晶体硅太阳能电池设计与开发

晶体硅太阳能电池设计与开发 毕业项目报告纸 本系统介绍了太阳能电池的电路设计，以及在各个领域的应用，介绍 ? 了太阳能电池的特点：工作寿命长，结构简单而紧凑，功率高，运行方便可靠。对太? ? 阳能电池的性能分析。? ? ? ? ? ：， ? ? ? Abstract: This paper introduced the solar system, circuit design, as well as ? applications in various fields, introduced the characteristics of solar cells: ? a long working life, the structure of simple and compact, high power, reliable 装 ? and user-friendly operation. Solar cells on the performance analysis. ? ? Photovoltaic effect, crystal silicon solar cell, Circuit Design. ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 晶体硅太阳能电池摘要 ........................................................................................................................... 1 ? 一 晶体硅太阳能电池的提出背景 ....................................................................................................... 2 1.1 晶体硅太阳能电池的提出 ....................................................................................................... 2 1.2 晶体硅太阳能电池的前景 ....................................................................................................... 3 二 晶体硅太阳能电池的设计思想 ....................................................................................................... 4 2.1 不可再生资源的不充足及危害 ............................................................................................... 4 2.2.1 光热：太阳能热水器即将强制安装 ........................................................................... 6 2.2.3 太阳能空调将打“组合拳” ....................................................................................... 7 共 26页 第 1 页 毕业项目报告纸 2.2.4 太阳能家电在国外 ....................................................................................................... 8 2.2.5 太阳能电视机 ............................................................................................................. 8 2.2.6 太阳能洗衣机 ............................................................................................................... 8 2.2.7 太阳能冰箱 ................................................................................................................... 8 2.2.8 太阳能照相机 ............................................................................................................... 9 2.2.9 太阳能电话 ................................................................................................................... 9 ? 2.2.10 太阳能防火防盗监视器 ............................................................................................. 9 ? 2.3 太阳能电池的特点 ................................................................................................................. 10 ? 2.4 硅系太阳能电池 ..................................................................................................................... 10 ? 2.4.1 单晶硅太阳能电池 ..................................................................................................... 10 ? 2.4.2 多晶硅薄膜太阳能电池 .............................................................................................. 11 ? 2.5 太阳能电池的发展趋势 ......................................................................................................... 12 ? 三 晶体硅太阳能电池的电路设计 ..................................................................................................... 12 ? 2.6太阳能电池发电原理 .............................................................................................................. 13 ? 2.7 光伏系统的组成 ..................................................................................................................... 