包头地区太阳能及其应用前景.doc

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1、 内蒙古科技大学本 科 毕 业 论 文论文题目： 包头地区太阳能及其应用前景 院 系： 物理科学与技术学院 专 业： 应用物理 姓 名： xxxx 学 号： 0809810008 指导教师： xxxx老师 二 一 二 年 三 月包头师范学院本科毕业论文题 目：包头地区太阳能及其应用前景 学生姓名： 张海燕 学 院： 物理科学与技术学院 专 业： 应用物理学 班 级： 08级 指导教师： 贾怀杰老师 摘 要随着化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度不断提高，寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切。太阳能作为一种可再生清洁能源，并可持续利用，因此有着广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到

2、人们的关注。为了能使光伏产品得到普及，进一步提高效率、降低成本是光电池的发展趋势。提高太阳能电池转换效率，降低成本，关键是提高太阳能的利用率。本文在详细介绍太阳能电池工作原理、基本结构及主要特性的基础上，研究了太阳能电池的加工工艺。具体内容如下:分析了太阳能电池的转换效率及影响因素，并研究了提高太阳能电池转换效率的主要技术，如减少反射损失技术、减少载流子损失技术和减少光透射损失技术等。关键词：太阳能；太阳能电池；转换效率ABSTRACTWith the increasing depletion of fossil energy, environmental protection awarene

3、ss of the importance and the constant increase, look for clean alternative energy issues become more urgent. Solar energy as a renewable clean energy, and sustainable use, it has broad application prospects, photovoltaic power generation technology is more and more attention. In order to make photov

4、oltaic products have been popular, and further improve efficiency, reduce costs is the development trend of photovoltaic cells. Improve solar cell conversion efficiency, reduce costs, the key is to improve the utilization of solar energy. This article describes in detail the working principle of sol

5、ar cells, the basic structure and main features, based on studies of the solar cell processing technology. Details are as follows: analysis of the solar cell conversion efficiency and the impact factors and research to improve solar cell conversion efficiency of the major technologies, such as techn

6、ology to reduce reflection losses, reduce the loss of carrier technologies and reduce the loss of light transmission technology.Key words: solar energy; solar cells; conversion efficiency目 录摘 要- 2 -ABSTRACT- 3 -引 言- 5 -1太阳能简介- 6 -1.1太阳能的特点及优势- 6 -2 包头地区太阳能分布情况- 7 -2.1 太阳辐射计算方法- 7 -2.2 太阳总辐射- 8 -2.3

7、包头地区太阳能的利用和开发- 9 -2.3.1 农业生产中的光能利用率- 9 -3太阳能光伏发电原理及特性- 9 -3.1太阳能光伏发电原理- 9 -3.2 世界光伏产业的发展及前景- 10 -3.2.1 世界太阳能电池的生产- 10 -3.2.2太阳能电池技术- 11 -3.2.3太阳能电池基本结构- 12 -3.2.4太阳能电池主要特性- 12 -3.2.5影响太阳能电池转换效率的因素- 14 -3.2.6提高太阳能电池转换效率的各种技术- 15 -3.3􀀁中国光伏产业发展- 18 -4太阳能电池的应用- 19 -5包头地区太阳能展望- 22 -5.1政策鼓励产业发展，积

8、极开拓市场- 23 -5.2得天独厚的优势- 24 -5.3规划布局国家级基地- 24 -5.4转变发展方式之路- 25 -结语- 26 -参考文献- 27 -致谢- 28 -引 言自人类社会诞生以来，能源一直是人类生存和发展的重要物质基础。随着社会的发展，能源在社会发展中的重要性越来越突出，尤其是近年来各国日益呈现出来的能源危机问题，更加明显地把能源置于社会发展的首要地位。根据BP世界能源统计2005的统计数据，以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产40多年，天然气和煤炭则分别可以供应67年和164年。而我国的能源资源储量情况更是危机逼人，按2000年底的统计，探明可开发能源总储量约占世

