光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月1、光伏電池的發(fā)展歷史2、光伏電池的工作原理3、光伏電池的性能測試及分類4、光伏電池的發(fā)展前景目錄光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月1839年光伏電池發(fā)展史1883年1954年1974年1990年2000年法國物理學(xué)家Alexandre-EdmondBecquerel發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)美國科學(xué)家Charles制造出第一個(gè)光伏電池貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出硅制光伏電池能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6%Haynos等人利用硅的非等方性蝕刻特性提高光伏電池效率到17%人們開始將光伏電池發(fā)電與民間發(fā)電相結(jié)合世界太陽能電池總產(chǎn)量達(dá)287MW，光伏產(chǎn)業(yè)仍以每年30％以上的增長速度發(fā)展光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏電池的工作原理1、硅原子結(jié)構(gòu)及能帶理論2、光電效應(yīng)理論3、P-N結(jié)理論4、光伏電池原理光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月為什么光伏電池能把光轉(zhuǎn)換成電？在此以光伏電池中使用最多的晶體硅半導(dǎo)體為例來說明它的工作原理。根據(jù)愛因斯坦的光量子理論，光具有粒子性，光子可以看成帶有能量的粒子，光照射到硅晶體表面，形成共價(jià)鍵的價(jià)電子會(huì)被激發(fā)而成為完全自由的電子，電子離開的地方形成一個(gè)空位，即空穴。原理簡介光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)太陽光照射到電池表面時(shí)，首先光子會(huì)通過反射防止膜，然后照射到硅表面，這些光子的能量被轉(zhuǎn)移到N型硅層的導(dǎo)帶電子，使它脫離軌道而產(chǎn)生大量的自由電子。這些電子的移動(dòng)又產(chǎn)生了光電流，也就是在P-N結(jié)上產(chǎn)生電位差。如果用導(dǎo)線將光伏電池與一個(gè)負(fù)載連接起來，形成一個(gè)回路，就會(huì)有電流通過負(fù)載，這就是光伏電池的發(fā)電原理。光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月硅的原子結(jié)構(gòu)及能帶理論硅是地球上儲(chǔ)量第二大元素，硅基電池是目前光伏界研究開發(fā)的重點(diǎn)，硅的原子序數(shù)為14，它的最外層電子軌道上，有4個(gè)電子環(huán)繞原子核運(yùn)行，每個(gè)硅的4個(gè)最外層電子，分別和4個(gè)鄰近的硅原子中的最外層電子兩兩成對，形成共價(jià)鍵。在常溫下，硅具有完整的共價(jià)結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)絕緣體特性；在高溫下，共價(jià)鍵被打破，呈現(xiàn)導(dǎo)電特性。光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試硅原子結(jié)構(gòu)第7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試P型半導(dǎo)體（左）和N型半導(dǎo)體（右）原子結(jié)構(gòu)第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月價(jià)帶：價(jià)電子集中的能量區(qū)域禁帶:位于價(jià)帶的上方，是電子不能進(jìn)入的區(qū)域?qū)В簺]有電子存在的空軌道禁帶寬度：價(jià)帶到導(dǎo)帶的能量寬度當(dāng)照到半導(dǎo)體上光的光子能量大于禁帶寬度時(shí)，價(jià)帶的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，電子離開后留下的空位形成空穴，電子和空穴形成光伏電池的電流。半導(dǎo)體能帶理論光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個(gè)重要而神奇的現(xiàn)象，在光的照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來而形成電流，即光生電。光電效應(yīng)與1887年由德國物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)，而正確的理論解釋由愛因斯坦提出。1905年，愛因斯坦提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，并因此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光電效應(yīng)分為：內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)是被光子激發(fā)的載流子（電子或空穴）仍然在物質(zhì)內(nèi)部，產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的現(xiàn)象。外光電效應(yīng)是被光子激發(fā)的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中電子的現(xiàn)象。光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試光電效應(yīng)第11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試P-N結(jié)理論第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)光照射到P-N結(jié)表面時(shí)，由于內(nèi)建電場的作用，光生電子拉向N區(qū)，光生空穴拉向P區(qū)，相當(dāng)于P-N結(jié)上加上一個(gè)正電壓。如果將P-N結(jié)短路，就會(huì)產(chǎn)生光電流。光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收光子，產(chǎn)生電子空穴對；電子空穴對被內(nèi)建電場分離在P-N結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢；將P-N結(jié)用導(dǎo)線連接起來，形成電流；在光伏電池兩端連接負(fù)載，實(shí)現(xiàn)光能向電能的轉(zhuǎn)換。光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試光伏電池發(fā)電原理第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏電池的結(jié)構(gòu)：以摻雜少量硼原子的P型硅作為基板，然后采用高溫?zé)釘U(kuò)散把濃度略高于硼的磷摻入P型基板內(nèi)，形成P-N結(jié)。在N型硅上裝一層反射防止膜，以有效減少太陽光在硅表面的反射損失。此外，在電池的正面和背面必須接上電極。光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試柵型結(jié)構(gòu)作用：減少接觸電阻，增大光照面積。第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試光伏電池性能測試要提取光伏電池的重要測試參數(shù)，需要進(jìn)行各種電氣測量工作。這些測量通常包含直流電流和電壓、電容以及脈沖I-V。光伏電池等效電路圖第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月PV電池的直流電流-電壓（I-V）測量

