太陽(yáng)能建筑一體化原理與應(yīng)用第四章太陽(yáng)能光伏發(fā)電4.1半導(dǎo)體與P-N結(jié)基本知識(shí)4.1.1半導(dǎo)體導(dǎo)體是具有大量能夠自由移動(dòng)的帶電粒子，容易傳導(dǎo)電流的物體。一般金屬都是導(dǎo)體。例如，銅的電阻率在10-6Ω?cm左右。絕緣體是極不容易傳導(dǎo)電流的物體，如陶瓷、云母、油脂、橡膠等，例如，石英的電阻率在1016Ω?cm左右。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體兩者之間，其電阻率在10-5~107Ω?cm之間，而且半導(dǎo)體還可以通過(guò)加入少量雜質(zhì)使其電導(dǎo)率在上述范圍內(nèi)變化。足夠純凈的半導(dǎo)體，其電阻率會(huì)隨溫度的上升而急劇下降。晶體結(jié)構(gòu)模型半導(dǎo)體的許多電學(xué)特性可以用一種簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)模型來(lái)解釋：硅的原子序數(shù)是14，所以原子1核外面有14個(gè)電子；其中內(nèi)層的10個(gè)電子被原子核緊密地束縛??；而外層的4個(gè)電子受到原子核的束縛比較小，如果得到足夠的能量，就能使其脫離原子核的束縛而成為自由電子，并同時(shí)在原來(lái)位置留出一個(gè)空穴。電子帶負(fù)電；空穴帶正電。硅原子核外層的這4個(gè)電子又稱為價(jià)電子。硅原子示意圖如圖所示。4.1.2能級(jí)與能帶孤立原子中的電子占據(jù)非常固定的一組分離的能級(jí)但晶體中的情況就不同，當(dāng)孤立原子相互靠近，在規(guī)則整齊排列的晶體中，由于各原子的核外電子相互作用，本來(lái)在孤立原子狀態(tài)是分離的能級(jí)就要擴(kuò)展，相互疊加，變成如圖4-3所示的帶狀，這就是能帶。價(jià)帶未填滿電子的最外殼層中的電子數(shù)，決定這一元素的化學(xué)性質(zhì)，這些電子稱為價(jià)電子。價(jià)電子所處的基態(tài)能級(jí)叫作價(jià)級(jí)。價(jià)電子共有化運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)能帶，使其處于價(jià)級(jí)分裂后的這些能級(jí)上，價(jià)電子這樣的能帶，叫做價(jià)帶。價(jià)帶的寬度約為幾個(gè)電子伏特(eV)。如果價(jià)帶中所有的能級(jí)都按泡里不相容原理填滿了電子，則成為滿帶。禁帶寬度價(jià)電子經(jīng)激發(fā)后，可以躍遷到價(jià)級(jí)以上的空能級(jí)中去，這些空能級(jí)稱作激發(fā)能級(jí)。激發(fā)能級(jí)也同樣分裂成為能帶。一般地講，激發(fā)能帶中沒(méi)有電子，常稱做空帶。但是價(jià)電子有可能經(jīng)激發(fā)后，躍遷到空帶中而參與導(dǎo)電，所以空帶也稱之導(dǎo)帶或自由帶。在兩個(gè)相鄰的能帶之間(一般指價(jià)帶與導(dǎo)帶之間)，可能有一個(gè)不被允許的能量間隔(此間不存在能級(jí))，這個(gè)間隔稱為禁帶，其能量值之差稱為禁帶寬度、帶隙或者能隙。禁帶寬度是非常重要的一個(gè)參數(shù)，對(duì)半導(dǎo)體的電性能有重要影響。導(dǎo)電現(xiàn)象的微觀解釋半導(dǎo)體的禁帶寬度一般比較窄,Eg約為0.1~2eV。絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)相似，不過(guò)絕緣體的禁帶寬度較半導(dǎo)體禁帶寬度寬的多，一般Eg約為3~10eV。在金屬導(dǎo)體中，可能有兩種情況：一種是導(dǎo)帶的下面部分能級(jí)與價(jià)帶的上面部分能級(jí)相互疊合，因而沒(méi)有禁帶；另一種是在單價(jià)金屬中，價(jià)帶中只有一部分能級(jí)占有電子，因此即使價(jià)帶與導(dǎo)帶并不疊合,也能導(dǎo)電。半導(dǎo)體的導(dǎo)電在半導(dǎo)體中，一旦從外部獲得能量，共價(jià)鍵被破壞后，電子將從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留出電子的一個(gè)空位。這種空位可由價(jià)帶中相鄰鍵上的電子來(lái)占據(jù)，而這個(gè)電子移動(dòng)所留下的新的空位又可以由其他電子來(lái)填補(bǔ)，也可看成空位在依次移動(dòng)，等效于在價(jià)帶中帶正電荷的粒子朝著與電子運(yùn)動(dòng)相反的方向移動(dòng)，稱為空穴。在半導(dǎo)體中，空穴和導(dǎo)帶中的自由電子一樣成為導(dǎo)電的帶電粒子（載流子）。電子和空穴在外電場(chǎng)作用下，朝相反的方向運(yùn)動(dòng)。由于所帶電荷符號(hào)相反，故電流方向相同，對(duì)電導(dǎo)率起疊加作用。4.1.3本征半導(dǎo)體與摻雜半導(dǎo)體晶格完整且不含有雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。非常純的硅是本征半導(dǎo)體。本征導(dǎo)電：具有電子在導(dǎo)帶中和空穴在滿帶中相互并存的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)，稱為本征導(dǎo)電；如硅、鍺、碲等都可以是這一類半導(dǎo)體。摻雜半導(dǎo)體：根據(jù)需要可以在純凈半導(dǎo)體晶體點(diǎn)陣?yán)?，用擴(kuò)散等方法滲入微量的其他元素。所摻入的元素，對(duì)半導(dǎo)體基體而言，稱作雜質(zhì)。有雜質(zhì)的半導(dǎo)體，稱為摻雜半導(dǎo)體。4.1.4N型和P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體：一個(gè)摻入5價(jià)雜質(zhì)的4價(jià)半導(dǎo)體，就成了電子導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體，也稱為N型半導(dǎo)體。例如：如果在純凈的硅晶體中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)磷，由于磷的原子數(shù)目比硅原子少得多，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)基本不變，只是某些位置上的硅原子被磷原子取代。由于磷原子具有5個(gè)價(jià)電子，所以1個(gè)磷原子與相鄰的4個(gè)硅原子結(jié)成共價(jià)鍵后，還多余1個(gè)價(jià)電子，這個(gè)價(jià)電子沒(méi)有被束縛在共價(jià)鍵中，所以它受到的束縛力要小得多，很容易掙脫磷原子核的吸引而變成自由電子，從而使得硅晶體中的電子載流子數(shù)目大大增加4.1.4N型和P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體：摻入3價(jià)雜質(zhì)的4價(jià)半導(dǎo)體，也稱為P型半導(dǎo)體。例如：如果在純凈的硅晶體中摻入能夠俘獲電子的3價(jià)雜質(zhì)，如硼，這些3價(jià)雜質(zhì)原子的最外層只有3個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它與相鄰的硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，還缺少1個(gè)價(jià)電子，因而在一個(gè)共價(jià)鍵上要出現(xiàn)一個(gè)空穴，這個(gè)空穴可以接受外來(lái)電子的填補(bǔ)。而附近硅原子的共價(jià)電子在熱激發(fā)下，很容易轉(zhuǎn)移到這個(gè)位置上來(lái)，于是在那個(gè)硅原子的共價(jià)鍵上就出現(xiàn)了一個(gè)空穴，硼原子接受一個(gè)價(jià)電子后也形成帶負(fù)電的硼離子。這樣，每一個(gè)硼原子都能接受一個(gè)價(jià)電子，同時(shí)在附近產(chǎn)生一個(gè)空穴，從而使得硅晶體中的空穴載流子數(shù)目大大增加。4.1.5P-N結(jié)P-N結(jié)：如果將P型和N型半導(dǎo)體兩者緊密結(jié)合，連成一體，導(dǎo)電類型相反的兩塊半導(dǎo)體之間的過(guò)渡區(qū)域，稱為P-N結(jié)。多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)如果將P型和N型半導(dǎo)體兩者緊密結(jié)合，連成一體，導(dǎo)電類型相反的兩塊半導(dǎo)體之間的過(guò)渡區(qū)域，稱為P-N結(jié)。在P-N結(jié)兩邊，P區(qū)內(nèi)，空穴很多，電子很少；而在N區(qū)內(nèi)，則電子很多，空穴很少。因此，在P型和N型半導(dǎo)體交界面的兩邊，電子和空穴的濃度不相等，因此會(huì)產(chǎn)生多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。P-N結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)如圖所示。在P-N結(jié)內(nèi)，由于兩邊分別積聚了正電荷和負(fù)電荷，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由N區(qū)指向P區(qū)的反向電場(chǎng)，稱為內(nèi)建電場(chǎng)（或勢(shì)壘電場(chǎng)）。P-N結(jié)2.少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)由于內(nèi)建電場(chǎng)的存在，就有一個(gè)對(duì)電荷的作用力，電場(chǎng)會(huì)推動(dòng)正電荷順著電場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng)，而阻止其逆著電場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，電場(chǎng)會(huì)吸引負(fù)電荷逆著電場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng)，而阻止其順著電場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)。因此，當(dāng)P區(qū)中的空穴企圖繼續(xù)向N區(qū)擴(kuò)散而通過(guò)空間電荷區(qū)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)相反，因而受到內(nèi)建電場(chǎng)的阻力，甚至被拉回P區(qū)中：同樣N區(qū)中的電子企圖繼續(xù)向P區(qū)擴(kuò)散而通過(guò)空間電荷區(qū)時(shí)，也會(huì)受到內(nèi)建電場(chǎng)的阻力，甚至被拉回N區(qū)中。漂移運(yùn)動(dòng)總之，內(nèi)建電場(chǎng)的存在阻礙了多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。但是對(duì)于P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴，卻可以在內(nèi)建電場(chǎng)的推動(dòng)下向P-N結(jié)的另一邊運(yùn)動(dòng)，這種少數(shù)載流子在內(nèi)建電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方向與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反。4.2光伏電池的原理和特性4.2.1光生伏特效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)（原子把電子打出金屬的現(xiàn)象是外光電效應(yīng)）：當(dāng)半導(dǎo)體的表面受到太陽(yáng)光照射時(shí)，如果其中有些光子的能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度，就能使電子掙脫原子核的束縛，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)。半導(dǎo)體材料就是依靠?jī)?nèi)光電效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)化為電能的，因此實(shí)現(xiàn)內(nèi)光電效應(yīng)的條件是所吸收的光子能量要大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，即4.2光伏電池得原理和特性

