太阳能光伏电池(教材).pdf
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1、2006/3/271 太阳能光伏电池太阳能光伏电池太阳能光伏电池太阳能光伏电池 元富元富元富元富证券(香港)上海代表处证券(香港)上海代表处证券(香港)上海代表处证券(香港)上海代表处 李刚李刚李刚李刚 2006/3/272 本文大纲 n太阳能电池简介 n太阳能电池的分类 n太阳能电池的生产制造 n太阳能电池的市场前景 n太阳能电池产业现状 太阳能光伏电池简介 2006/3/274 太阳能 太阳中蕴藏着人类取之不尽的能源。太阳不停 地向宇宙空间中发送着巨大的能量。据计算, 仅一秒钟发出的能量就相当于1.3亿亿吨标准 煤燃烧时所放出的热量。而到达地球表面的太 阳能,大约相当于目前全世界所有发电能
2、力总 和的20万倍。地球每天接收的太阳能,相当于 全球一年所消耗的总能量的200倍.与其他能源 相比,太阳能不会产生有毒,有害气体和废渣, 因而不污染环境。同时太阳光随处都可以得, 使用方便、安全;成本低廉,可以再生。 2006/3/275 什么是太阳能光伏电池 n太阳能电池(solar cell),又称光电池、 光生伏打电池。是一种将光能直接 转换成电能的半导体器件。现主要 有硅、硫化镉、砷化镓太阳能电池。 2006/3/276 太阳能电池的发明 n1839年,法国物理学家AE贝克勒尔意外地 发现,用两片金属浸入溶液构成的伏打电池, 受到阳光照射时会产生额外的伏打电势,他把 这种现象称为光生
3、伏打效应。1883年,有人在 半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。 后来就把能够产生光生伏打效应的器件称为光 伏器件。由于半导体PN结器件在阳光下的光电 转换效率最高,所以通常把这类光伏器件称为 太阳能电池,也称光电池或太阳电池。 2006/3/277 光生伏打效应 光伏电池工作原理是基于半导体P- N结的 光生伏打效应。光生伏打效应是指当物 体受到光照射时,物体内部就会产生电 流或电动势的现象。当电池表面受到光 照时,在电池内部产生的光生电子空 穴对扩散到P- N结并受结电场影响而分开, 电子移向N区,空穴移向P区,这样在P区 和N区之间产生了光生电动势,当外电路 连接起来时就有电流通过
4、。 2006/3/278 太阳能电池的原理 n太阳能电池的PN结处存在一个由N区指向P区的内电场。 当阳光照射到太阳能电池表面时,小部分被反射,大 部分穿过减反射膜进入硅电池,其中能量大于禁带宽 度的光子被硅吸收后,激发出光生载流子。在N区产生 的光生空穴会向PN结扩散,进入PN结区后,即被内电 场推向P区。在P区产生的光生电子先向PN结扩散,进 入PN结区后,即被内电场推向N区。而在刚结区产生 的电子空穴对,则立即被内电场分别推向N区和P区。 因此在被照射的太阳能电池中,N区积累了大量光生电 子,而P区则积累了大量空穴,在PN结两侧出现了光生 电动势。若在两电极间接上负载,则会有光生电流通
5、过负载。太阳的光能就这样直接变成了电能。 2006/3/279 太阳能电池原理图 2006/3/2710 太阳能电池 太阳能电池也同晶体管一样,是由半导体组成。 它的主要材料是硅,也有一些其他合金。用于 制造太阳能电池的高纯硅,是经过特殊的提纯 处理制作。太阳能电池只要受到阳光或灯光的 照射,能够把光能转变为电能,使电流从一方 流向另一方,一般就可发出相当于所接收光能 1020% 的电来。一般光线越强,产生的电能 就越多。为了使太阳能电池板最大限度地减少 光反射,将光能转变为电能,一般在它的上面 都蒙上一层防止光反射的膜, 使太阳能板的表 面呈紫色。 2006/3/2711 太阳能发电系统的组
6、成及其作用太阳能发电系统的组成及其作用 n太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)组成。如输出电 源为交流220V或110V,还需要配置逆变器。各部分的作用为: n太阳能电池板:太阳能电池板:太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发 电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能,或送往蓄电 池中存储起来,或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系 统的质量和成本; n太阳能控制器:太阳能控制器:太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄电池 起到过充电、过放电保护的作用。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温 度补偿的功能。其
7、他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项; n蓄电池:蓄电池:一般为铅酸电池,小微型系统中,也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电 池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来,到需要的时候 再释放出来。 n逆变器:逆变器:在很多场合,都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能 的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能, 需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能,因此需要使用DC- AC 逆变器。在某些场合,需要使用多种电压的负载时,也要用到DC- DC逆变器,如 将24VDC的电能转换成5VDC的电能。
8、2006/3/2712 光电转换效率 n光电转换效率是 评估太阳电池好坏 的重要因素。目前:实验室, 产业化:。 2006/3/2713 太阳能电池的工作时间 n根据不同的地区的光照条件,要分别区分太阳能电池 的有效工作时间。 n丰富地区、比较丰富地区、可以利用地区、贫乏地区。 他们的年光辐射量分别是大于等于平方 米,平方米、 平方米、小于平方米。 n计算太阳能电池的工作时间的时候就不能都以小时 来计算,根据不同地区,他们的不同平均峰值时间分别 是:小时, 小时,小时, 小时。 太阳能电池的分类 2006/3/2715 太阳能电池分类 n根据所用材料的不同,太阳能电池 可分为:1、硅太阳能电池