9、界总量的10.1%。我国能源剩余可开采总储量的结构为:原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占 1.3%，水资源占36.5%。我国能源可开发剩余可采储量的资源保证程度为129.7年。自从工业革命以来，约80%温室气体造成的附加气候强迫是由人类社会活动引起的，其中CO2的作用约占60%，而化石能源的燃烧是CO2的主要排放源。随着化石能源的逐步消耗以及化石能源的开发和利用所造成的环境污染和生态破坏问题的日益严重，开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成为人类急切需要解决的问题。新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、

10、地热能以及海洋能等一次能源。研究和实践表明，新能源和可再生能源资源丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。新能源和可再生能源的开发利用不仅可以解决目前世界能源紧张的问题，还可以解决与能源利用相关的环境污染问题，促进社会和经济可持续性发展。根据国际权威机构的预测，到21世纪60年代，全球新能源与可再生能源的比例，将会发展到世界能源构成的50%以上，成为人类社会未来能源的基石和化石能源的替代能源。如图1.1所示是世界能源发展趋势图1，从图中我们可以看出，可再生能源的比重将逐渐上升，尤其太阳能发电的应用将占到很大比重。目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济发展的需要

11、，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升温。20世纪90年代以来，以欧盟为代表的地区集团，大力开发利用可再生能源，连续10年可再生能源发电的年增长速度都在15%以上。联合国气候变化框架条约缔约国签订的京都议定书在2005年2月16日生效，签署的国家已达185个。中国是第37个签约国。议定书主要反映了人类应对地球变暖这一有害现象进行有效控制的迫切需要，规定主要工业国(发达国家)在2008-2012年期间将二氧化碳等6种温室气体排放量从 1990年的水平进行削减。全球削减温室气体排放的京都议定书重新引起了世界范围内对可再生能源的重视。我国拥有丰富的新能源

12、与可再生能源可供开发利用，近十年来的高速经济增长使我国迫切需要加大对新能源和可再能 源的开发利用，以解决能源短缺问题，保障能源供应安全。1太阳能简介1.1太阳能的特点及优势太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上的能源，每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天所消耗的能源。在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为最具前景的未来能源，有无尽的潜力。目前太阳能利用的方式有:太阳能光伏发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能光化学利用，太阳能生物利用。其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展，被认为是当前世界上最具

13、发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨资竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用。太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发电方式，太阳能电池单元是光电转化的最小单位，是太阳能发电系统的核心，其开发、生产直接影响到太阳能发电的普及和发展。将太阳能电池单元进行串并联并封装后可以做成太阳能电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦，这种太阳能电池组件是可以单独作为电源使用的最小单元，可以将太阳能电池组件进行进一步的串并联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的功率输出。和常规能源相比较，太阳能资源具有如下5个优越性:（1）取之不尽，用之不竭太阳内部由于氢核的聚

14、变热核反应，从而释放出巨大的光和热，这就是太阳能的来源。根据氢核聚变的反应理论计算，如果太阳像目前这样，稳定地每秒钟向其周围空间发射辐射能，在氢核聚变产能区中，氢核稳定燃烧的时间，可在60亿年以上。也就是说太阳能至少还可像现在这样有60亿年可以稳定地被利用。（2）就地可取，不需运输矿物能源中的煤炭和石油资源在地理分布上的不均匀，以及全世界工业布局的不均衡造成了煤炭和石油运输的不均衡。这些矿物能源必须经过开采后长途运送，才能到达目的地，给交通运输造成压力。（3）分布广泛，分散使用太阳能年辐射总量一般大于5.04x106kJ/m2，就有实际利用价值，若每年辐射量大于6.3x106kJ/m2，则为利

15、用较高的地区。世界上约有二分之一的地区可以达到这个数值。虽然太阳能分布也具有一定的局限性，但与矿物能、水能和地热能等相比仍可视为分布较广的一种能源。（4）不污染环境，不破坏生态人类在利用矿物燃料的过程中，必然释放出大量有害物质，如SO2，CO2等，使人类赖以生存的环境受到了破坏和污染。此外，其它新能源中水电、核能、地热能等，在开发利用的过程中，也都存在着一些不能忽视的环境问题。但太阳能在利用中不会给空气带来污染，也不破坏生态，是一种清洁安全的能源。（5）周而复始，可以再生在自然界可以不断生成并有规律地得到补充的能源，称为可再生能源。太阳能属于可再生能源。煤炭、石油和天然气等矿物能源经过几十亿年