4.2光伏電池的原理和特性對(duì)于光伏電池而言，禁帶寬度有著舉足輕重的影響，禁帶寬度越大，可供利用的太陽(yáng)能就越少，每種光伏電池對(duì)所吸收光的波長(zhǎng)都有一定的限制。根據(jù)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，可算出相應(yīng)的本征吸收波長(zhǎng)限。一些常用的光伏材料物理參數(shù)如表。材料晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)nm熱脹系數(shù)10-4/℃禁帶寬度eV能帶D0.59312.331.11間接1.1178D0.56585.750.66間接1.88ZB0.47701.45直接0.8557ZB0.56545.81.43直接0.86774.2光伏電池的原理和特性通過(guò)下圖可以更直觀地看出常用半導(dǎo)體材料可吸收的波長(zhǎng)范圍。4.2光伏電池的原理和特性光生伏特效應(yīng)1.照到光伏電池上的太陽(yáng)光，一部分被光伏電池表面反射掉，另一部分被光伏電池吸收，還有少量透過(guò)光伏電池。2.在被光伏電池吸收的光子中，那些能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子，可以使半導(dǎo)體中原子的價(jià)電子受到激發(fā)，在P區(qū)、空間電荷區(qū)和N區(qū)都會(huì)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，也稱光生載流子。這樣形成的電子-空穴對(duì)由于熱運(yùn)動(dòng)向各個(gè)方向遷移。3.光生電子-空穴對(duì)在空間電荷區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場(chǎng)分離，光生電子被推進(jìn)N區(qū)，光生空穴被推進(jìn)P區(qū)。在空間電荷區(qū)邊界處總的載流子濃度近似為0。光生伏特效應(yīng)4.在N區(qū)，光生電子-空穴產(chǎn)生后，光生空穴便向P-N結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá)P-N結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場(chǎng)的作用，在電場(chǎng)力作用下做漂移運(yùn)動(dòng)，越過(guò)空間電荷區(qū)進(jìn)入P區(qū)，而光生電子（多數(shù)載流子）則被留在N區(qū)。5.P區(qū)中的光生電子也會(huì)向P-N結(jié)邊界擴(kuò)散，并在到達(dá)P-N結(jié)邊界后，同樣由于受到內(nèi)建電場(chǎng)的作用而在電場(chǎng)力作用下做漂移運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入N區(qū)，而光生空穴（多數(shù)載流子）則被留在P區(qū)。6.因此在P-N結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生了正、負(fù)電荷的積累，形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)除了一部分抵消內(nèi)建電場(chǎng)以外，還使P型層帶正電，N型層帶負(fù)電，因此產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)，這就是“光生伏特效應(yīng)”（簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)）。如圖所示。4.2光伏電池的原理和特性4.2.2晶體硅光伏電池的結(jié)構(gòu)晶體硅太陽(yáng)能電池本質(zhì)上就是一個(gè)大面積的二極管，由pn結(jié)、鈍化膜、金屬電極組成。在n型襯底上摻雜硼源，p型襯底上摻雜磷源，分別形成p+或n+型發(fā)射極，并與硅襯底形成pn結(jié)，該pn結(jié)形成內(nèi)建電場(chǎng)，將光照下產(chǎn)生的光生載流子(電子-空穴對(duì))進(jìn)行分離，分別被正面和背面的金屬電極收集。4.2光伏電池的原理和特性4.2.2晶體硅光伏電池的結(jié)構(gòu)下圖是常規(guī)晶體硅大陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖，從上到下依次為正面柵線電極、正面減反膜SiNx、pn結(jié)、硅襯底、背表面場(chǎng)(backsurfacefield，BSF)以及背面金屬電極。4.2光伏電池的原理和特性4.2.3光伏電池等效電路如果在受到光照的光伏電池正、負(fù)極兩端接上一個(gè)負(fù)載電阻R，光伏電池就處在工作狀態(tài)，其等效電路如圖所示。它相當(dāng)于一個(gè)電流為Iph的恒流源與一只正向二極管并聯(lián)，流過(guò)二極管的正向電流在光伏電池中稱為暗電流ID。從負(fù)載R兩端可以測(cè)得產(chǎn)生暗電流的正向電壓V，流過(guò)負(fù)載的電流為I，這是理想光伏電池的等效電路。4.2光伏電池的原理和特性實(shí)際使用的光伏電池由于本身還存在電阻，其等效電路如圖所示。Rsh稱為旁路電阻，主要由以下幾種因素形成：1.表面沾污而產(chǎn)生的沿著電池邊緣的表面漏電流；2.沿著位錯(cuò)和晶粒間界的不規(guī)則擴(kuò)散或者在電極金屬化處理之后，沿著微觀裂縫、晶粒間界和晶體缺陷等形成的細(xì)小橋路而產(chǎn)生的漏電流。4.2光伏電池的原理和特性Rs稱為串聯(lián)電阻，由擴(kuò)散頂區(qū)的表面電阻、電池的體電阻和正、背電極與光伏電池之間的歐姆電阻及金屬導(dǎo)體的電阻所構(gòu)成。4.2光伏電池的原理和特性4.2.4光伏電池的主要技術(shù)參數(shù)1.伏安特性曲線當(dāng)負(fù)載R從0變到無(wú)窮大時(shí)，負(fù)載R兩端的電壓V和流過(guò)的電流I之間的關(guān)系曲線即為光伏電池的負(fù)載特性曲線，通常稱為光伏電池的伏-安特性曲線，以前也按習(xí)慣稱為I-V特性曲線。4.2光伏電池的原理和特性2.最大功率點(diǎn)調(diào)節(jié)負(fù)載電阻RL到某一值Rm時(shí)，在曲線上得到一點(diǎn)M，對(duì)應(yīng)的工作電流Im和工作電壓Vm的乘積為最大，即Pm=ImVm=Pmax，則稱M點(diǎn)為該光伏電池的最佳工作點(diǎn)（或最大功率點(diǎn)）Im為最佳工作電流，Vm為最佳負(fù)載電壓，Rm為最佳負(fù)載電阻，Pm為最大輸出功率。4.2光伏電池的原理和特性3.開路電壓在一定的溫度和輻照度條件下，光伏電池在空載（開路）情況下的端電壓，也就是伏安特性曲線與橫坐標(biāo)相交的一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓，通常用Voc來(lái)表示。對(duì)于一般的光伏電池可近似認(rèn)為接近于理想的光伏電池，即認(rèn)為光伏電池的串聯(lián)電阻等于零，旁路電阻為無(wú)窮大。當(dāng)開路時(shí)，I=0，電壓V即為開路電壓-Voc，由式可知：4.2光伏電池的原理和特性4.短路電壓在一定的溫度和輻照度條件下，光伏電池在端電壓為零時(shí)的輸出電流，也就是伏-安特性曲線與縱坐標(biāo)相交的一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流通常用Isc來(lái)表示。由式可知，當(dāng)V=0時(shí)，Isc=Iph,光伏電池的短路電流Isc與光伏電池的面積有關(guān)，面積越大，Isc越大。一般的晶硅光伏電池Isc值約為35~38mA。4.2光伏電池的原理和特性5.填充因子（曲線因子）填充因子是表征光伏電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，其定義為光伏電池的最大功率與開路電壓和短路電流的乘積之比，通常用FF（或CF）來(lái)表示：光伏電池的串聯(lián)電阻越小，旁路電阻越大，則填充因子越大，該電池的伏安特性曲線所包圍的面積也越大，這就意味著該光伏電池的最大輸出功率越接近于所能達(dá)到的極限輸出功率，因此性能越好。4.2光伏電池的原理和特性6.光伏電池的轉(zhuǎn)換效率

光伏電池的輸出功率與入射到該光伏電池上的全部輻射功率的百分比稱為光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。其中，Vm和Im分別為輸出功率點(diǎn)的電壓和電流，At為包括柵線面積在內(nèi)的光伏電池總面積（也稱全面積）；Pin為單位面積入射光的功率。4.2光伏電池的原理和特性