9、;2、以 无机盐如砷化镓III- V化合物、硫化 镉、铜铟硒等多元化合物为材料的 电池;3、功能高分子材料制备的大 阳能电池;4、纳米晶太阳能电池等。 2006/3/2716 太阳能电池材料一般的要求 n不论以何种材料来制作电池,对太阳能电池材料一般 的要求有:1、半导体材料的禁带不能太宽;2 、要有 较高的光电转换效率:3、材料本身对环境不造成污染; 4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。 n基于以上几个方面考虑,硅是最理想的太阳能电池材 料,这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但 随着新材料的不断开发和相关技术的发展,以其它材 料为基础的太阳能电池也发展很快。 2006/3/2717
10、单晶硅太阳能电池 硅系列太阳能电池中,单晶硅大阳能电池转换效率最 高,技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高 质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上 的。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和 分区掺杂工艺。单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最 高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位, 但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影 响,致使单晶硅成本价格居高不下,要想大幅度降低 其成本是非常困难的。 2006/3/2718 非晶硅薄膜太阳能电池 太阳能电池的两个关键问题就是:提高转换效率和 降 低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低,便于 大规模生产,普遍受到人们的重视并
11、得到迅速发展, 目前世界上己有许多家公司在生产该种电池产品。 非 晶硅由于其光学带隙为1.7eV, 使得材料本身对太阳辐 射光谱的长波区域不敏感,这样一来就限制了非晶硅 太阳能电池的转换效率。此外,其光电效率会随着光 照时间的延续而衰减,即所谓的光致衰退S一W效应, 使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备 叠层太阳能电池,叠层太阳能电池是由在制备的p、i、 n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P- i- n子电池制 得的。非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和 较低的成本及重量轻等特点,有着极大的潜力。同时 由于稳定性不高,直接影响了它的实际应用。 2006/3/2719 多晶硅薄膜
12、太阳能电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350450m的高 质量硅片上制成的,这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上 锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材 料,人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶 硅薄膜。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外,另 外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术,这 样制得的太阳能电池转换效率明显提高。多晶硅薄膜 电池由于所使用的硅远较单晶硅少,又无效率衰退问 题,并且有可能在廉价衬底材料上制备,其成本远低 于单晶硅电池,而效率高于非晶硅薄膜电池,因此, 多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主 导地位。 2006/3/2720 多元化合物薄膜电池 为
13、了寻找单晶硅电池的替代品,人们除开发了多晶硅、 非晶硅薄膜太阳能电池外,又不断研制其它材料的太 阳能电池。其中主要包括砷化镓III- V族化合物、硫化 镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。由于镉有剧毒,会 对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能 电池最理想的替代,砷化镓III- V化合物及铜铟硒薄膜 电池由于具有较高的转换效率受到普遍重视,但由于 铟和硒都是比较稀有的元素,因此,这类电池的发展 又必然受到限制。 2006/3/2721 聚合物多层修饰电极型电池 在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的 一个太阳能电池研究方向。其原理是利用不同氧化还 原型聚合物的不同氧化还原电势,在导电
14、材料(电极) 表面进行多层复合,制成类似无机PN结的单向导电 装置。由于有机材料柔性好,制作容易,材料来源广 泛,成本底等优势,从而对大规模利用太阳能,提供 廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电 池的研究仅仅刚开始,不论是使用寿命,还是电池效 率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成 为具有实用意义的产品,还有待于进一步研究探索。 2006/3/2722 纳米晶化学太阳能电池 纳米晶化学太阳能电池(简称NPC电池)是由一种在禁带半导体 材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的,窄禁带半 导体材料采用过渡金属Ru以及Os等的有机化合物敏化染料,大能 隙半导体材料为纳米多晶T
15、iO2并制成电极,此外NPC电池还选用 适当的氧化一还原电解质。纳米晶TiO2工作原理:染料分子吸收 太阳光能跃迁到激发态,激发态不稳定,电子快速注入到紧邻的 TiO2导带,染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿,进入 TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。 纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及 稳定的性能。其光电效率稳定在10以上,制作成本仅为硅太阳 电池的1/51/10寿命能达到2O年以上。此类电池的研究和开 发刚刚起步,会逐步走上市场。 2006/3/2723 商品化的太阳能电池 n单结晶硅太阳电池 单晶硅电池应用最普遍,所发电力与电压范
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