16、才形成，而且短期内无法恢复。当今世界消耗石油、天然气和煤炭的速度比大自然生成它们的速度要快一百万倍，如果按照这个消耗速度，在几十亿年时间里所生成的矿物能源将在几个世纪内就被消耗掉1。2 包头地区太阳能分布情况 包头地区的太阳能资源非常丰富， 尽管太阳能的利用在目前的能源结构中所占的比例非常微小， 但随着常规能源的日益减少和太阳能科学技术水平的提高， 太阳能将逐渐成为主要能源之一，是未来的替代能源，具有广阔的发展前景。2.1 太阳辐射计算方法 地球上太阳能分布并不均衡，这主要是受地理位置（天文辐射随纬度的不同而不同），太阳实照时数（受天空的遮蔽状况、高山、建筑物的影响等）和大气透明度的不同而引起

17、的。这就是说，任一地点的太阳总辐射的计算公式，原则上可以用下式表示： Q=Q0f1(p)f2(s,n) (2-1)式中Q 和Q0分别为太阳总辐射和天文辐射在某一时段内的总量。f1(p)代表大气透明系数p 的函数，直观上可以理解为大气透明度造成的修正项。Q0f1(p)表示天文辐射经过大气透明度修正后的辐射量。s 和n 分别是日照百分率和总云量。为了便于计算，根据我国一些学者的研究，常用的计算公式为： Q= Q0(a+bs) (2-2)式中Q0为天文辐射，s 为日照百分率，a 和b 为经验系数，近似认为a 代表大气透明度，b 代表云6。2.2 太阳总辐射 包头没有日射观测站， 只能使用毗邻地区的日

18、射资料进行推算。按照气候类型相同或相似的原则，利用相关与回归原理，通过计算求得太阳总辐射。市区、萨拉齐、石拐和固阳使用呼和浩特的资料，白云鄂博、达茂旗等使用二连浩特的资料，鉴于篇幅关系，具体计算公式从略。表1 是太阳总辐射的计算值。全市总辐射在58006400MJ/m2，其中白云鄂博最大，为6369MJ/m2，市区最小，为5846MJ/m2。从月际变化来看，5 月和6 月的总辐射最大， 从7 月开始减小，12 月达极小值。总辐射的地理分布特点主要是由于大气透明状况和云量造成的， 月际变化趋势主要是由于大气上界的天文辐射量造成的。包头市依托资源和地域优势，开发太阳能资源，发展环保节能的太阳能光伏

19、发电产业。在发展太阳能光伏发电领域，包头市有着得天独厚的优势。包头市位于内蒙古西北部，日照时间相对较长，太阳能资源相当丰富。包头市硅石矿产丰富，现已探明石英石矿产储量5.7亿吨，含二氧化硅97%，完全可以满足多晶硅生产的原料需求。 包头市把太阳能光伏发电产业，作为“十二五”规划的重点内容。在太阳能光照条件好的达茂旗、白云鄂博矿区规划建设八个太阳能光伏发电示范电厂，总装机15万千瓦。目前，这些电厂正在进行规划。包头市还引进国内外知名企业和高新技术企业开展多晶硅及深加工利用项目。目前榆林凯信达年产十万吨金属硅，大全稀土高新区年产6000吨多晶硅等项目陆续在达茂旗、土右旗、石拐区开工建设。规划到“十

20、二五”末，全市的太阳能光伏电产业的装机要力争达到二十万到三十万千瓦。 资料显示，我国目前大约100万无电户需要在2020年以前采用光伏和风光互补发电系统解决用电问题，潜在市场容量极大12。2.3 包头地区太阳能的利用和开发2.3.1 农业生产中的光能利用率 根据农业科学方面的研究，1g 干物质全部释放的热量为17.77KJ。当知道了生理辐射并确定了作物的经济系数后，光能利用率就可以计算出来。包头市的作物生长期大约在4 月10 日到9 月20 日。经计算，全市范围内的光能利用率大约为0.7%。由于各地气候条件的差异及水利设施、灌溉条件的不同，实际光能利用率在0.32.0%，光能利用率不高。3.2