光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試I-V圖通常表示太陽能電池產(chǎn)生的電流與電壓的函數(shù)關(guān)系。電池能夠產(chǎn)生的最大功率出現(xiàn)在最大電流和電壓點(diǎn)，曲線下方的面積表示不同電壓下電池能夠產(chǎn)生的最大輸出功率。我們可以利用基本的測量工具（例如安培計(jì)和電壓源），或者集成了電源和測量功能的儀器生成這種I-V曲線圖。

第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試電容測量C-V測量測得的是待測電池的電容與所加載的直流電壓的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)所需測量的電池參數(shù)，我們可以測出電容與直流電壓、頻率、時(shí)間或交流電壓的關(guān)系。電池的電容與器件的面積直接相關(guān)，因此對測量而言具有較大面積的器件將具有較大的電容。短路電流：理想情況下等于光生電流，受溫度、光強(qiáng)、面積的影響，單晶硅光伏電池短路電流34mA左右，多晶硅光伏電池短路電流32mA左右。開路電壓：影響因素包括光強(qiáng)、溫度、材料特性等，晶體硅光伏電池開路電壓約為600mV。第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試電阻率與霍爾電壓的測量脈沖式I-V測量總體效率的測量參數(shù)

能量轉(zhuǎn)換效率最大功率點(diǎn)填充因數(shù)量子效率其它參數(shù)測量第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月最大功率點(diǎn)：其中，與分別為在最大輸出功率時(shí)的電流和電壓能量轉(zhuǎn)化效率：式中，為標(biāo)準(zhǔn)條件下的日照輻射量；為光伏電池的面積。用來制作光伏電池的材料種類是決定能量轉(zhuǎn)化效率的一個(gè)重要因素，目前各種光伏電池的最高轉(zhuǎn)化效率為：單晶硅24.7%，多晶硅19.8%，非晶硅14.5%，砷化鎵25.7%，硒化鎵銦銅18.8%。光伏電池的轉(zhuǎn)換效率最高在30%左右，理論轉(zhuǎn)換效率在帶隙為1.4eV附近達(dá)到最大。光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月填充系數(shù)（FF)：定義光伏電池整體行為的參數(shù)，表達(dá)式：

填充因數(shù)（FF）是將PV電池的I-V特性與理想電池I-V特性進(jìn)行比較的一種方式。理想情況下，它應(yīng)該等于1，但在實(shí)際的PV電池中，它一般是小于1的。要提高能量轉(zhuǎn)換效率，則要同時(shí)增大開率電壓、短路電流（即光電流）及填充系數(shù)（即減少串聯(lián)電阻和漏電流）。光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第21頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月量子效率

量子效率表示當(dāng)光線照射到光伏電池表面時(shí)，有多少比率的光子可以有效的轉(zhuǎn)換為電子-空穴對（及電流）。通常是在不同波長范圍內(nèi)，測量組件在每個(gè)光子能量下的效率。光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試硅光伏電池包括單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池、非晶硅光伏電池。單晶硅光伏電池在實(shí)驗(yàn)室中轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25%，而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅光伏電池轉(zhuǎn)換效率為17%。多晶硅光伏電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%，而規(guī)模生產(chǎn)的多晶硅光伏電池轉(zhuǎn)換效率為16%。（價(jià)格低廉）第22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月按材料分類硅光伏電池敏化納米晶光伏電池有機(jī)化合物光伏電池塑料光伏電池?zé)o機(jī)化合物半導(dǎo)體光伏電池光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試光伏電池的分類第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試按結(jié)構(gòu)分類按品種分類同質(zhì)結(jié)光伏電池異質(zhì)結(jié)光伏電池肖特基光伏電池單晶硅光伏電池多晶硅光伏電池非晶硅光伏電池銅銦錫光伏電池砷化鎵光伏電池聚合物光伏電池第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏電池的應(yīng)用上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽電池應(yīng)用于空間技術(shù)——通信衛(wèi)星供電，上世紀(jì)末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應(yīng)用，在眾多領(lǐng)域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨(dú)立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護(hù)、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標(biāo)、高速公路路標(biāo)等。歐美等先進(jìn)國家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠(yuǎn)地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。光伏電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月用戶光伏電源1.小型電源10-100W不等，用于邊遠(yuǎn)無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機(jī)等

光伏電源光伏逆變器光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

交通領(lǐng)域如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標(biāo)志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月通訊/通信領(lǐng)域太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵GPS供電等。光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月石油、海洋、氣象領(lǐng)域石油管道和水庫閘門陰極保護(hù)太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺(tái)生活及應(yīng)急電源、海洋檢測設(shè)備、氣象/水文觀測設(shè)備等風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星的太陽能電池光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第31頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月海洋氣象監(jiān)測標(biāo)

光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第32頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月家庭燈具電源如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第33頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏電站10KW-50MW獨(dú)立光伏電站、風(fēng)光（柴）互補(bǔ)電站、各種大型停車廠充電站等。光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測試第34頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏發(fā)電在不久的將來將會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但