4.2光伏電池的原理和特性

4.2光伏電池的原理和特性

4.2.5晶體硅光伏電池效率損失機(jī)制造成太陽(yáng)能電池效率損失的原因主要有：1）能量小于電池吸收層禁帶寬度的光子不能激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。2）能量大于電池吸收層帶寬度的光子被吸收，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)分別被激發(fā)到導(dǎo)帶和價(jià)帶的高能態(tài)，多余的能量以聲子形式釋放，高能態(tài)的電子-空穴又回落到導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂，導(dǎo)致能量的損失。3）光生載流子在P-N結(jié)內(nèi)分離和輸運(yùn)時(shí)，會(huì)發(fā)生復(fù)合損失。4）半導(dǎo)體材料與金屬電極接觸處的非歐姆接觸引起電壓降損失。5）光生載流子輸運(yùn)過(guò)程中由于材料缺陷、界面缺陷等導(dǎo)致的復(fù)合損失。總的來(lái)說(shuō)，可分為兩大類，即光學(xué)損失和電學(xué)損失。4.2光伏電池的原理和特性4.2.5晶體硅光伏電池效率損失機(jī)制單結(jié)晶體硅太陽(yáng)能電池的能量損失圖見圖（①為低能光子損失；②為熱弛豫損失；③、④為接觸電壓損失；⑤為載流子對(duì)的復(fù)合損失）4.2光伏電池的原理和特性造成太陽(yáng)能電池效率損失的原因總的來(lái)說(shuō)，可分為兩大類，即光學(xué)損失和電學(xué)損失。1．光學(xué)損失晶體硅是光學(xué)帶隙（禁帶寬度）為1.12eV的間接帶隙半導(dǎo)體材料。對(duì)晶體硅太陽(yáng)能電池而言，太陽(yáng)光中低于1.12eV能量的長(zhǎng)波段光子能量太低，不足以提供足夠的能量來(lái)產(chǎn)生自由載流子。這部分光子占比大約30%，電池?zé)o法利用。而短波的光子能量高，激發(fā)一個(gè)電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶只需1.12eV的能量，多余的光子能量又無(wú)法利用，在晶格弛豫中以熱量形式散發(fā)出來(lái)。4.2光伏電池的原理和特性如圖所示，只有圖中紅色部分的太陽(yáng)光，才能被晶體硅太陽(yáng)能電池充分利用。在AM1.5G光譜中，權(quán)重最大的是400~800nm的可見光，其次是800~1116nm的近紅外線，權(quán)重最低的是波長(zhǎng)400nm以下的紫外線。4.2光伏電池的原理和特性光學(xué)損失的另一方面還來(lái)自晶體硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和工藝。首先對(duì)于晶體硅而言，硅折射率在3.8左右，空氣折射率略大于1，兩者差值很大。當(dāng)太陽(yáng)光照射在晶體硅表面時(shí)，由于折射率的差異，會(huì)導(dǎo)致入射光中很大一部分（30%~40%）光被反射出去。其次，晶體硅是間接帶隙半導(dǎo)體材料，光吸收系數(shù)相對(duì)較低。長(zhǎng)波長(zhǎng)的光入射進(jìn)硅片不能被充分吸收，導(dǎo)致部分光從電池背面透出。最后，晶體硅太陽(yáng)能電池的正面金屬柵線會(huì)遮擋入射光。這些都導(dǎo)致了電池的光學(xué)損失。4.2光伏電池的原理和特性2.電學(xué)損失（1）復(fù)合損失半導(dǎo)體內(nèi)的缺陷和雜質(zhì)能夠俘獲載流子，增大載流子的復(fù)合概率。復(fù)合陷阱濃度越高，陷阱能級(jí)越靠近禁帶的中央，陷阱的俘獲截面積就越大，載流子的運(yùn)動(dòng)速度越快，被陷阱俘獲的數(shù)量就會(huì)越多，從而陷阱輔助復(fù)合的速率越大，載流子壽命越短。硅片體內(nèi)由于存在摻雜、雜質(zhì)、缺陷等因素，光生少數(shù)載流子在硅片內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，很容易被復(fù)合掉。4.2光伏電池的原理和特性另外，半導(dǎo)體材料表面高濃度的缺陷，電子和空穴會(huì)通過(guò)表面這些缺陷復(fù)合，稱為表面復(fù)合或者界面復(fù)合。復(fù)合損失主要有輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合、SRH復(fù)合（Shockley-Read-Hall，非平衡載流子復(fù)合）和表面復(fù)合，如圖所示。4.2光伏電池的原理和特性3.電阻損失太陽(yáng)能電池實(shí)際工作中，還會(huì)遇到串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh等寄生電阻的問(wèn)題。Rs源于大面積太陽(yáng)能電池電流流向上的電阻和金屬柵線等的接觸電阻；并聯(lián)電阻Rsh是來(lái)自P-N結(jié)結(jié)構(gòu)和制備過(guò)程中的工藝。電阻損失包括串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻兩大部分。4.2光伏電池的原理和特性

4.2光伏電池的原理和特性為了降低太陽(yáng)能電池效率損失，需從降低光學(xué)損失及降低電學(xué)損失兩方面著手，如前表面低折射率的減反射膜、前表面絨面結(jié)構(gòu)、背部高反射等陷光結(jié)構(gòu)及技術(shù)降低光學(xué)損失，同時(shí)優(yōu)先選擇優(yōu)良硅基材料，優(yōu)化發(fā)射極、新型鈍化材料與技術(shù)及金屬接觸技術(shù)等，減少載流子的復(fù)合，從而提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率。4.3光伏電池產(chǎn)品與光伏組件光伏電池種類很多。按基體材料分有硅基光伏電池和化合物光伏電池。晶體硅光伏電池是以晶體硅為基體材料的光伏電池，包括單晶硅電池、多晶硅電池及準(zhǔn)單晶硅電池等4.3.1硅基光伏電池1.硅基光伏電池的主要種類晶體硅材料是間接帶隙半導(dǎo)體材料，它的帶隙寬度為1.12eV，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，硅并不是最理想的光伏電池材料。但是，硅是地殼表層除了氧以外豐度排在第二位的元素，本身無(wú)毒，主要是以沙子和石英狀態(tài)存在，易于開采提煉，特別是借助于半導(dǎo)體器件工業(yè)的發(fā)展，晶體硅生長(zhǎng)、加工技術(shù)日益成熟，因此晶體硅成了光伏電池的主要材料。晶體硅光伏電池是以晶體硅為基體材料的光伏電池，包括單晶硅電池、多晶硅電池及準(zhǔn)單晶硅電池等。單晶、多晶和非晶所有的晶體都是由原子、離子或分子在三維空間有規(guī)則排列而成的。這種對(duì)稱的、有規(guī)則的排列叫做晶體的點(diǎn)陣或晶體格子，簡(jiǎn)稱晶格。最小的晶格稱為晶胞，晶胞的各向長(zhǎng)度稱為晶格常數(shù)。單晶：一塊晶體如果從頭至尾都按同一種排列重復(fù)稱為單晶。多晶：由許多微小單晶顆粒雜亂地排列在一起的固體稱為多晶。無(wú)定形：近程有序而遠(yuǎn)程無(wú)序排列的非晶體稱為無(wú)定形。單晶、多晶、非晶圖片示意圖：光伏電池外觀：?jiǎn)尉Ч桦姵?、多晶硅電池及?zhǔn)單晶硅電池比較特征與性能比較名稱結(jié)構(gòu)性能效率單晶硅光伏電池（m-Si）采用單晶硅片制造的光伏電池單晶硅光伏電池的性能穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率高商品電池效率已達(dá)19.5%~23%多晶硅光伏電池（p-Si）由多個(gè)不同大小、不同取向的晶粒構(gòu)成多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率要比單晶硅電池低多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到18.5%-20.5%沒(méi)有完整的晶胞和由晶胞組成的晶體非晶硅光伏電池效率比較低，微晶硅電池的最高效率已經(jīng)達(dá)到10%以上以非晶硅（Eg=1.7eV）為頂層、微晶硅（Eg=1.1eV）為底層的（a-Si/c-Si）疊層光伏電池，其轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過(guò)14%2.晶硅光伏電池主要技術(shù)（1）P型電池：PERC曾占據(jù)主流，接近轉(zhuǎn)化效率極限PERC太陽(yáng)能電池（PassivatedEmitterRearCell，發(fā)射極及背面鈍化電池技術(shù)）正面采用光刻工藝制備“倒金字塔”陷光結(jié)構(gòu)，雙面生長(zhǎng)高質(zhì)量氧化硅層，正面氧化硅層作為減反膜，進(jìn)一步改善正面的陷光效果。背面氧化硅層作為鈍化膜，避免背面金屬電極與硅片全接觸。背面采用光刻工藝對(duì)背面鈍化層進(jìn)行開孔，然后蒸鍍鋁電極。晶硅光伏電池主要技術(shù)（2）N型電池：TOPCon表面鈍化后的n型單晶硅片，少數(shù)載流子壽命可達(dá)1ms以上。但是在金屬和半導(dǎo)體直接接觸區(qū)域，金屬層在接觸界面附近的帶隙內(nèi)引入了巨量的電子態(tài)，導(dǎo)致電池端有超過(guò)50%的載流子復(fù)合損失。TOPCon（TunnelOxidePassivatedContact）——氧化層鈍化接觸，最早在2013年提出。其正面與常規(guī)N型太陽(yáng)能電池或N-PERT太陽(yáng)能電池沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，電池核心技術(shù)是背面鈍化接觸。晶硅光伏電池主要技術(shù)：TOPCon電池背面由一層超薄氧化硅（1~2nm）與一層磷摻雜的微晶非晶混合Si薄膜組成，二者共同形成鈍化接觸結(jié)構(gòu)。該鈍化結(jié)構(gòu)可以使電子隧穿進(jìn)入多晶硅層，電子隧穿的幾率大幅增加，接觸電阻下降；同時(shí)阻擋空穴復(fù)合，提升電池開路電壓及短路電流，從而提升電池轉(zhuǎn)化效率。TOPCon是當(dāng)前提升光伏電池的主流技術(shù)和熱點(diǎn)。（3）N型電池：HJT（異質(zhì)結(jié)）由兩種不同的半導(dǎo)體材料形成的結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)，用異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的光伏電池稱為異質(zhì)結(jié)光伏電池。HJT（HeterojunctionwithIntrinsicThin-film）—本征薄膜異質(zhì)結(jié)電池，具備對(duì)稱雙面電池結(jié)構(gòu)，中間為N型晶體硅，正面依次沉積本征非晶硅薄膜和P型非晶硅薄膜，從而形成P-N結(jié)。背面則依次沉積本征非晶硅薄膜和N型非晶硅薄膜，以形成背表面場(chǎng)。（4）BC技術(shù)常規(guī)晶體硅太陽(yáng)能電池的發(fā)射區(qū)和發(fā)射區(qū)電極都是位于電池的正面，正面電池柵線區(qū)域會(huì)遮擋太陽(yáng)光，阻擋了電池對(duì)太陽(yáng)光的吸收，從而降低了電池轉(zhuǎn)換效率。背接觸電池(backcontactcell)是指發(fā)射區(qū)電極和基區(qū)電極都位于背面的電池。背接觸電池結(jié)構(gòu)一方面將發(fā)射區(qū)電極轉(zhuǎn)移到電池的背面，從而降低或者消除正面柵線的遮光損失，提升電池效率；另一方面在組件封裝時(shí)便于組裝，由于電極全部在背面，可以減小電池片的間距，提高封裝密度，外觀美觀。4.3.2化合物薄膜光伏電池元素半導(dǎo)體僅有鍺、硅、碳、硒、碲五種，其中只有硅是優(yōu)良的太陽(yáng)能電池材料?；衔锇雽?dǎo)體的數(shù)量比元素半導(dǎo)體豐富得多。二元系半導(dǎo)體的帶隙變化范圍大，砷化鎵、銻化鋁、磷化銦、碲化鎘的帶隙與太陽(yáng)光匹配好，制備成同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的理論轉(zhuǎn)換效率高，是很有前景的光伏材料。4.3光伏電池產(chǎn)品與光伏組件三元系半導(dǎo)體能在較大范圍內(nèi)調(diào)制帶隙，形成異質(zhì)結(jié)時(shí)通過(guò)帶隙的調(diào)制，能與太陽(yáng)光有更好的匹配，既擴(kuò)展了光譜響應(yīng)范圍，也有很好的結(jié)特性，在取得高轉(zhuǎn)換效率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。化合物半導(dǎo)體材料多為直接帶隙，光吸收系數(shù)高，僅數(shù)微米就可以制備高效率太陽(yáng)能電池。它們的帶隙一般比較大，做成的太陽(yáng)能電池抗輻射能力高于晶硅電池。1.碲化鎘（CdTe）電池物理性質(zhì)對(duì)應(yīng)特點(diǎn)II-VI族化合物半導(dǎo)體，直接帶隙材料，可見光區(qū)光吸收系數(shù)在104cm-1以上。只需要1μm就可以吸收99%以上（波長(zhǎng)小于826nm）的可見光，厚度只要單晶硅的1/100。制作薄膜電池，吸收層材料的用量少，成本顯著降低。二元化合物，Cd-Te化學(xué)鍵的鍵能高達(dá)5.7eV，而且元素在自然界中是最穩(wěn)定的自然形態(tài)，因此在常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)321℃。在正常使用中CdTe不會(huì)分解擴(kuò)散，且CdTe不溶于水，因此在使用過(guò)程中穩(wěn)定安全。Cd1-xTex合金的相位簡(jiǎn)單，溫度低于320℃時(shí)，單質(zhì)（Cd）與（Te）相后所允許存在的化學(xué)形態(tài)只有固態(tài)CdTe（Cd:Te=1:1）和多余的單質(zhì)，不會(huì)有其他比例的合金形態(tài)存在。產(chǎn)品的均勻性、良品率高，非常適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。真空環(huán)境中溫度高于400℃時(shí)，CdTe固體會(huì)出現(xiàn)升華，直接通過(guò)固體表面形成蒸汽。但是溫度低于400℃，或者環(huán)境氣壓升高時(shí)升華迅速減弱。有利于真空快速薄膜制備，如近空間升華（CSS）、氣相輸運(yùn)（VTD）外，保證了CdTe在生產(chǎn)過(guò)程中的安全性CdTe效率的溫度系數(shù)小、弱光發(fā)電性能好與晶硅電池相比，在相同光照環(huán)境下，平均全年可多發(fā)5%~10%的電能。2.CdTe電池的結(jié)構(gòu)CdTe薄膜電池可采用同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)等多種結(jié)構(gòu)，目前國(guó)際上通用的為