21、 太阳能利用的最佳倾角在一般情况下，光能资源是指在水平面上的太阳辐射量，对于坡地和山区而言， 需要考虑坡度和坡向。 对于民用太阳能来说，为了获取最多的太阳能，在没有自动跟踪装置的情况下，需要考虑最佳倾角和方位， 使入射阳光与集热器或温室大棚顶保持较长时间的垂直。经计算， 包头冬季最佳倾角为正南方向65，春秋季为正南方向40，在夏季，倾角愈小愈好，当倾角相同时，东西方向要比南北方向好。（1）全市平均每年在58006400MJ/m2，比内蒙古东部地区要多， 和内蒙古中西部地区基本相当， 属于光能资源丰富的地区，为全市农牧业发展提供了良好的太阳辐射气候条件。由于我市农业生产欠发达，粮食单产并不高，所

22、以光能利用率比较低，全市平均光能利用率在0.32.0%。（2）全市的太阳能平均在4.44.8kWh/m2d，开发和利用太阳能具有广阔的发展前景。一般认为，一天有6h 以上的日照时间就可供太阳能的利用， 包头市全年有300d 左右达到这一标准，每月都有23d 以上可供利用。（3）包头市区的太阳辐射值与20 世纪80 年代比较，明显减小。80 年代年辐射总量为6176MJ/m2，目前是5846MJ/m2，减少330MJ/m2，减少了5%。从月辐射来看，除4 月份减少8%外，初冬11 月和12 月减少9%。市区太阳辐射的减少，原因可能是大气污染加剧，能见度减小，光照条件和日照时数受到了影响。要想改变

23、这种状况，应当改善市区的太阳辐射环境，加强环保工作，减少城市的大气污染12。3太阳能光伏发电原理及特性3.1太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电技术利用太阳能电池的光生伏打效应( 半导体材料表面受到太阳光照射时, 其内产生大量电子- 空穴对, 在内建电场作用下运动并产生光生直流电) , 是一种将太阳辐射能直接转变为电能的发电方式。根据应用场合的不同,光伏发电系统可分为离网光伏发电系统( 或独立光伏发电系统) 和并网光伏发电系统。光伏发电与气象条件密切相关, 出力的变化具有很强的周期性, 包括日变化周期和季节变化周期; 受太阳能辐射时空分布随机性和间歇性等影响, 光伏发电出力具有不连续和不稳定特性,

24、 见图1。通过光伏发电预报技术可为电网科学调度和制定发电规划提供依据, 有效降低光伏发电出力波动对电网的冲击。 光伏发电可利用太阳能电池俘获直接辐射、散射辐射、反射辐射等直接转换成电, 主要优点如下: 无噪音, 无公害, 无泄漏, 不产生温室及有毒气体; 除跟踪式外无旋转部件, 不易损坏, 安装容易, 维护简单; 不受能源危机或燃料市场不稳定影响; 发电组件使用寿命长, 超过25 年; 可回收、重新使用; 适宜于偏远无电地区, 降低长距电网建设及输电损失; 发电方式灵活, 易于在建筑物上集成; 制造光伏系统( 光伏组件及配套组件) 的能量可迅速回收( 目前能量偿还时间为6个月至3 年) , 且

25、随技术进步会不断下降。图1 3.2 世界光伏产业的发展及前景3.2.1 世界太阳能电池的生产 2001-2010 年的太阳能电池年产量及年增长率见图2。由图可看出, 近10 年的太阳能电池发展十分迅速。3.2.2太阳能电池技术 晶硅电池是近30 年占主导地位也是最为成熟的技术, 目前已占市场份额的80%, 而随着薄膜电池技术进步, 未来晶硅电池市场份额会有所下降。据欧洲光伏产业协会( EPIA) 2011 年的预测, 2020 年晶硅电池市场份额降为61%, 而薄膜电池则从目前的20% 左右上升到33% 。图2 20012010 年全球太阳能电池年产量3.2. 2. 1 晶硅电池技术( c-S