18 ? 2.8控制器工作原理图： .............................................................................................................. 19 ? 2.9逆变器工作原理图 .................................................................................................................. 19 ? 3.0单系列和聚系列的晶体硅太阳能电池 .................................................................................. 20 ? 四 晶体硅太阳能电池的性能分析 ..................................................................................................... 20 装 体会及收获 ............................................................................................................................................. 24 ? 致 谢 ....................................................................................................................................................... 25 ? 参考文献 ................................................................................................................................................. 26 ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.1 传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有 共 26页 第 2 页 毕业项目报告纸 20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希 望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。这之中太阳能以其 独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、? ? 用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能? ? 量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量? 可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。 ? ? 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会? ? 经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光”，开发太阳能资源，寻求? ? 经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光? ? 伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争 装 ? 一席之地。 ? ? ? 与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，中国落后于发达国家10-15年，甚至明显落? 订 后于印度。但是，中国光伏产业正以每年30%的速度增长，2005年中国太阳能电池生? ? 产总量达到139MW，较2004年猛增了179%，2006年达到400MW，从而超过美国成为? 全球第三大生产国，产能则达到惊人的1180MW。以3年产量增长45倍，产能增加125? ? 倍而成为全球发展最快的国家。 线 ? 时值多晶硅料源缺货高峰期，太阳能电池2008年第1季度的报价只涨不跌，不? ? 过各家价格调整的策略方向不同，并非全面调涨的策略，但整体走势为有涨无跌，平? ? 均价格调整约3%以上。目前市场平均每瓦太阳能电池的报价为3美元，其中太阳能? 电池转换效率仍是取决定价区间的标准，转换率15%以上才符合标准，12%以下等同? ? 于破片销售。 ? ? 在今后的十几年中，太阳电池的市场走向将发生很大的改变，到2010年以前中? ? 国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统，从2011年到2020年，中国光伏发电的市? 场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。 在国家各部委立项支持下，目前中国实验室太阳能电池的效率已达21%，可商业化的 光伏组件效率达14-15%，一般商业化电池效率10-13%。目前中国太阳能光伏电池生 产成本已大幅下降，太阳能电池的价格逐渐从2000年的40元/瓦降到2003年的33 共 26页 第 3 页 毕业项目报告纸 元/瓦，2004年已经降到27元/瓦。这对国内太阳能市场走向壮大与成熟起到了决定 作用，对实现与国际光伏市场接轨具有重要意义。 作为21世纪最有潜力的能源，太阳能产业的发展潜力巨大。太阳能产业是新兴? ? 的朝阳行业，再加上良好的政策环境、行业本身的特性，使得太阳能电池产业具有较? ? 高的投资价值和发展潜力。目前，太阳能电池及其相关产业成长性好，是非常好的投? 资机会，但要注意控制客观存在的经营风险，竞争风险等以取得良好的投资收益。 ? ? ? ? ? ? ? ? 装 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 天然气、石油、煤矿、铁矿等矿产资源都是不可再生资源，它们用一些就少一些， 共 26页 第 4 页 毕业项目报告纸 不可能再重新产生。可是人类开采、消耗矿物却十分快速，一个矿区开采期仅为百年、 数十年，以至几年。另外，如果不注意保护、任意取用，可再生资源也有可能变成不 可再生资源。比如对某种野生动物来说，一旦它的生存环境被破坏，其物种数量减少? ? 到一定程度后，它就不可能再维持自身的繁衍，只能灭绝，恐龙就是这样从地球上消? ? 失的。加上这些不可再生资源有大量的热量和二氧化碳及有害气体排放到地球上，而 ? 人们又没有能力去解决热平衡和二氧化碳及有害气体增量的问题。所以造成现在这种? ? 地球环境温度逐年升高的局面。地球环境温度升高，无疑使得部分冰川融化，海平面? ? 升高，同时使得空气湿度增加，造成洪水泛滥。 ? ? 2.2 太阳能电池的利用方式 ? ? 世界太阳能资源在地球表面有820万亿MW辐射功率，81万亿MW照射到人类聚 装 ? 居的地区，这是可以真正可以利用的太阳能资源。 ? 中国地处温带和亚热带，具有比较丰富的太阳能资源。除四川盆地及其毗邻地? ? 区，中国绝大部分地区的太阳能资源都相当于或超过外国同纬度的地区。约占全国总? 订 面积的2/3以上地区，具有利用太阳能的良好条件。 ? ? 太阳能主要发生在光-热、光-电、光-化学、光-生物质等几种转换方式。太阳能? ? 光-热转换主要采用太阳集热器来实现。主要分为平板集热器、真空管集热器和聚焦 ? 集热器等三类。