N-CdS/P-CdTe異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，N-CdS與P-CdTe異質(zhì)結(jié)晶格失配及能帶失配較小，可獲得性能較好的太陽(yáng)電池。CdTe薄膜電池結(jié)構(gòu)如圖所示。CdTe電池的結(jié)構(gòu)-2它是在玻璃基板上依次生長(zhǎng)TCO（透明導(dǎo)電氧化物鍍膜，TransparentConductiveOxides）、CdS、CdTe薄膜。Cd2SnO4是高透光、低電阻的TCO，可有效改善電池的透光性及電極接觸，從而提高電池的短路電流及填充因子等性能，但是其成本比傳統(tǒng)的SnO2導(dǎo)電玻璃高。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)與理論研究發(fā)現(xiàn)，CdS是與CdTe搭配最優(yōu)的異質(zhì)結(jié)材料，CdS的常用制備方法有化學(xué)水浴法（CBD）、濺射、高真空氣相沉積（HVE）等。2.銅銦鎵硒（CIGS）光伏電池物理性質(zhì)對(duì)應(yīng)特點(diǎn)直接帶隙的半導(dǎo)體材料，最適合薄膜化。它的光吸收系數(shù)極高，可達(dá)105cm-1，薄膜的厚度可以降低到2μm左右降低電池的低成本CIGS可以在玻璃基板上形成缺陷很少、晶粒巨大的高品質(zhì)結(jié)晶。這種晶粒尺寸是其他多晶薄膜無(wú)法達(dá)到的CIGS是沒(méi)有光致衰退效應(yīng)（SWE）的半導(dǎo)體材料，光照甚至?xí)岣咂滢D(zhuǎn)換效率因此此類太陽(yáng)電池的工作壽命長(zhǎng)CIGS的Na效應(yīng)。對(duì)于Si系半導(dǎo)體，Na等堿金屬元素是要極力避免的，而在CIGS系中，微量的Na會(huì)提高轉(zhuǎn)換效率和成品率。因此使用鈉鈣玻璃作為CIGS的基板，除了成本低、膨脹系數(shù)相近以外，還有Na摻雜的考慮。（2）CIGS薄膜電池的結(jié)構(gòu)吸收層是電池的關(guān)鍵部分，Ga的摻入增加了吸收層的帶隙寬度，提高了開路電壓，同時(shí)通過(guò)控制其摻雜量的變化可形成梯度帶隙，進(jìn)而優(yōu)化與其他膜層的帶隙匹配，有利于光生載流子的順利傳輸。因此CuIn1~xGaxSe發(fā)展為吸收層的主流材料，厚度在1.5-2.0μm范圍內(nèi)。高阻的CdS緩沖層會(huì)增加電池的串聯(lián)電阻，因此不宜過(guò)厚，如今其厚度一般控制在0.05μm左右。而窗口層普遍由薄的本征ZnO層和厚的TCO層組成。3.鈣鈦礦（1）鈣鈦礦太陽(yáng)電池的特點(diǎn)如下表：物理性質(zhì)對(duì)應(yīng)特點(diǎn)CH3NH3PbI3類型的鈣礦材料是直接帶隙材料鈣鈦礦具有很強(qiáng)的吸光能力鈣鈦礦材料具有很高的載流子遷移率光照產(chǎn)生的電荷可以更快的速度移動(dòng)到電極上載流子遷移率近乎完全平衡高光強(qiáng)下的光電轉(zhuǎn)換效率比晶體硅高。鈣鈦礦晶體中的載流子復(fù)合幾乎完全是輻射型復(fù)合鈣鈦礦對(duì)入射的光子有極高的利用率，而且在光照下發(fā)熱量很低鈣鈦礦材料可溶解這樣鈣礦材料就可以配制成溶液，像涂料一樣涂布在玻璃基板上4.砷化鎵（GaAs）光伏電池（1）III-V族化合物太陽(yáng)能電池周期表中III族元素與V族元素形成的化合物簡(jiǎn)稱III-V族化合物，是具有直接能隙的半導(dǎo)體材料，僅2μm厚的材料，就可以在AM1的輻射條件下吸光97%左右，達(dá)到超過(guò)30%以上的轉(zhuǎn)換效率，特別適于在太空衛(wèi)星的能源系統(tǒng)上使用。III-V族化合物太陽(yáng)能電池III族元素與V族元素組合有許多種可能，因而種類繁多，其中最主要的是砷化鎵（GaAs）及其相關(guān)化合物，稱為GaAs基系III-V族化合物，其次是磷化銦（InP）基系III-V族化合物。但近年來(lái)在高效疊層電池的研制中，人們普遍采用三元和四元的III-V族化合物作為各個(gè)子電池材料，如GaInP、AlGaInP、InGaAs、GaInNAs等材料，這就把GaAs和InP兩個(gè)基系的材料結(jié)合在一起了。常見的III-V化合物半導(dǎo)體的性質(zhì)，該族化合物全是閃鋅礦結(jié)構(gòu)，具有n、p兩種導(dǎo)電類型。名稱分子式帶隙/eV名稱分子式帶隙/eV磷化鋁AlP2.45砷化鎵GaAs1.42砷化鋁AlAs2.36銻化鎵GaSb0.72銻化鋁AlSb1.65磷化銦1.35磷化鎵GaP2.26砷化銦0.36GaAsGaAs太陽(yáng)能電池是III-V族化合物太陽(yáng)能電池中研究最深入、應(yīng)用最廣泛的，是III-V族化合物太陽(yáng)能電池的典型代表。GaAs的晶格結(jié)構(gòu)與硅相似，屬于閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，與硅不同的是，Ga原子和As原子交替占位于沿體對(duì)角線位移1/4（111）的各個(gè)面心立方的格點(diǎn)上。具有以下優(yōu)點(diǎn)：GaAs物理性質(zhì)對(duì)應(yīng)特點(diǎn)GaAs具有直接帶隙結(jié)構(gòu)。帶隙Eg=1.42eV（300K），太陽(yáng)能電池材料所要求的最佳帶隙為1.3~1.5eVGaAs單結(jié)電池以及與其他相關(guān)材料組成的疊層電池所獲得的效率是所有類型太陽(yáng)能電池中最高的光吸收系數(shù)大GaAs的光吸收系數(shù)在光子能量超過(guò)其帶隙后，劇升到104cm-1以上GaAs基系太陽(yáng)能電池具有較強(qiáng)的抗輻照性能大多數(shù)III-V族化合物太陽(yáng)能電池的抗輻照性能都好于Si太陽(yáng)能電池GaAs太陽(yáng)能電池的溫度系數(shù)較小，能在較高溫度下正常工作GaAs電池隨溫度升高效率降低比較緩慢III-V族化合物太陽(yáng)能電池比較適合聚光技術(shù)III-V族化合物而言，太陽(yáng)能電池的效率隨著溫度而下降的程度遠(yuǎn)比硅慢，III-V族化合物太陽(yáng)能電池可以聚焦到1000倍或2000倍的程度，而硅則只能聚焦到200~300倍。GaAsGaAs基系太陽(yáng)能電池的上述優(yōu)點(diǎn)正好符合空間環(huán)境對(duì)太陽(yáng)能電池的要求，效率高、抗輻照性能好、耐高溫、可靠性好。但GaAs基系太陽(yáng)能電池也有固有缺點(diǎn)，如GaAs材料的密度較大（為Si材料密度ρ=2.33g/cm3的2倍多）、機(jī)械強(qiáng)度較弱、易碎、材料價(jià)格昂貴（約為Si材料價(jià)格的10倍），因此多年來(lái)一直得不到廣泛應(yīng)用，特別是在地面領(lǐng)域的應(yīng)用微乎其微。InP基系電池III-V族化合物太陽(yáng)能電池中InP基系電池也備受矚目，其最引人注目的特點(diǎn)是抗輻射性能力強(qiáng)，不但遠(yuǎn)優(yōu)于Si電池，也遠(yuǎn)優(yōu)于GaAs基系電池。具有以下特點(diǎn)：物理性質(zhì)對(duì)應(yīng)特點(diǎn)InP具有直接能隙對(duì)太陽(yáng)光譜中最強(qiáng)的可見光及近紅外光波段有很大的光吸收系數(shù)，有效厚度只需要3μm左右InP的帶隙為1.35eV處在匹配太陽(yáng)光譜的最佳帶隙范圍內(nèi)InP的表面再結(jié)合速度遠(yuǎn)比GaAs的表面再結(jié)合速度低使用簡(jiǎn)單的PN結(jié)結(jié)構(gòu)即可得到高效率5.疊層光伏電池由兩個(gè)或多個(gè)P-N結(jié)形成的光伏電池稱為疊層光伏電池。疊層光伏電池往往做成級(jí)聯(lián)型，把寬禁帶材料放在頂區(qū)，吸收陽(yáng)光中的高能光子；用窄禁帶材料吸收低能光子，使整個(gè)電池的光譜響應(yīng)拓寬。GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)疊層聚光電池已獲得高達(dá)40.7%的效率。6.當(dāng)今世界各類電池的最高效率美國(guó)能源部國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）跟蹤和發(fā)布各類光伏電池的最新效率，讀者可以登錄/pv/cell-efficiency.html查閱。這里僅摘錄部分?jǐn)?shù)據(jù)，如下表所示：當(dāng)今世界各類電池的最高效率-1種類效率/%公司晶硅電池單晶(聚光)27.6Amonix硅異質(zhì)結(jié)(HIT)27.3LONGI，中國(guó)隆基單晶(非聚光)26.1ISFH多晶23.3JinkoSolar，中國(guó)晶科薄膜晶體21.2Solexel薄膜技術(shù)CIGS23.6EvolarCIGS(聚光)23.3NRELCdTe23.1FirstSolar非晶Si:H(穩(wěn)定)14.0AIST單晶GaAs聚光30.8NREL薄膜晶體29.1AltaDevices單晶27.8LG當(dāng)今世界各類電池的最高效率-2種類效率/%公司多結(jié)電池(兩端單片集成)四結(jié)或更多(聚光)47.6FhG-ISE