26、i) 随着工艺及技术进步, 太阳能电池的效率不断提高, 实验室效率接近目前公认的理论极限30% , 其中单晶硅电池效率最高, 但需要高温拉制单晶硅棒; 多晶硅制备成本相对低很多。工业大规模生产的商业电池效率低于实验室效率, 截止2010 年7 月商业单晶硅电池效率最高达到22% 。目前广泛使用商业单晶硅电池效率16% -22%, 组件效率13% - 19% , 多晶硅电池效率14%- 18% , 组件效率11%-15% 。3.2. 2. 2􀀁 薄膜电池技术( T F) 目前商业化的薄膜电池主要可分为非晶硅( a-Si) 、多结叠层( a-Si/ 􀀁c- Si

27、) 、碲化镉( CdT e) 、铜铟硒( CIS) 及铜铟镓硒( CIGS) 。与晶硅电池结构相比, 非晶硅电池光谱响应更宽, 制造成本低, 目前广泛应用于消费类电子产品, 但效率偏低, 在4% 8%之间; CdT e 电池为直接跃迁性, 制造成本低, 效率可达11% , 为目前商业薄膜电池主流技术; CIS/ CIGS 薄膜电池效率最高, 实验室效率可达20% , 但制造工艺复杂且缺乏标准化。目前, 各种薄膜电池组件最高实验室效率和商业效率。3.2. 2. 3􀀁 聚光光伏电池 聚光光伏发电技术( CPV ) 是指利用聚光器( 透镜或反射镜) 将太阳光汇聚后, 通过高转化效率

28、的聚光光伏电池直接转换为电能的技术。聚光光伏发电技术只能利用直接辐射, 根据聚光程度可分为2 100 倍的中低倍聚光和1 000 倍以上的高倍聚光。聚光光伏电池目前主要由硅半导体或-族化合物( 砷化镓GaAs) 材料制造, 电池转换效率高, 但成本贵。基于硅半导体的商业聚光光伏电池效率为20%-25%; 基于砷化镓的商业聚光光伏电池效率为25%-30%, 而实验室效率可达40%8。3.2.3太阳能电池基本结构典型的太阳能电池的结构如8所示。硅的PN接合处，被夹在上、下两个金属接触层之间。上金属接触层是栅格状的，以容许光线射到PN接合之上。PN接合的顶部有一层防反射薄层，以减少从光亮的硅表面反射

29、出来的光线。这就是太阳能板的表面看起来很暗淡的原因。 图3太阳能电池结构图3.2.4太阳能电池主要特性太阳能电池的特性可大致分为:光伏器件特性，如光谱特性、照度特性;半导体器件特性，特性曲线如输出特性、温度特性、二极管特性等。太阳能电池的输出特性通常是指伏安(包括开路电压、短路电流、填充因子)。以下就太阳能电池的光谱响应特性、温度特性及主要参数作简单介绍。3.2.4.1光谱响应特性光谱响应表示不同波长的光子产生电子一空穴对的能力。也就是说，在阳光照射激发作用下，太阳能电池所收集到的光生电流与到电池表面上的入射波长有着直接的关系。光谱特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳能电池，测量此时的短路电

30、流Isc。;然后依次改变单色光的波长，再重新测量电流。光谱响应曲线有时候称为量子效率(外量子效率)曲线，也可以用收集效率(内量子效率)曲线来表示。二者并不一致，一般来说，量子效率(外量子效率)是指入射多少光子数产生多少电子的比率，即入射到电池上的每个光子产生的电子一空穴对或少数载流子的数目;而收集效率(内量子效率)是指吸收多少光子产生多少电子的比率，即在电池中被吸收的每个光子产生的电子空穴对或少数载流子的数目。能量转换效率是输入多少的光能够产生多少电能的比率数。由于入射的光子不一定都被吸收，产生的电子不一定都产生电能，因此一般而言，内量子效率最高，而能量转换效率最低，但它们都是可以测量或计算的