太阳能光-电转换主要采用太阳能电池来实现。太阳能电池是一种可线 ? 以把光能直接转换为电能的半导体器件。 ? ? 太阳能光-化学转换主要通过可逆的化学反应来实现太阳能转换成化学能的过? ? 程。由于吸热或放热可逆的化学反应所需要的温度较高，所以也可以用于太阳能热发? ? 电，未来利用太阳能制氢作为无污染的稳定能源，也是十分可取的。 ? ? 火热的夏天，阳光让人“避之唯恐不及”，可是你知道吗？如果把阳光收集起来， ? 不但可以降低夏天室外的温度，更可以节电省钱。 ? ? 太阳能就是这样一种理想的清洁能源，利用太阳能来为人类的生产生活服务，既? 经济又环保。太阳能无污染、无运输、无垄断、维护简单、运行安全和永不枯竭的特 点，是解决能源与环境两大问题的一个最佳选择。权威报告显示，中国能源需求的 7%将来自新能源，2020年这一数字将达到10%。在今年国际太阳能热利用大会上，“太 阳能应尽快强制推广”成为了与会政界官员、学界专家和企业界人士一致的呼声。专 共 26页 第 5 页 毕业项目报告纸 家预计在2008年以后，太阳能产业的增长速度将超过40%。在政府推动和市场拉动 的双重作用下，太阳能产业将进入一个长期的“牛市”。 虽然太阳能源让人垂涎欲滴，但是太阳能家电的研发和应用在我国尚处起步阶? ? 段。据介绍，太阳能的利用主要分为“光热型”和“光电型”，光热型的产品目前主? ? 要是太阳能热水器。 ? ? ? ? ? 在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的，其? ? 产业化进程也领先一步。据了解，太阳能热水器的使用寿命可长达15年，由于能源? ? 费用消耗近乎于零，再加上10%~50%的利润空间，使得海尔、新飞、小鸭、华帝、澳装 ? 柯玛、万家乐、同益等家电企业纷纷介入太阳能热水器市场。据我国太阳能热水器最? ? 大的生产商广东五星集团工作人员介绍，在家用能源中，耗能的60%来自于洗浴，也? ? 就是卫生间的能量消耗；以往国内居民家中多数用的是电热，燃气热水器，都是消耗订 不可再生能源的“小老虎”。中国太阳能热利用委员会副主任、广东五星太阳能有限? ? 公司董事长胡广良认为，从节能环保的角度看，这种能源应用状况必须改变，因此将? ? 太阳能和空气热能应用于家庭生活中取代旧能源，将成为未来社会发展的必然趋势。 ? 线 根据国家发改委今年4月出台的《推进全国太阳能热利用工作实施》，我国? ? 即将制定太阳能热水器的强制安装政策。据统计，到去年年底，我国太阳能热水器面? 积已经达到约9000万平方米，占到世界太阳能热水器面积的60%左右。国家发改委? ? 副主任陈德铭预测，到2020年，我国太阳能热水器的安装将达到3亿平方米，总产? ? 值将达到3千亿元，这意味着国内太阳能企业将分食越来越大的“阳光蛋糕”。国家? ? 发改委能源研究所李俊峰指出，根据我国目前的太阳能产业发展现状，太阳能热水器? ? 的各项技术已经成熟，工业基础较为完备，具备了强制推广的条件。未来一段时间，? ? 我国政府需要做的就是尽快制定太阳能、税收和财政资金的相关政策，推动太阳能产 业的快速发展。 不过，据广东省新能源电器专业委员会主任唐璧奎介绍，太阳能热水器也面临着 购买、安装、忽冷忽热等一些需要解决的问题。使用其他能源补充太阳能，并且与太 共 26页 第 6 页 毕业项目报告纸 阳能家电组合起来，将是问题的解决之道。据介绍，使用热泵作为补充的太阳能热水 器，由于依靠热辐射而不是光照的技术，可以使目前太阳能热水器面临的安装和忽冷 忽热的问题得到解决。此外，热泵式太阳能热水器还可以像空调室外机箱一样挂在墙? ? 外，无论是否顶楼住户都方便安装。 ? ? 另据介绍，太阳能热水器的厂商也开始着手解决渠道问题。据了解，五星正在与 ? 国美、苏宁等大型卖场磋商进驻的问题，目前已进入实质性谈判阶段，五星的太阳能? ? 热水器产品有望在下半年进驻广东地区各大卖场。 ? ? ? ? 通过太阳能的光能转化为电能，太阳能的应用就可以更加广泛了。包括电视、冰? ? 箱、洗衣机等各种家电在内都可以受益。据青海省新能源研究所副所长吴达成介绍，装 ? 截至目前，青海省已有近3万户牧民用上了太阳能电源，牧区用电率达30％。太阳 ? 能发电装置在我国青海省投入使用，居民可以使用清洁节省的能源在家中收看太阳能? ? 电视。不过，此类产品的普及还需要一段时间。 ? 订 ? ? ? ? 2007年7月11日，我国首个利用太阳能制冷技术储存国家储备粮的空调系统，? 线 由专家在盱眙调试成功。据介绍，太阳能空调其实是一种双燃料空调，晴天时用免费? ? 的太阳能作为吸收式制冷机的能源，阴雨天及夜间则用天然气补燃。它的一个很重要? 的特点是太阳能辐射越强烈时空调制冷能力越强。统计表明，一间18平方米的居室，? ? 用它可使室温保持在20?左右，并节电60％以上。 ? ? 据介绍，在太阳能空调方面，也存在“组合拳”的问题。使用太阳能与热泵结合? ? 产生空调制冷的方式是未来太阳能空调的发展方向。由于热泵的工作原理，空气中本? ? 身日益变暖的热量与日常空调工作时释放出的热量都将被吸入，转化成能源使用，既? ? 经济又环保，普及使用的话，还将解决气候变暖的问题。 共 26页 第 7 页 毕业项目报告纸 在全球能源形势紧张、全球气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天， ? 世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势? ? 地位。太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注重点。国外许多科研? ? 人员巧妙利用太阳能，研制、开发出了一系列具有独特功能的太阳能家电新品，使人? ? 耳目一新。在法国有15%的能源来自可再生能源，到2010年这个比例要达到21%。 ? ? ? ? ? ? 芬兰电器有限公司展示的太阳能电视机只要白天把半导体硅光电转换器放在阳装 台或窗台上，在阳光下充电，到了晚上便可利用硅光电转换器供电观看电视。转换器? ? 储存的电能，可供工作电压为12伏的电视机使用5小时。印度研制的太阳能电视机，? ? 其能源吸收系统只要每天工作4小时，即使3天无太阳，也能不用电源而正常接收讯? 订 号收视节目。 ? ? ? ? ? 线 英国伦敦电器公司研制了三款新型太阳能洗衣机，双功率型、快洗型和超静音型? 太阳能洗衣机。其中，最走俏的是超静音型洗衣机是目前最安静的滚筒洗衣机，它比? ? 波轮洗衣机的噪音更低。双功率型洗衣机为了满足一部分用户家中电表功率较小的实? ? 际情况，专门设置了双加热功率，分别为1000瓦（5安培）和1700瓦（7~10安培）。? ? 快洗型是该公司根据市场需求开发的新型滚筒洗衣机，采用毛洗程序切换为快洗程序? ? 的方式，加快了滚筒洗涤速度，也提高了洗涤的质量。 ? ? ? ? 俄罗斯别林电器公司展示的太阳能冰箱，在市场上十分抢手。 这种冰箱不仅造型新颖，而且用电量很少，为了进一步达到节电的目的，太阳能 冰箱装有温度调节器，可根据需要随时调节温度以适应用户的需要。法国巴黎电气公 共 26页 第 8 页 毕业项目报告纸 司展示的太阳能冰箱，采用甲醇作为制冰剂，每小时可制冰10公斤，可保鲜30公斤 食物。印度展示了一款可供仓库用的大型太阳能冰箱，这款冰箱的上部安装了一块抛 物线型反光镜，可以将阳光集中聚焦在半导体网孔上，把光能转换成电能，箱内温度? ? 可保持在-2?，可供冷藏500公斤食品，此外，这款冰箱每天还能够制冰25公斤。? ? 美国惠尼普尼公司推出的太阳能冰箱，除了使用太阳能作能源之外，另外一个特点是? 采用不会造成大气层温室效应的R134a作制冷剂，对环境保护非常有益，因此在市场? ? 上十分畅销。 ? ? ? ? ? ? 日本制成了世界上第一架太阳能照相机，重量仅有475克，机内装有先进的太阳装 ? 能电池系统，其蓄电池可连续使用4年。美国一家公司生产了一种新型的135太阳能? ? 