三結(jié)(聚光)44.4

三結(jié)(非聚光)39.5NREL

四結(jié)或更多(非聚光)39.2

兩結(jié)(聚光)35.5

新興光伏鈣鈦礦/硅疊層(單片集成)30.1NanjingUnic/Renshine，中國(guó)

鈣鈦礦電池(不穩(wěn)定)26.7USTC，中科大

鈣鈦礦/銅銦鎵硒串聯(lián)(單片)24.2

當(dāng)今世界各類電池的最高效率-3種類效率/%公司

有機(jī)電池(不同類型)19.2SJTU，上海交大

量子點(diǎn)電池(不同類型)19.1UNIST

無(wú)機(jī)電池(CZTSSe)14.9loP/CAS

有機(jī)雙層電池14.2ICCAS

染料敏化電池13.0EPFL4.3.3光伏電池的生產(chǎn)工藝流程1.晶體硅電池的制造如圖所示，多個(gè)光伏電池片組成光伏組件，若干光伏組件組成光伏發(fā)電系統(tǒng)。晶體硅電池的制造流程本節(jié)以晶體硅電池的制造為例進(jìn)行介紹。制造晶體硅太陽(yáng)能電池包括絨面制備、擴(kuò)散制結(jié)、刻蝕、去磷硅玻璃、鍍減反射膜、燒結(jié)、絲網(wǎng)印刷電極、測(cè)試分選等主要工序。晶體硅電池的制造流程1-2（1）硅片是制造太陽(yáng)能電池的基本材料，它可以由純度很高的硅棒、硅錠或硅帶切割而成。硅材料的性質(zhì)在很大程度上決定成品電池的性能。硅片的選擇就是把性能一致的硅片選擇出來(lái)，如導(dǎo)電類型、電阻率、晶向、壽命等。若將性能不一致的硅片電池組合起來(lái)制作單體太陽(yáng)能電池，再制作成組件，其輸出的功率就會(huì)降低。（2）硅片表面處理：①去除硅片表面的機(jī)械損傷層；②對(duì)硅片的表面進(jìn)行凹凸面（金字塔絨面）處理，增加光在太陽(yáng)能電池片表面的折射次數(shù)，有利于太陽(yáng)能電池片對(duì)光的吸收；③清除表面硅酸鈉、氧化物、油污以及金屬離子雜質(zhì)。晶體硅電池的制造流程3-4-5（3）絨面制備：減少光的反射率，提高短路電流。（4）擴(kuò)散制造P-N結(jié)是太陽(yáng)能電池生產(chǎn)最基本也是最關(guān)鍵的工序。因?yàn)檎荘-N結(jié)的形成，才使電子和空穴在流動(dòng)后不再回到原處，這樣就形成了電流，用導(dǎo)線將電流引出，就是直流電。擴(kuò)散結(jié)果直接影響到PN結(jié)的質(zhì)量，并對(duì)制作太陽(yáng)能電池的后續(xù)步驟印刷及燒結(jié)產(chǎn)生影響。擴(kuò)散法主要有熱擴(kuò)散法、離子注入法、薄膜生長(zhǎng)法、合金法、激光法和高頻電注入法等。通常采用熱擴(kuò)散法制結(jié)。（5）在擴(kuò)散過(guò)程中，硅片的背面和周邊也形成了PN結(jié)，為防止短路，需要通過(guò)刻蝕將其去除，同時(shí)去除正面的磷硅玻璃。晶體硅電池的制造流程6-7-8（6）光在硅表面的反射損失率高達(dá)35%左右。為減少硅表面對(duì)光的反射，可在電池正面蒸鍍上一層或多層減反射膜。減反射膜不但具有減少光反射的作用，而且對(duì)電池表面還可起到鈍化和保護(hù)的作用。（7）硅片四周的擴(kuò)散層會(huì)使上下電極短路，所以必須去除。一般將硅片置于硝酸、氫氟酸組成的腐蝕液中去腐蝕。（8）為了輸出電池光電轉(zhuǎn)換所獲得的電能，必須在電池上制作正、負(fù)兩個(gè)電極。所謂電極，就是與電池PN結(jié)形成緊密歐姆接觸的導(dǎo)電材料。一般用絲網(wǎng)印刷的方法制作電極。晶體硅電池的制造流程-9（9）經(jīng)過(guò)上述工藝制得的電池，在作為成品電池入庫(kù)前，需要進(jìn)行測(cè)試，以檢驗(yàn)其質(zhì)量是否合格。在生產(chǎn)中主要測(cè)試的是電池的電流—電壓特性曲線。可以得知電池的光電轉(zhuǎn)換效率、短路電流、開路電壓、最大輸出功率以及串聯(lián)電阻等參數(shù)。2.光伏組件的封裝工藝單體太陽(yáng)能電池不能直接作為電池使用，必須將若干單體電池串、并聯(lián)連接并嚴(yán)密封裝成光伏組件。把互相連接的電池封裝起來(lái)的主要原因是保護(hù)它們和它們的連接線不受其周圍環(huán)境的破壞。一般規(guī)定的硅太陽(yáng)能電池板的使用壽命為20年，可見對(duì)組件封裝的可靠性要求很高。典型的太陽(yáng)能光伏組件是36片太陽(yáng)能電池串聯(lián)，這些太陽(yáng)能電池被封裝成單一的、長(zhǎng)期耐久的、穩(wěn)定的單元。封裝的兩個(gè)關(guān)鍵作用是防止太陽(yáng)能電池的機(jī)械損傷和防止水或者水蒸氣對(duì)電極的腐蝕。4.3光伏電池產(chǎn)品與光伏組件大多數(shù)晶體硅太陽(yáng)能光伏組件是由透明的頂表面、膠質(zhì)密封材料、背面層和外部框架組成的。通常，透明表層是一層玻璃，密封層材料是EVA（乙基醋酸乙烯），而背板則是TPT，如圖所示。TPT背板TPT（背板）是由PVF（聚氟乙烯薄膜）、PET（聚脂薄膜）、PVF三層薄膜構(gòu)成的背膜。TPT有三層結(jié)構(gòu)：外層保護(hù)層PVF具有良好的抗環(huán)境侵蝕能力，中間層為聚脂薄膜具有良好的絕緣性能，內(nèi)層PVF經(jīng)表面處理和EVA具有良好的粘接性能。TPT必須保持清潔，不得沾污或受潮，特別是內(nèi)層不得用手指直接接觸，以免影響和EVA的粘接強(qiáng)度。封裝工藝流程1-2目前，EVA膠膜封裝是應(yīng)用最為廣泛的晶體硅太陽(yáng)能光伏組件封裝方法。本章以EVA膠膜封裝為例介紹組件的封裝工藝。典型的平板式組件制造工藝流程包括以下幾方面。（1）電池測(cè)試。由于電池制作條件的隨機(jī)性，生產(chǎn)出來(lái)的電池性能不盡相同，所以為了有效地將性能一致或相近的電池組合在一起，應(yīng)通過(guò)測(cè)試電池的輸出參數(shù)（電流、電壓或功率）的大小對(duì)其進(jìn)行分類。（2）正面焊接。將互連帶焊接到電池正面（負(fù)極）的主柵線上，互連帶常為鎖錫的銅帶，焊帶的長(zhǎng)度約為電池邊長(zhǎng)的2倍。多出的焊帶在背面焊接時(shí)與后面的電池的背面電極相連。封裝工藝流程3-43）背面焊接。背面焊接是將單體電池串接在一起形成一個(gè)組件串，電池的定位主要靠一個(gè)模具板，上面有36個(gè)放置電池的凹槽，槽的大小和電池的大小相對(duì)應(yīng)，操作者使用電烙鐵和焊錫絲將“前面電池”的正面電極（負(fù)極）焊接到“后面電池”的背面電極（正極）上，依次將單體電池串接在一起并在組件串的正負(fù)極焊接出引線。（4）疊層敷設(shè)。背面串接好且經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)合格的組件串，與光伏玻璃、切制好的EVA、背板按照一定的層次敷設(shè)好，敷設(shè)層次由下向上依次為光伏玻璃、EVA、電池片、EVA、背板。封裝工藝流程5-6（5）組件層壓。將敷設(shè)好的電池疊層放入層壓機(jī)內(nèi)，通過(guò)抽真空將組件內(nèi)的空氣抽出，加熱使EVA熔化，將電池、玻璃和背板粘在一起，最后冷卻取出組件。層壓工藝是組件生產(chǎn)的關(guān)鍵一步，層壓溫度、層壓時(shí)間應(yīng)根據(jù)EVA的性質(zhì)決定。（6）修邊。層壓時(shí)，EVA熔化后由于壓力而向外延伸固化形成毛邊，所以層壓完畢應(yīng)將其切除。封裝工藝流程7-10（7）裝框。給組件邊框，增加組件的強(qiáng)度，進(jìn)一步密封太陽(yáng)能光伏組件，延長(zhǎng)電池的使用壽命。（8）焊接接線盒。在組件背面引線處焊接一個(gè)盒子，以利于電池與其他設(shè)備或電池間的連接。（9）高壓測(cè)試。高壓測(cè)試是指在組件邊框和電極引線間施加一定的電壓，測(cè)試組件的耐壓性和絕緣強(qiáng)度，以保證組件在惡劣的自然條件（雷擊等）下不被損壞。（10）組件測(cè)試。測(cè)試的目的是對(duì)電池的輸出功率進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)試其輸出特性確定組件的質(zhì)量等級(jí)。4.4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)分類與組成有蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)如下圖所示。該系統(tǒng)由太陽(yáng)電池、充放電控制器、蓄電池以及直流負(fù)載等組成。有陽(yáng)光時(shí)，太陽(yáng)電池將光能轉(zhuǎn)換為電能供負(fù)載使用，并同時(shí)向蓄電池存儲(chǔ)電能。夜間或陰雨天時(shí)，則由蓄電池向負(fù)載供電。這種系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，小到太陽(yáng)能草坪燈、庭院燈，大到遠(yuǎn)離電網(wǎng)的移動(dòng)通信基站、微波中轉(zhuǎn)站，邊遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)村供電等。市電互補(bǔ)型光伏發(fā)電系統(tǒng)所謂市電互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)，就是在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中以太陽(yáng)能光伏發(fā)電為主，以普通220V交流電補(bǔ)充電能為輔。這樣光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)電池和蓄電池的容量都可以設(shè)計(jì)得小一些，基本上是當(dāng)天有陽(yáng)光，當(dāng)天就用太陽(yáng)能發(fā)的電，遇到陰雨天時(shí)就用市電能量作補(bǔ)充。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)就是將太陽(yáng)能光伏組件產(chǎn)生的直流電，經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有集中式大型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，也有分散式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。