31、。在太阳能电池中，只有那些能量大于其材料禁带宽度的光子才能在被吸收时产生电子一空穴对，而那些能量小于禁带宽度的光子即使被吸收也不能产生电子一空穴对(它们只是使材料变热)。这就是说，材料对光的吸收存在一个截止频率(长波限)。并且当禁带宽度增加时，被材料吸收的总太阳能就越来越少。对太阳辐射光线来说，能得到最好工作性能的半导体材料，其截止波长应在0.8um以上，包括从红色到紫色全部可见光。每种太阳能电池对太阳光线都有其自己的光谱响应曲线，它表示电池对不同波长的光的灵敏度(光电转换能力)。太阳能电池的光谱响应特性在很大程度上依赖于太阳能电池的设计、结构、材料的特性、结的深度和光学涂层。使用滤光膜和玻璃

32、盖片可以进一步改善光谱响应。太阳能电池的光谱响应随着温度和辐照度损失而变化。3.2.4.2温度特性太阳能电池的开路电压Voc。随着温度的上升而下降，大体上温度每上升1，电压下降2-2.3mV;短路电流Isc。则随着温度的上升而微微地上升;电池的输出功率P则随着温度的上升而下降，每升高1，约损失0.35%0.45%。温度对太阳能电池的影响:载流子的扩散系数随温度的增高而增大，所以少数载流子的扩散长度也随着温度的升高稍有增大，因此，光生电流也随着温度的升高有所提高。但是I随温度的升高指数增大，而Voc随温度的升高急剧下降。当温度升高时，I-U曲线形状改变，填充因子下降，故转换效率随温度的增加而降低

33、。效率随着照度的上升而上升，因此可以通过提高电池单位面积上的照度来提高电池效率，即使用聚光技术。效率又随着温度的上升而下降，即太阳能电池转换率具有负的温度系数。所以在应用时，如果使用聚光器，则聚光器的聚光倍数不能过大，以免造成结温过高使电池转换率下降甚至损害电池，此外，在聚光电池系统中应加有相应的电池冷却装置。3.2.5影响太阳能电池转换效率的因素前面所叙述的太阳能电池转换效率的理论值都是在理想状况下得到的。而太阳能电池在光电转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比理论极限效率要低。以PN结硅电池为例，下面我们来分析影响太阳能电池转换效率的主要因素。（1）光生电流的光学损失太阳能电池

34、的效率损失中，有三种是属于光学损失，其主要影响是降低了光生电流值。反射损失就是从空气(或真空)入射到半导体材料的光的反射。以硅为例，在工作范围内的太阳能光谱中，超过30%的光能被裸露的硅表面反射掉了，因而硅电池表面一般会涂上减反射膜SiN。栅指电极遮光损失就是定义为栅指电极遮光面积在太阳能总面积中所占的百分比。对一般电池来说，c约为415%。透射损失就是如果电池厚度不足够大，某些能量合适能被吸收的光子可能从电池背面穿出。这决定了半导体材料之最小厚度。间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。（2）光生载流子的收集效率由于材料的缺陷等原因，所产生的电子及空穴等载流子发生再结合作用，使部分载流子

35、消失掉。光照射PN结激发出来的电子一空穴对不一定会全部被PN结的自建电场所分离。我们把受激产生的电子一空穴对数目与被PN结势垒所分离的电子一空穴对数目之比叫做收集效率。半导体中电场产生的偏移效应和电荷浓度梯度产生的扩散效应导致电子-空穴的移动。过剩载流子是超过热平衡状态存在的载流子，通常在某个时间常数下，具有返回平衡状态的倾向。人们把这个时间常数叫做过剩载流子寿命。因此，在电子一空穴对从产生的地方分别向PN两层移动所需要的时间比过剩载流子寿命还要长的情况下，电荷将不会被PN结势垒所分离，对光生电压的产生没有贡献。这样，收集效率就由过剩载流子的寿命和PN结的位置来决定。（3）影响开路电压的实际因