照相机，它的光圈、速度均由微电脑自动控制，电力则由太阳能硒光电池提供，只要? ? 有光线就能供电使用。 订 ? ? ? ? 以太阳能作能源的无线电话已在英国一家无线电公司问世。它利用顶端上装的太? 线 阳能接收板，可以不断给电池充电。使用者的声音通过无线电波输入附近的电话交换? ? 机，再传送到各地电话通讯网去。 ? ? ? ? ? ? 美国家宝电子公司展示了一款利用太阳能为能源的防火防盗监视器。这种防火防? ? 盗监视器体积小，重量轻，用太阳光作为电源，在阳光下自动充电两天，可供阴天连? ? 续使用480个小时，有防火、防盗报警功能，并可自动调节音量、声响时间、监测距 ? 离及延长报警时间等。适用于住宅、别墅、办公室、商店、工厂及库房等。这种防火 防盗监视器的特点是非常灵敏可靠，一旦发生火灾或者窃贼“光临”，一触即发，立 即发出警报，由于报警及时，使消防人员能够及时赶来灭火，使窃贼还未来得及反应 就成了“瓮中之鳖”，只好束手就擒。 共 26页 第 9 页 毕业项目报告纸 太阳能电池的主要优点是：光能转换为电能，而电能的应用面最广和最方便，工 作寿命长，结构简单而紧凑，比功率高，运行方便可靠，不需运行和维修费用。主要? 缺点是：效率较低，每平方米太阳能电池所发出的功率约为100W，因而需要大面积? ? 的太阳能电池阵列，初始投资高，当无阳光而仍要求用电时，需配备蓄电池。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 装 ? 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。现? ? 在单晶硅的电地工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、订 ? 分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。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。在此方面，德国夫朗霍? ? 费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池线 表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减? ? 反射涂层相结合．通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制? ? 得的电池转化效率超过23%，是大值可达23．3％。Kyocera公司制备的大面积（225cm2）? ? 单电晶太阳能电池转换效率为19．44%，国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体? ? 硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cm X 2cm）转换效率达 ? ? 到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm X 5cm）转换效率达8.6%。 ? 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。为了节省高质量材料，寻找单 晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非 晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。 共 26页 第 10 页 毕业项目报告纸 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350－450μm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，但由于生长的硅膜晶粒大? ? 小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止? ? 过研究，并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括 ? 低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相? ? 外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。 ? ? 化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,为反应气体,在一定的? 装 保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、? ? Si3N4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成? ? 空隙。解决这一问题办法是先用 LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这? 层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，订 ? 再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再? ? 结晶法。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。德国费莱堡太阳能研究线 ? 所采用区馆再结晶技术在FZ Si衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19％，日本三 ? ? 菱公司用该法制备电池，效率达16.42%。 ? 液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。美国? ? Astropower公司采用LPE制备的电池效率达12．2％。中国光电发展技术中心的陈哲? ? 良采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒，并设计了一种类似于晶体硅薄膜太? ? 阳能电池的新型太阳能电池，称之为“硅粒”太阳能电池，但有关性能方面的报道还? ? 未见到。 ? 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。 共 26页 第 11 页 毕业项目报告纸 提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素，对于目前的 硅系太阳能电池，要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此，今后研究的重点 ? 除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，现有的高转换效率的太阳能? ? 电池是在高质量的硅片上制成的，这是制造硅太阳能电池最费钱的部分。因此，在如? ? 何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要。也是今后太阳能? ? 电池发展急需解决的问题。近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳? ? 能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较理想的。? ? ? ? 装 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 共 26页 第 12 页 毕业项目报告纸 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环 境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力 ? 