常見的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖所示4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)集中式大型并網(wǎng)光伏電站一般都是國(guó)家級(jí)電站，主要特點(diǎn)是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。分散式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，特別是與建筑物相結(jié)合的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)、光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)等，由于投資小，建設(shè)快，占地面積小，近年來(lái)發(fā)展很快。分散式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)發(fā)電功率一般在5～50kW，主要特點(diǎn)是所發(fā)的電能直接分配到住宅的用電設(shè)備上，多余或不足的電力通過(guò)公共電網(wǎng)調(diào)節(jié)，多余時(shí)向電網(wǎng)送電，不足時(shí)由電網(wǎng)供電。4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)“光儲(chǔ)直柔”，英文簡(jiǎn)稱PEDF（Photovoltaics，Energystorage，DirectcurrentandFlexibility），是在建筑領(lǐng)域應(yīng)用光伏發(fā)電、儲(chǔ)能、直流配電和柔性用能四項(xiàng)技術(shù)的簡(jiǎn)稱，如圖4-32所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏方陣、蓄電裝置、逆變器等部件。4.4.2光伏陣列與二極管（1）光伏方陣光伏方陣，又稱光伏陣列，是由若干塊太陽(yáng)電池組件，在機(jī)械和電氣上按一定串、并聯(lián)方式組裝在一起，并且有固定的支撐結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的直流發(fā)電單元。光伏組件的具體連接方法需要根據(jù)系統(tǒng)電壓及電流的要求，來(lái)決定串、并聯(lián)的方式。應(yīng)該將最佳工作電流相近的組件串聯(lián)在一起。如果將工作電流不同的光伏組件串聯(lián)在一起，總電流將等于最小的組件輸出電流，這點(diǎn)必須加以重視。（2）二極管在光伏方陣中，二極管是很重要的元件，常用的二極管有兩類①阻塞（防反充）二極管在光伏方陣和儲(chǔ)能蓄電池或逆變器之間，常常需要串聯(lián)一個(gè)阻塞二極管，因?yàn)樘?yáng)電池相當(dāng)于一個(gè)具有PN結(jié)的二極管，當(dāng)夜間或陰雨天，光伏方陣的工作電壓可能會(huì)低于其供電的直流母線電壓，蓄電池或逆變器會(huì)反過(guò)來(lái)向光伏方陣倒送電，因而會(huì)消耗能量和導(dǎo)致方陣發(fā)熱，甚至影響組件壽命。阻塞二極管串聯(lián)在光伏方陣的電路中，起單向?qū)ǖ淖饔?。②旁路二極管并聯(lián)在組件兩端的二極管封裝在光伏組件的接線盒中，成為光伏組件的一部為旁路二極管。當(dāng)其中某個(gè)組件被陰影遮擋或出現(xiàn)故障而停止發(fā)電時(shí)，在二極管兩端可以形成正向偏壓，實(shí)現(xiàn)電流的旁路，從而不至于影響其他正常組件的發(fā)電，同時(shí)也保護(hù)被遮擋光伏組件避免承受到較高的正向偏壓或由于“熱斑效應(yīng)”發(fā)熱而損壞。4.4光伏儲(chǔ)能大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)按照儲(chǔ)存的介質(zhì)進(jìn)行分類，常見的主要分為三類：機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能。機(jī)械儲(chǔ)能是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能需要時(shí)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。目前實(shí)際應(yīng)用的有抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣、飛輪儲(chǔ)能。電化學(xué)儲(chǔ)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)完成電能和化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。。電磁儲(chǔ)能主要包括超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、電容儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能三種方式。各種儲(chǔ)能技術(shù)的比較機(jī)械儲(chǔ)能儲(chǔ)能類型典型額定功率額定容量特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合抽水儲(chǔ)能4-10h適用于大規(guī)模、技術(shù)成熟，響應(yīng)慢，需要地理資源日負(fù)荷調(diào)節(jié)，頻率控制和系統(tǒng)備用壓縮空氣1-20h適用于大規(guī)模、響應(yīng)慢、需要地理資源調(diào)峰、調(diào)頻，系統(tǒng)備用飛輪儲(chǔ)能1s-30min比功率較大，成本高，噪聲大調(diào)峰、頻率控制，UPS和電能質(zhì)量各種儲(chǔ)能技術(shù)的比較電磁儲(chǔ)能超導(dǎo)儲(chǔ)能2s-5min響應(yīng)快，比功率高，成本高，維護(hù)困難輸配電穩(wěn)定，抑制振蕩高能電容1-10s響應(yīng)快，比功率高，比能量低輸電系統(tǒng)穩(wěn)定，電能質(zhì)量控制超級(jí)電容1~30s響應(yīng)快，比功率高，成本高，比能量低可應(yīng)用于定制電力及FACTS各種儲(chǔ)能技術(shù)的比較電化學(xué)儲(chǔ)能鉛酸電池?cái)?shù)min~數(shù)h技術(shù)成熟，成本低。壽命短，環(huán)保問(wèn)題電能質(zhì)量、電站備用、黑啟動(dòng)液流電池1~20h壽命長(zhǎng)，可深放，效率高，環(huán)保性好，能量密度稍低電能質(zhì)量、備用電源、調(diào)峰填谷、能量管理、可再生儲(chǔ)能、EPS鈉硫電池?cái)?shù)h比能量和比功率較高。高溫條件、運(yùn)輸安全問(wèn)題有待改進(jìn)電能質(zhì)量、備用電源、調(diào)峰填谷、能量管理、可再生儲(chǔ)能、EPS鋰離子電池?cái)?shù)min~數(shù)h比能量高、安全問(wèn)題有待改進(jìn)電能質(zhì)量、備用電源、UPS4.4.4蓄電池當(dāng)前在離網(wǎng)光伏系統(tǒng)中最常用的儲(chǔ)能裝置是蓄電池，其中的蓄電池交替處于浮充和放電狀態(tài)。因此要求蓄電池的循環(huán)壽命長(zhǎng)，自放電要小，能耐過(guò)充放，溫度影響小，而且充放電效率高，當(dāng)然還要考慮價(jià)格低廉，使用方便，維護(hù)簡(jiǎn)單等因素。目前常用的蓄電池是鉛酸蓄電池和鋰電池等。（1）基本構(gòu)造鉛酸蓄電池由正、負(fù)極板、隔板、殼體、電解液和接線樁頭等組成，其中正極板的活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2），負(fù)極板的活性物質(zhì)是灰色海綿狀鉛（Pb），電解液是稀硫酸（H2SO4）。鉛酸蓄電池的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。（2）鉛酸蓄電池的性能參數(shù)1）蓄電池的電壓鉛酸蓄電池的單體額定電壓為2V。一般200A·h以上的鉛酸蓄電池每只為一個(gè)單體，額定電壓為2V。200A·h以下的鉛酸蓄電池每只一般為6個(gè)單體串聯(lián)，額定電壓為12V。蓄電池實(shí)際電壓隨充放電情況而有變化。以2V蓄電池為例，一般充電結(jié)束時(shí)浮充電壓設(shè)定在2.6-2.7V。放電時(shí)，電壓緩慢下降，低到1.75V時(shí)，便不能再繼續(xù)放電。過(guò)充電和過(guò)放電都有可能會(huì)損壞蓄電池的極板，影響蓄電池壽命。2）蓄電池的容量蓄電池的容量是蓄電池儲(chǔ)存電能的能力。處于完全充電狀態(tài)的鉛酸蓄電池在一定的放電條件下（通信電池一般規(guī)定是25℃環(huán)境下以10小時(shí)率電流放電），放電到規(guī)定的終止電壓時(shí)所能給出的電量稱為電池容量，以符號(hào)C表示，常用單位是安培小時(shí)，簡(jiǎn)稱安·時(shí)（A?h）。當(dāng)蓄電池以恒定電流放電時(shí)，它的容量等于放電電流值和放電時(shí)間的乘積。通常在C的下角處標(biāo)明放電時(shí)率。蓄電池的容量不是固定不變的常數(shù)，它與充電的程度、放電電流的大小、放電時(shí)間的長(zhǎng)短、環(huán)境溫度、蓄電池新舊程度等有關(guān)。通常在使用過(guò)程中，蓄電池的放電率和電解液溫度是影響容量的最主要因素。蓄電池容量1）蓄電池容量與放電率的關(guān)系。同一個(gè)電池放電率不同，給出的容量也不同。放電率有小時(shí)率（時(shí)間率）和電流率（倍率）兩種不同的表示方法。①小時(shí)率（放電率）：是以一定的電流放完額定容量所需要的時(shí)間來(lái)表示。某個(gè)12V的蓄電池，如果用2A放電，5h降到10.5V，則容量為同樣是這個(gè)蓄電池，如果用1.2A放電，10h降到10.5V，則容量為蓄電池容量