36、素决定开路电压大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短，也就越低。体复合和表面复合都很重要。在衬底中，影响非平衡少子总复合率的三种复合机理是:复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合。总复合率主要取决于三种复合中复合率最大的一个。对于高质量的单晶硅，当掺杂浓度高于时，则俄歇复合产生影响，使少子寿命降低。通常，电池表面还存在表面复合，也会降低值。（4）辐射效应应用在卫星上的太阳能电池受到太空中高能离子辐射，产生缺陷，使电池输出功率下降，影响其使用寿命。（5）电极接触不良或设计不合理使串联电阻增加，不能有效地收集载流子。3.2.6提高太阳能电池转换效率的各种技术根据影响太阳

37、能电池转换效率的因素，研究总结了相应的几种提高其转换效率的方法，见表2。表2太阳能损失原因及防止技术（1）减少反射损失技术为了减少太阳光的反射损失，一般采用下面两种技术:采用减反射膜。常用减反射膜有含氧量为1-2的硅氧化物()与钦氧化物()等。单独采用一层反射膜效果不好，为此，大多采用二层减反射膜，如由TiO2和MgF2所组成的减反射膜或由和SiO2所组成的减反射膜等。经减反射处理过的太阳膜或由和SiO2所组成的减反射膜等。经减反射处理过的太阳能电池表面，有很好的减反射效果。采用凹凸结构。如表面用腐蚀等方法处理成具有很多金字塔型的绒面状结构或具有倒金字塔型的沟槽结构，或具有V型的沟槽结构。把太

38、阳表面处理成凹凸结构时的光的入射路径示于图2.11。由该图可见，各种方向入射的太阳光经过多次反射后都能进入到太阳能电池中去，从而增加入射的太阳光量。采用这种结构，其光反射损失有的甚至可减到5%左右。未经过处理的光滑硅表面，反射率一般高达30%左右8。（2）减少载流子损失技术减少载流子损失，主要是防止载流子的再结合损失。通常采用以下三种方法:加一层钝化层;控制杂质浓度;在底层上加一个背面电场。加有钝化层、杂质控制层、背面电场的高效太阳能电池的结构中钝化层可以使电池表面的缺陷结构钝化，从而减少载流子的再结合中心。电池底层上采用高浓度掺杂法形成一背面电场，可加速载流子的输运过程，减少载流子的再结合。

39、背面电场电池指在基区底部即电池背面附近，具有基体杂质浓度梯度的太阳能电池。杂质浓度梯度可以通过蒸铝烧结或硼扩散的方法建立。目前高效率电池一般都具有背面电场。图4太阳能电池的结构以及减反射原理（3）减少光透射损失在太阳能电池中，波长较长的入射光一般都能透射到电池的深层底电极，要充分利用这种长波长的光，最好在底电极处再加一层反射率高的金属层。用ITO作底电极上的反射层，效果很好。过去常规电池使用的铝电极是用ITO胶烧结法制成的。这时可形成铝的扩散层，这种铝扩散对提高太阳能电池转换效率很有利，在保留原铝扩散层的条件下去掉合金层，换成ITO电极层，结果它不仅能起电极作用，还能起反射层的作用，使转换效率

40、在原来的基础上又提高了0.2%。（4）减少串联电阻损失合理设计和精细制作电极是减少电池内部电阻、提高太阳能电池转换效率的另一个有效途径。一般认为电池表面所占的面积越小，太阳光利用率越高。但电极的表面积越小，电极内部的电阻越大，使电池的转换效率反而降低。过去认为电池表面的电流密度是均匀的，所以单纯从电阻与转换效率的关系中优化电极形状，没有考虑到太阳能电池表面的电流密度大小与电极形状之间的关系。夏普公司采用计算机模拟方法求出了电极表面上的电流密度分布，发现电池表面各处的电流密度分布是不均匀的。为此根据其电流密度分布，设计了有利于收集载流子的电极形状，并采用激光加工技术，使电极面积细微化，既增加入射