的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。 ? ? 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后 ? ? 发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为： ? 1、硅太阳能电池； ? ? 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。 ? 装 一、硅太阳能电池 ? 1．硅太阳能电池工作原理与结构 ? ? 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下： ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? 图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。 ? ? 当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一? ? 个空穴，它的形成可以参照下图： ? ? ? ? ? ? ? 图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的 表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的 共 26页 第 13 页 毕业项目报告纸 空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P （positive）型半导体。 同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非 ? 常活跃，形成N（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。? ? 如下图。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 装 N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P? ? 型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。 ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? 当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特 ? 殊的薄层)，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，? ? N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩? ? 散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达? ? 到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。 ? ? 当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往 ? N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就 形成了电源。(如下图所示） 共 26页 第 14 页 毕业项目报告纸 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 装 ? ? ? ? 由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中流动，电阻 ? 订 非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不 ? 能产生，因此一般用金属网格覆盖p－n结（如图 梳状电极），以增加入射光的面积。 ? ? 另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家? ? 们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），将反射损失减小到5％甚至更线 ? 小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36 ? ? 个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。 ? 2．硅太阳能电池的生产流程 ? ? 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm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。 ? ? ? ? ? 共 26页 第 15 页 毕业项目报告纸 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 上述方法实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，目前制备多晶硅薄膜电池多采? ? 用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积装 ? （PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜? ? 电池。 ? 化学气相沉积主要是以SiHCl、SiHCl、SiCl或SiH,为反应气体,在一定的保22344? 订 护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO、SiN234? ? 等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。? ? 解决这一问题办法是先用 LPCVD在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶? 线 硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结 ? 晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶? ? 法。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。 ? ? 三、纳米晶化学太阳能电池 ? ? 在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但由于成本居高不下，远 ? 不能满足大规模推广应用的要求。为此，人们一直不断在工艺、新材料、电池薄膜化? ? 等方面进行探索，而这当中新近发展的纳米TiO晶体化学能太阳能电池受到国内外科2? 学家的重视。 以染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs）为例，这种电池主要包括镀有透明导 电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。 共 26页 第 16 页 毕业项目报告纸 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 装 ? ? 阳极：染料敏化半导体薄膜（TiO膜） 2? ? 阴极：镀铂的导电玻璃 ? --订 电解质：I/I 3 ? ? 如图所示，白色小球表示TiO红色小球表示染料分子。