硅单晶。直拉法（Czochralski，CZ法）多晶硅硅料置于坩埚中经加热熔化，待温度合适后，经过将籽晶浸入、 熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤，完成一根单晶硅锭的拉制。在工艺流程中，最为关键的是 “单晶生长”或称拉晶过程，它又分为：润晶、缩颈、放肩、等径生长、拉光等步骤。当熔体温度稳定地稍 高于熔点，将籽晶放在上面烘烤几分钟后将籽晶与熔体熔接，这一步叫润晶或下种；为了消除位错要将籽 晶拉细一段叫缩颈；之后要把晶体放粗到要求的直径叫放肩；有了正常粗细后就保持此直径生长，称之为 等径生长；最后将熔体全部拉光。在晶体生长过程中，为了保持等径生长，控制的参数主要是拉速和加热 功率。提高拉速、加热功率则晶体变细；反之降低拉速成和加热功率则使晶体加粗。晶体硅太阳电池的制造制绒：有效的绒面结构有助于提高太阳能电池性能，主要体现在短路电流的提高。工业上大部分采用NaOH 或KOH、异丙醇（IPA）或乙醇和水的混合溶液制备绒面。磷扩散：1 .三氯氧磷（POCl3）液态源扩散2 .喷涂磷酸水溶液后链式扩散3 .丝网印刷磷浆料后链式 扩散PECVD （减反射膜）钝化技术对于Si，因存在较高的晶界、点缺陷（空位、填隙原子、金属杂质、 氧、氮及他们的复合物）对材料表面和体内缺陷的钝化尤为重要，除前面提到的吸杂技术外，钝化工艺一 般分表面氧钝化和氢钝化。组件封装：电池串焊，叠层，层压，装框，测试分档第7章光伏发电系统组成其主要结构由1太阳能电池组件（或方阵）2蓄电池（组）3光伏控制器4逆变器（在有需要输出交流电 的情况下使用）5一些测试、监控、防护等附属设施构成。典型独立和并网系统组成工作原理电池方阵（板型设计、性能参数、串并联）在生产电池组件之前，就要对电池组件的外型尺寸、输出功率以及电池片的排列布局等进行设计，这种设 计在业内就叫太阳能电池组件的板型设计性能参数短路电流(ISC)：当将太阳能电池组件的正负极短路，使U=0时，此时的电流就是电池组件的 短路电流，短路电流随着光强的变化而变化。 开路电压(UOC)：当太阳能电池组件的正负极不接负载时，组件正负极间的电压就是开路电压，开踣 电压的单位是V。太阳能电池组件的开路电压随电池片串联数量的增减而变化 峰值电流(Im)：峰值电流是指太阳能电池组件输出最大功率时的工作电流 峰值电压(Um)：峰值电压是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电压，组件的峰值电压随电池片串联 数量的增减而变化 峰值功率(Pm):峰值功率是指太阳能电池组件在正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电 流与峰值电压的乘积。太阳能电池组件的峰值功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和组件的工作温度， 填充因子(FF)：填充因子也叫曲线因子，是指太阳能电池组件的最大功率与开路电压和短路电流乘积 的比值。填充因子足评价太阳能电池组件所用电池片输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明所 用太阳能电池组件输出特性越趋于矩形，电池组件的光电转换效率越高。 转换效率(n ):转换效率是指太阳能电池组件受光照时的最大输出功率与照射到组件上的太阳能量功率 的比值。控制器按电路方式的不同分为1并联型2串联型3脉宽调制型4多路控制型5两阶段双电压控制型6最大功率跟踪型按电池组件输入功率和负载功率的不同可分为1小功率型2中功率型3大功率型4专用控制器(如草坪灯控制器)等；按放电过程控制方式的不同，可分为1常规过放电控制型2剩余电量(SOC)放电全过程控制型 逆变器的类型按照逆变器输出交流电的相数，可分为1单相逆变器三相逆变器2多相逆变器；按照逆变器输出交流电的频率，可分为1工频逆变器2中频逆变器3高频逆变器；按