蓄電池容量2）蓄電池容量與溫度的關(guān)系鉛酸蓄電池電解液的溫度對(duì)蓄電池的容量有顯著影響，溫度高時(shí)，電解液的黏度下降，電阻減小，擴(kuò)散速度增大，電池的化學(xué)反應(yīng)加強(qiáng)，這些都使容量增大。但是溫度升高時(shí)，蓄電池的自放電會(huì)增加，電解液的消耗量也會(huì)增多。（3）蓄電池的效率實(shí)際使用的蓄電池不可能是完全理想的儲(chǔ)能器，在工作過(guò)程中必然有一定的能量損耗通常用能量效率和安·時(shí)效率來(lái)表示。①能量效率。蓄電池放電時(shí)輸出的能量與充電時(shí)輸入的能量之比。影響能量效率的主要因素是蓄電池存在的內(nèi)阻。②充電效率（也稱庫(kù)侖效率）。蓄電池放電時(shí)輸出的電量與充電時(shí)輸入的電量之比。影響充電效率的主要因素是蓄電池內(nèi)部的各種負(fù)反應(yīng)，如自放電。（4）蓄電池的自放電在蓄電池不使用時(shí)，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，蓄電池的儲(chǔ)電量會(huì)自動(dòng)減少，這種現(xiàn)象稱為自放電。5）蓄電池的放電深度與荷電態(tài)放電深度（DepthofDischarge，DOD）是指用戶在蓄電池使用的過(guò)程中，蓄電池放出的安·時(shí)數(shù)占其標(biāo)稱容量安·時(shí)數(shù)的百分比。深度放電會(huì)造成蓄電池內(nèi)部極板表面硫酸鹽化，導(dǎo)致蓄電池的內(nèi)阻增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使個(gè)別電池出現(xiàn)“反極”現(xiàn)象和電池的永久性損壞。因此過(guò)大的放電深度會(huì)嚴(yán)重影響電池的使用壽命，非迫不得已，不要讓電池處于深度放電狀態(tài)。一般情況下，在光伏系統(tǒng)中，蓄電池的放電深度為30%~80%。5）蓄電池的放電深度與荷電態(tài)

5）蓄電池的放電深度與荷電態(tài)

6）蓄電池的壽命在離網(wǎng)光伏系統(tǒng)中，通常鉛酸蓄電池是使用壽命最短的部件。根據(jù)蓄電池用途和使用方法不同，壽命的評(píng)價(jià)方法也不相同。在可再生能源領(lǐng)域使用的蓄電池，主要關(guān)心充放電循環(huán)壽命和浮充使用壽命。蓄電池的充放電循環(huán)壽命以充放電循環(huán)次數(shù)來(lái)衡量，而浮充使用壽命則是以蓄電池的工作年限來(lái)衡量。6）蓄電池的壽命實(shí)際上蓄電池的使用壽命與蓄電池本身質(zhì)量及工作條件、放電深度和維護(hù)情況等因素有很大關(guān)系。圖為蓄電池放電深度與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線。4.4.5控制器光伏發(fā)電系統(tǒng)中的控制器是對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制的重要設(shè)備。控制器組成：電子元器件、儀表、繼電器、開關(guān)等。在并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中，控制器往往與逆變器合為一體，自然其功能也成為逆變器功能的一部分，所以本節(jié)主要討論離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的情況。4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)在離網(wǎng)光伏系統(tǒng)中，控制器的核心功能是對(duì)整個(gè)光伏系統(tǒng)進(jìn)行管理和自動(dòng)控制，保證組件、蓄電池組、負(fù)載安全可靠運(yùn)行。不同功率光伏控制器的外形如圖所示：1.控制器的主要功能（1）蓄電池充、放電管理控制器應(yīng)具有輸入充滿斷開和恢復(fù)接連功能。（2）設(shè)備保護(hù)①負(fù)載短路/過(guò)載保護(hù)能夠承受任何負(fù)載短路和負(fù)載過(guò)載的電路保護(hù)。②內(nèi)部短路保護(hù)能夠承受充電控制器、逆變器和其他設(shè)備內(nèi)部短路的電路保護(hù)。③反向放電保護(hù)能夠防止蓄電池通過(guò)太陽(yáng)電池組件反向放電的電路保護(hù)。④極性反接保護(hù)能夠承受負(fù)載、太陽(yáng)能電池組件或蓄電池極性反接的電路保護(hù)。⑤雷電保護(hù)。能夠承受在多雷區(qū)由于雷擊而引起擊穿的電路保護(hù)4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)（3）光伏系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示控制器應(yīng)能夠顯示光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作情況。（4）光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)及信息儲(chǔ)存特別是對(duì)于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，應(yīng)該配備數(shù)據(jù)及信息儲(chǔ)存裝置，必要時(shí)進(jìn)行分析和處理，用以判斷或評(píng)估系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以便改進(jìn)。（5）光伏系統(tǒng)故障處理及報(bào)警當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能夠自動(dòng)采取保護(hù)措施，或使用聲、光等報(bào)警手段，以便操作人員及時(shí)處理，避免系統(tǒng)遭到損壞。4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)2.控制器的主要技術(shù)指標(biāo)為了使控制器能夠更加有效地工作，對(duì)其本身的性能也有一定的要求。①靜態(tài)電流應(yīng)盡可能降低控制器的空載損耗，以提高光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，控制器的靜態(tài)電流應(yīng)盡量低，規(guī)定控制器最大自身耗電不應(yīng)超過(guò)其額定充電電流的1%。②回路壓降要求控制器充電或放電回路的電壓降不應(yīng)超過(guò)系統(tǒng)額定電壓的5%。4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)③耐振動(dòng)性在10~55Hz環(huán)境下，以振幅0.35mm在三個(gè)軸向振動(dòng)30min后，設(shè)備應(yīng)仍能正常工作。④耐沖擊電壓當(dāng)蓄電池從電路中移去后，控制器在7h內(nèi)必須能夠承受高于太陽(yáng)電池組件標(biāo)稱開路電壓1.25倍的沖擊。⑤耐沖擊電流控制器必須能夠承受1h高于太陽(yáng)電池組件標(biāo)稱短路電流1.25倍的沖擊。開關(guān)型控制器的開關(guān)元器件必須能夠切換此電流而自身沒(méi)有損壞。逆變器1.光伏并網(wǎng)逆變器的工作原理逆變器是光伏方陣和電網(wǎng)之間的橋梁。光伏方陣輸出的直流電必須轉(zhuǎn)變成交流電后才能接入電網(wǎng)。2.光伏并網(wǎng)逆變器的主要功能（1）MPPT控制功能光伏逆變器通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出功率，通過(guò)一定的控制算法，預(yù)測(cè)當(dāng)前狀況下光伏方陣可能的最大功率輸出，從而改變當(dāng)前的阻抗值，使光伏方陣輸出最大功率。光伏并網(wǎng)逆變器的主要功能（2）并網(wǎng)功能并網(wǎng)光伏逆變器除了將光伏方陣輸出的直流電轉(zhuǎn)變成與電網(wǎng)電壓幅值、頻率、相位相同的、電能質(zhì)量高的交流電接入電網(wǎng)并適應(yīng)電網(wǎng)電壓、頻率一定范圍內(nèi)的變化外，同時(shí)還需要具備一定的電網(wǎng)支撐能力。包括：電網(wǎng)故障穿越能力、無(wú)功支撐能力、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)電網(wǎng)對(duì)光伏系統(tǒng)的有功、無(wú)功響應(yīng)調(diào)度，以及結(jié)合儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)VSG（虛擬同步發(fā)電機(jī)）功能等。光伏并網(wǎng)逆變器的主要功能（3）系統(tǒng)保護(hù)功能并網(wǎng)逆變器除了自身具有防雷擊、過(guò)流、過(guò)熱、短路、反接、直流電壓異常、電網(wǎng)電壓異常等一系列保護(hù)功能外，還需要具有光伏組件的PID防護(hù)功能、孤島保護(hù)等功能。（4）其他方面并網(wǎng)光伏逆變器一般具有數(shù)據(jù)采集、記錄和顯示的功能，可以隨時(shí)顯示光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)和發(fā)電情況。通常都具備RS-485、以太網(wǎng)等通信接口，通過(guò)通信線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸方便遠(yuǎn)程通信和監(jiān)測(cè)。太陽(yáng)能建筑一體化原理與應(yīng)用第五章太陽(yáng)能集熱器