染料分子吸收太阳光能跃 2, ? 迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO导带，染料中失去的电子 2? ? 则很快从电解质中得到补偿，进入TiO导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回 2线 ? 路产生光电流。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 共 26页 第 17 页 毕业项目报告纸 纳米晶TiO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。 2 其光电效率稳定在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到 20 ? 年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场 ? ? ? ? 光伏系统是太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜等? ? 设备组成。其各部分设备的作用是： ? ? （1）太阳能电池方阵：在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）? ? 情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就 ? 是“光生伏打效应”。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将? 装 光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能? ? 电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。 ? ? （2）蓄电池组：其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负? 订 载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a、自放电率低；b、使用寿 ? 命长；c、深放电能力强；d、充电效率高；e、少维护或免维护；f、工作温度范围宽；? ? g、价格低廉。目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉? ? 镍蓄电池。配套200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸线 ? 蓄电池，每只蓄电池的额定电压为2VDC;配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小? ? 型密封免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为12VDC。 ? ? （3）充放电控制器：是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的? 循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组? ? 过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。（4）逆变器：将直流电转换为? ? 交流电的设备，由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器? ? 是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行? 逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网 运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波形可分为方波逆变器和正弦波逆变器。 方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不 高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。 共 26页 第 18 页 毕业项目报告纸 逆变器保护功能： A、过载保护；B、短路保护；C、接反保护；D、欠压保护；E、过压保护；F、过热保 护。 ? ? （5）交流配电柜：其在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系? ? 统的正常供电，同时还有对线路电能的计算. ? ? ? ? ? ? ? ? ? 装 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 共 26页 第 19 页 毕业项目报告纸 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 装 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? “光生伏特效应”，简称“光伏效应”。指光照使不均匀半导体或半导体与金属 结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能 量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果 两者之间连通，就会形成电流的回路。 共 26页 第 20 页 毕业项目报告纸 热平衡态下的P-N结 P－N结的形成： ? 同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。由于杂质的激活能量很小，在室? ? 温下杂质差不多都电离成受主离子NA－和施主离子ND＋。在PN区交界面处因存在载? ? 流子的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间，在N区的电子为多子，? 在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样? ? 在原来是N区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的施主离子ND＋形成正的空? ? 间电荷。同样，空穴由P区扩散到N区后，由不能运动的受主离子NA－形成负的空? ? 间电荷。在P区与N区界面两侧产生不能移动的离子区（也称耗尽区、空间电荷区、? 装 阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场）此电场对两区多子的扩 ? 散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在? ? 界面两侧建立起稳定的内建电场。 ? ? 订 P-N结能带与接触电势差： ? ? ? 在热平衡条件下，结区有统一的EF；在远离结区的部位，EC、EF、Eν之间的关? ? 系与结形成前状态相同。从能带图看，N型、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有 线 一定差值。当N型与P型两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低? ? 的一方流动，空穴流动的方向相反。同时产生内建电场，内建电场方向为从N区指向? ? P区。在内建电场作用下，EFN将连同整个N区能带一起下移，EFP将连同整个P区? ? 能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP，载流子停止流动为止。在结区这时? ? 导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。势垒高度等于N型、P型半导体单独存在? 