41、光面积，又提高载流子收集效率，并使电池转换效率在原有的基础上进一步提高。（5）多层结构太阳能电池把多个具有不同光谱灵敏度特性的太阳能电池堆集起来所组成的太阳能电池叫作多层结构太阳能电池。这种太阳能电池，把禁带宽度宽的材料所制成的太阳能电池放在入射光的一侧，先让它吸收短波长的光，然后再制成用禁带宽度较窄的材料所组成的太阳能电池，让它吸收由前半部透射出来的长波长的光，这样可以充分地利用入射太阳光，提高其转换效率。多层结构太阳能电池能更有效地利用各种波长的太阳光，从而提高电池转换效率。目前面积为0.25cm2的三层结构无定形硅太阳能电池效率已达到13%，面积为100 cm2的电池效率已达到10.1%

42、。多层结构太阳能电池，除了上述的无定形硅太阳能电池以外，还有由单晶硅和无定形硅或由单晶硅和砷化稼太阳能电池所组成的多层结构太阳能电池，其实验室最高转换效率已达到35%。（6）充电连接方法的改进传统的充电连接方法把太阳能电池与蓄电池全部串联起来如图5所示。而改进后的连接方法上把太阳能电池及蓄电池分成若干个小组，先串联各个小组后再并联，改进后的这种联接方法的好处是可降低充电回路的内阻，提高充电效率如图6所示。 图5传统充电连接方法 图6 改进的充电连接方法提高太阳能电池转换效率的技术很多。除上述五种方法外，还可通过提高原材料的纯度和质量，或采用聚光等方法。但无论哪种技术，若单独采用，所提高的转换效

43、率幅度都是很有限的。所以要想较大幅度地提高太阳能电池的转换效率，必须同时采用多种技术。3.3􀀁中国光伏产业发展 中国大陆地区自2001 年以来的太阳能电池生产情况、光伏年装机容量 8, 10, 12 及年增长率。2007 年以来, 中国太阳能电池年生产量连续4 年保持全球第一, 2010 年中国尚德和晶澳公司均超过美国First Solar 公司成为全球并列第一的电池厂商。另一方面, 中国光伏市场发展相对滞后和缓慢, 2007 年新增光伏装机容量约为20 MW,仅为当年太阳电池生产量的1. 84% , 98% 以上电池出口。截止2007 年底, 我国光伏累计装机容量100 M

44、W, 仅占全球累计安装量的1% 左右, 与中国能源和环境的可持续发展不协调 。此后, 国家出台一系列配套政策和法规鼓励太阳能光伏发电的应用, 从财政补贴、税收减免、上网电价优惠、技术支持等方面, 推动我国太阳能光伏发电产业快速发展。根据国际能源署和欧洲光伏产业协会的统计, 截止2010 年年底, 中国累计光伏装机容量为893 MW 。根据国家电监会统计, 截止2010 年6 月底, 西北区域并网光伏装机规模最大, 占全国光伏发电并网容量的53. 61%; 华东区域其次, 占全国光伏发电并网容量的27. 97% ; 东北区域目前尚无光伏发电并网装机容量。宁夏并网光伏发电装机规模最大, 占全国总并

45、网光伏发电装机容量的45. 34% 。2011年4月国家能源局下发文件国家能源局关于编制太阳能发电十二五发展规划的有关通知, 在十二五期间全国太阳能装机规模为10 GW。2011 年7月, 国家发展和改革委员会下发文件国家发展改革委关于完善太阳能光伏发电上网电价政策的通知, 全国统一的太阳能光伏发电标杆上网电价( 1. 00 或1. 15 元/ ( kW h) )出台, 这将规范我国太阳能光伏发电价格管理, 极大促进太阳能光伏发电产业健康持续发展。4太阳能电池的应用上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁

46、和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势2。 （1）3-5KW家庭屋顶并网发电系统（2）光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉（3）交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。（4）通讯/通信领域太

47、阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。（5）石油、海洋、气象领域石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等（6）家庭灯具电源如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。（7）光伏电站10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。5包头地区太阳能展望 20世纪太阳能科技发展和太阳能利用实践，为21世纪大规模利用太阳能奠定了坚实基础。近来，世界上一些著名分析预测研究机构、跨国公司、太阳能专家和一些国家政