上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院5.1平板型太陽(yáng)能集熱器

5.1.1平板型集熱器的基本結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求1.平板集熱器的基本結(jié)構(gòu)組成部分：透明蓋板、吸熱板、流體管道、隔熱材料和外殼等。下面這種結(jié)構(gòu)形式的集熱器稱為管板式。圖5-1典型平板集熱器橫斷面圖平板型太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)總圖1—出水集管2—流體出口3—?dú)んw4—隔熱體5—流體入口6—進(jìn)水集管7—排管8—吸熱板9—透明蓋板平板集熱器工作過(guò)程:太陽(yáng)輻射透過(guò)透明蓋板投射在吸熱板上，被吸熱板吸收轉(zhuǎn)換成熱能，使傳熱工質(zhì)的溫度升高，將集熱器收集的熱量輸出；溫度升高后的吸熱板通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等方式向周圍散熱，成為集熱器的熱量損失。2.平板型集熱器的技術(shù)要求

5.1.2平板集熱器的能量平衡與分析模型簡(jiǎn)化

1.平板集熱器的能量平衡

1.平板集熱器的能量平衡

1.平板集熱器的能量平衡

2.平板集熱器分析模型的簡(jiǎn)化(1)集熱器處于穩(wěn)態(tài)。(2)集熱器結(jié)構(gòu)為管板式。(3)集管只占集熱器的一小部分，可以忽略不計(jì)。(4)集管為各排管提供均勻的流量。(5)不考慮透明蓋板吸收的太陽(yáng)能。(6)通過(guò)頂部蓋層的熱流是一維的。(7)通過(guò)蓋板的溫度下降可以忽略不計(jì)，也就是忽略蓋板上表面和下表面的溫度差。2.平板集熱器分析模型的簡(jiǎn)化(8)透明蓋板對(duì)長(zhǎng)波輻射是不透明的。(9)通過(guò)背部的熱流也是一維的。(10)在相當(dāng)?shù)奶炜諟囟认绿炜湛梢员徽J(rèn)為是長(zhǎng)波輻射的黑體。(11)排管周圍的溫度梯度可以忽略不計(jì)。(12)流動(dòng)方向和管間的溫度梯度可以單獨(dú)處理。(13)材料的熱物性參數(shù)與溫度無(wú)關(guān)。(14)上部和背部的損耗是相同的環(huán)境溫度。(15)不考慮集熱器上的灰塵和污垢的影響。5.1.3集熱器總熱損失系數(shù)

1.集熱器熱損失分析的熱網(wǎng)絡(luò)圖圖5-3兩層蓋板集熱器的熱網(wǎng)絡(luò)圖圖5-4平板集熱器的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)圖2.頂部熱損失的計(jì)算

2.頂部熱損失的計(jì)算

2.頂部熱損失的計(jì)算

2.頂部熱損失的計(jì)算

2.頂部熱損失的計(jì)算

2.頂部熱損失的計(jì)算

2.頂部熱損失的計(jì)算從圖中可以看出：板間距離小于10cm時(shí)Ut隨間距減小快速增加。吸熱板發(fā)射率、玻璃層數(shù)對(duì)Ut的影響。圖5-5Ut與板間距離的關(guān)系3.集熱器的背部熱損失

4.集熱器的側(cè)面熱損失

5.集熱器的總熱損失

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子圖5-6管板結(jié)構(gòu)及其尺寸

假設(shè)流體為一元流動(dòng)，且流動(dòng)方向的溫度梯度可忽略，吸熱板通常采用薄金屬板，吸熱板厚度方向的溫度梯度也可忽略。5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子圖5-7肋片上的微元分析

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子圖5-8管板集熱器的肋片效率5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.5縱向(流體流動(dòng)方向)溫度分布與集熱器熱轉(zhuǎn)移因子圖5-10流體流動(dòng)方向上的能量分布

5.1.5縱向(流體流動(dòng)方向)溫度分布與集熱器熱轉(zhuǎn)移因子

5.1.5縱向(流體流動(dòng)方向)溫度分布與集熱器熱轉(zhuǎn)移因子

5.1.5縱向(流體流動(dòng)方向)溫度分布與集熱器熱轉(zhuǎn)移因子

5.1.5縱向(流體流動(dòng)方向)溫度分布與集熱器熱轉(zhuǎn)移因子

5.1.6吸熱板和流體的平均溫度

5.1.6吸熱板和流體的平均溫度

5.1.6吸熱板和流體的平均溫度

5.1.7熱容量對(duì)集熱器性能的影響1）集熱器在清晨的加熱，太陽(yáng)能除了加熱管內(nèi)的流體，還要加熱集熱器本體(包括吸熱板、排管、集管、蓋板和保溫等)；2）太陽(yáng)輻射和風(fēng)等環(huán)境條件在白天迅速變化時(shí)的情況。

為了說(shuō)明熱容的影響以及集熱器的動(dòng)態(tài)分析方法，考慮一個(gè)單層蓋板集熱器。簡(jiǎn)化分析：1）假設(shè)吸熱板、管道中的水和一半的背部保溫層都處于相同的溫度；2）假定透明蓋板處于與平板不同的均勻溫度；同時(shí)也忽略背部的熱損失。5.1.7熱容量對(duì)集熱器性能的影響

5.1.7熱容量對(duì)集熱器性能的影響

5.1.7熱容量對(duì)集熱器性能的影響

5.1.7熱容量對(duì)集熱器性能的影響

上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院5.2真空管型太陽(yáng)能集熱器

5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求1.真空管集熱器的總體結(jié)構(gòu)圖5-12真空管型太陽(yáng)能集熱器總體結(jié)構(gòu)與排布方式1—真空太陽(yáng)集熱管，2—聯(lián)集管，3-尾架真空集熱管的排列方式：1）豎單排

2）橫單排3）橫雙排真空太陽(yáng)集熱管：簡(jiǎn)稱真空管或者集熱管，是集熱器的核心部件分類：全玻璃真空管(吸熱體為玻璃)、玻璃-金屬真空管(吸熱體為金屬)和熱管式真空管。5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求2.全玻璃真空集熱管組成部件：內(nèi)玻璃管、外玻璃管、選擇性吸收涂層、彈簧支架、消氣劑等。特點(diǎn)：其形狀猶如一只拉長(zhǎng)的暖水瓶膽。

圖5-13全玻璃真空管集熱管結(jié)構(gòu)示意圖1—內(nèi)玻璃管，2—外玻璃管，3—選擇性吸收涂層4—真空，5-彈簧支架，6-消氣劑5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求全玻璃真空集熱管中的工質(zhì)與吸熱體的換熱形式：1）傳熱工質(zhì)與吸熱體直接換熱式(不承壓式)①全水自然循環(huán)取熱：集熱管內(nèi)充滿水，無(wú)需外部動(dòng)力設(shè)備驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了熱量的自動(dòng)傳輸。優(yōu)點(diǎn)：方式簡(jiǎn)單，應(yīng)用十分廣泛。

圖5-14全玻璃真空管集熱管自然循環(huán)示意圖5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求②

插管式：在集熱管中間插入一根水管，將冷水直接的水輸送到集熱管的底部，水從茶館中流出后，在壓力的作用下，沿著集熱管的內(nèi)壁流動(dòng)，不斷吸收管壁的熱量，溫度上升，流出集熱管。

不同點(diǎn)：使用插管這種強(qiáng)制對(duì)流的方式提高了換熱系數(shù)。直接換熱式缺點(diǎn)：1）只可設(shè)計(jì)成非承壓的模式2）系統(tǒng)的熱水利用率降低3）管內(nèi)的水容易泄露，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求2）間接換熱式(承壓式)優(yōu)點(diǎn)：由于管內(nèi)沒(méi)有水，不會(huì)發(fā)生因一支破損而影響系統(tǒng)的運(yùn)行，提高了產(chǎn)品運(yùn)行的可靠性，尤其是可用于承壓的封閉系統(tǒng)，因而得到廣泛應(yīng)用。圖5-15內(nèi)插U形管的真空管集熱管圖5-16內(nèi)插熱管的真空管集熱管5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求3.金屬-玻璃結(jié)構(gòu)真空集熱管組成部分：真空玻璃管、金屬吸熱板、吸氣劑、流體管道、不銹鋼彈簧支架等。優(yōu)點(diǎn)：工作溫度高、承壓能力大和耐熱沖擊性能好等。

圖5-17玻璃-金屬真空集熱管示意圖1—金屬密封，2—外玻璃管，3—導(dǎo)熱管，4—吸熱板，5-消氣劑5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求4.熱管型真空集熱管組成部分：熱管、金屬吸熱板、玻璃管、金屬封蓋、彈簧支架、消氣劑等。熱管包括蒸發(fā)段和冷凝段兩部分，在熱管式真空集熱管工作時(shí)，太陽(yáng)輻射穿過(guò)玻璃管3后投射在金屬吸熱板4上。

圖5-18熱管式真空集熱管結(jié)構(gòu)示意圖1—熱管冷凝段，2—金屬封蓋，3—玻璃管，4—金屬吸熱板5—熱管蒸發(fā)段，6—彈支架，7—蒸散型消氣劑，8—非蒸散型消氣劑5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

5.2.2真空管集熱器熱性能分析圖5-19全玻璃真空管集熱器示意圖

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

5.2.2真空管集熱器熱性能分析管間距B是管徑D2倍數(shù)10.31820.41930.44640.46050.468

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

管間距B是管徑D2的倍數(shù)101.250.080±0.0131.50.140±0.0201.750.200±0.01420.343±0.01330.799±0.01441.280±0.014

5.2.2真空管集熱器熱性能分析