时费米能级之差： ? ? ? qUD=EFN-EFP得 ? UD=(EFN-EFP)/q q：电子电量 共 26页 第 21 页 毕业项目报告纸 UD：接触电势差或内建电势对于在耗尽区以外的状态： UD=(KT/q)ln(NAND/ni2) ? ? NA、ND、ni：受主、施主、本征载流子浓度。可见UD与掺杂浓度有关。在一定? ? 温度下，P-N结两边掺杂浓度越高，UD越大。禁带宽的材料，ni较小，故UD也大。 ? ? P-N结光电效应 ? ? ? 当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。? ? 但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，? ? N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区 装 ? 的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂 ? 移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。? ? 这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生? 订 一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电? ? 场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向? ? N区，其方向与光电流相反。实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有 ? 贡献。设N区中空穴在寿命τp的时间内扩散距离为Lp，P区中电子在寿命τn的时线 ? 间内扩散距离为Ln。Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩? ? 散距离L内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的? ? 电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效应无贡献。 ? ? ? 光照下的P-N结电流方程 ? 与热平衡时比较，有光照时，P-N结内将产生一个附加电流（光电流）Ip，其方向与? ? P-N结反向饱和电流I0相同，一般Ip?I0。此时 ? ? I=I0eqU/KT - (I0+Ip)令Ip=SE，则 I=I0eqU/KT - (I0+SE) 开路电压Uoc： 共 26页 第 22 页 毕业项目报告纸 光照下的P-N结外电路开路时P端对N端的电压，即上述电流方程中I=0时的U 值： 0=I0eqU/KT - (I0+SE) ? ? Uoc=(KT/q)ln(SE+I0)/I0?(KT/q)ln(SE/I0) ? ? 短路电流Is 照下的P-N结，外电路短路时，从P端流出，经过外路， ? N入的电流称为短路电流Isc。即上述电流方程中U=0时的I值，得Isc=SE。Uoc? ? 与Isc是光照下P-N结的两个重要参数，在一定温度下，Uoc与光照度但最大值? ? 不超过接触电势差UD。弱光照下，Isc与E有线性关系。 ? ? （a)无光照时热平衡态，NP型半导体有统一的费米能级，势垒高度为qUD=EFN-EFP。 ? ? （b)稳定光照下P-N结外电路开路，由于光生载流子积累而出现光生电压Uoc不再有 装 ? 统一费米能级，势垒高度为q(UD-Uoc)。 ? （c)稳定光照下P-N结外电路短路，P-N结两端无光生电压，势垒高度为qUD，光生? ? 电子空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。 ? 订 （d)有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压Uf，另一部分光电流被P-N? ? 结因正向偏压引起的正向电流抵消，势垒高度为q(UD-Uf)。 ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 共 26页 第 23 页 毕业项目报告纸 太阳能发电，其基本原理就是“光伏效应”。太阳能专家的任务就是要完成制造 ? 电压的工作。因为要制造电压，所以完成光电转化的太阳能电池是阳光发电的关键。 ? 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都? ? 来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的? ? 一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用? ? 的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技? ? 术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电 ? 转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光? ? 伏技术。通过网上查找能够了解太阳能光伏电池的一些基本知识，掌握太阳能发装 ? 电的原理，进行简单的电路分析。 ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 共 26页 第 24 页 毕业项目报告纸 这次毕业设计是在我的导师秦咏红老师的悉心指导下完成的。在整个毕业设计任 务和论文的完成过程中，秦老师都付出了很多的心血，她在百忙之中抽出宝贵的时间，? ? 多次询问设计进程，为我指点迷津。秦老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏? ? 实实的精神，深深的影响了我，她渊博的知识、严谨的治学态度以及对学术敏锐的洞 ? 察力，使我受益匪浅，终生难忘。在此，我要真诚地感谢秦咏红老师在这段时间里你? ? 不仅仅是我的导师，更是我各方面的启明灯。 ? ? 在此我要感谢电气0615班的全体同学们和周丽娟老师，是他（她）们给我提供? ? 了一个良好的学习环境，得到了许多同学的帮助在和他们的讨论和交流过程中，使我? ? 增长了不少知识，积累了不少经验。 装 除了以上具体提到的，我还要感谢我的实习单位的全体工作人员，是你们为我? ? 提供了一个良好的实践环境。当然，在我知识的积累和人生的成长过程中，还有很多? ? 曾经帮助过我的人，他们在各自的岗位上默默地作出了贡献，所以在这里，我要向所? 订 有关心和帮助过我的人表示我最诚挚的祝福和感谢！ ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 共 26页 第 25 页 毕业项目报告纸 ? （1）赵玉文.太阳电池新进展.北京太阳能研究所，2004. ? ? ? （2）龙志文.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2005. ? ? ? （3）史博士.风起云涌：中国多晶硅市场的江湖，2007-12-12. ? ? ? （4）清华大学微电子学研究所 北京 100084 ? ? ? （5）机械工业学 丁数模 装 ? ? （6）数字电路 电子工业出版社2003 1 ? ? ? （7）现代测控电路 李刚 高等教育出版社2004 11 订 ? ? （8）人工晶体学报：2009年各期 ? ? ? （9）电力工程电气设计200例(卓乐友,中国电力出版社) 线 ? ? （10）检测技术与智能仪表．长沙：中南工业大学出版社，1998 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 共 26页 第 26 页