应用光伏学完整版Word格式文档下载.docx
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第二章半导体与pn结
11839年，贝克勒尔发现了某些材料在被曝光时产生电流的现象，这就是现在我们所称的光伏效应，是光伏器件或者太阳能电池运作的基础。
2半导体材料的电学特性通常可以采用两种模型来解释，分别是化学键模型和能带模型
3化学键模型下材料的两种导电过程1）电子从被破坏掉的共价键中释放出来自由运动；
2）电子也能够从相邻的共价键中移动到由被破坏的共价键所产生的空穴里，而那个相邻的共价键便遭到破坏，如此就能使得遭破坏的共价键或称空穴得以传播，如同这些空穴具有正电荷一般。
4能带模型根据价带和导带间的能级来描述半导体的运作特性。
电子在共价键中的能量对应于其在价带的能量。
电子在导带中是自由运动的，带隙的能量差反应了使电子脱离价带跃迁到导带所需的最小能量。
只有电子进入导带才能产生电流。
同时空穴在价带以相反于电子的方向运动，产生电流，这个模型被称为能带模型。
5半导体的种类：
用来制造太阳能电池的硅和其他材料的半导体通常有单晶体、mc多晶体、pc多晶体、微晶体和无定形晶体，微晶体的晶粒小于1μm，pc多晶体的晶粒小于1mm,mc多晶体的晶粒小于10cm`
6非晶硅在原子结构上没有长距离的有序排列，导致在材料的某些区域含有未饱和键或悬挂键，这些又导致了在禁带中的额外能级。
，因而无法对纯的半导体进行掺杂，或者在太阳能电池的构造中获得较好的电流。
7光的吸收当光照射到半导体材料时，拥有比禁带宽还小的能量的光子与半导体间的相互作用极弱，于是顺利地穿透半导体，就好像半导体是透明的一样，然而，能量比带隙能量大的光子会与形成共价键的电子相作用，用它们自身所具有的能量去破坏共价键，形成可以自由流动的电子-空穴对。
8复合在没有外界能量来源的情况下，电子和空穴会无规则运动直到他们相遇并复合，任何在表面或者内部的缺陷、杂质都会促进复合的产生。
9材料的载流子寿命可以定义为电子空穴对从产生到复合的平均存在时间，对于硅，典型的载流子寿命约是1微妙。
第三章太阳能电池的特性
1太阳能电池电力输出的两个主要制约参数为1）短路电流当电压为0时，电池输出的最大电流。
在理想情况下如果V=0，Isc=Il,Isc与所接收光的光照强度成正比。
2）开路电压当电流为0时，电池输出的最大电压，开路电压随辐射强度的增加呈对数方式增长，这个特性使得太阳能电池特别适用于为蓄电池充电
2填充因子是衡量电池P-N结的质量以及串联电阻的参数
3光谱响应：
当单个光子的能量比构成电池的半导体材料的禁带宽度大时，太阳能电池就会吸收和这个光子并产生一个电子空穴对，在这种情况下，太阳能电池对入射光的光子产生响应。
光子能量超出禁带宽度的部分迅速以热量形式散失。
4太阳能电池的量子效率（QE）：
假设照射到太阳能电池上的光子在电池内部产生电子空穴对，最终这些载流子对太阳能电池输出电流产生贡献的概率。
5太阳能电池的工作温度是由环境温度、封装电池的组件的特性、照射在组件上的日光强度以及其他一些变量，比如风速等因素决定的。
6对于硅太阳电池来说，温度的上升的主要影响是开路电压和填充因子的下降，因而导致了输出电功率的下降。
7太阳能电池通常伴随着有寄生串联电阻和分流电阻，两种寄生电阻都会导致ＦＦ降低。
串联电阻主要来源于半导体材料的体电阻、金属接触与互联、载流子在顶部扩散层的运输，以及金属和半导体材料之间的接触电阻。
分流电阻是由于pn结的非理想性和结附近的杂质造成的，它引起结的局部短路，尤其是在电池边缘。
第四章太阳能电池特性和设计
1光伏系统发电的成本取决于其初期成本、使用寿命、运行成本、电能输出量，以及贷款的费用、目前的货币价值在日后的贴现率。
2太阳能电池光学损失的减少方法：
1）将电池表面顶层的电极面积减少到最小。
2）在电池表面使用减反射膜，为了将反射进一步最小化，可以将减反射膜的折射率设计为膜两边材料。
3）通过表面制绒也可以减少反射，晶体硅表面通过沿着晶面的腐蚀而被均匀的绒化，如果晶体硅的表面是按照内在原子的排列规律适当地排列而成，表面就会形成金字塔结构，绒化的或粗糙化的表面的另外的一个好处是光按照斯涅尔定律倾斜的耦合进硅体中。
4）电池背表面的高反射减少了电池背电极的吸收，使到达背表面的光线被弹回，再度进入电池而有可能被吸收。
如果背面反射体能够完全随机式地打乱反射光的方向，光线可能会因为电池内部的全反射而被捕获在电池内。
P35
3.太阳能电池对更大波长辐射的转换效率（或者红光响应）可以通过增加电池“背电场（BSF）”的方式来改善，也就是降低背表面的复合速率。
4.复合能够通过以下几种机理发生：
1）辐射复合—吸收的反过程。
电子从高能态返回到较低能态，同时释放光能。
2）俄歇复合—碰撞电离的反过程。
电子和空穴复合释放出多余的能量，这些多余的能量被另一个电子吸收，随后，这个吸收了多余能量的电子驰豫返回原先的能态并释放出声子。
俄歇复合在掺杂较重的材料中尤其显著；
3）通过陷阱复合—当半导体中的杂志或表面的界面陷阱在禁带间隙中产生允许的能级时，这个复合就能发生，电子分成两个阶段完成与空穴的复合，首先电子跃迁到缺陷能级，然后再跃迁到价带。
5.要收集太阳电池产生的电流，金属顶电极是必需的。
主栅线和外部导线直接相连，而副栅线是更细小的金属化区域，用来收集电流传输给主栅线。
顶电极的设计目标是通过优化电流收集来减少由于内部电阻和电池遮蔽而产生的损失。
6.除了横向电流损失，主栅线和副栅线也是导致多种损失的原因。
这些损失包括遮光损失、电阻损失（也称欧姆电阻损失）以及接触电阻损失。
7.电池设计时，大体上可认为：
1）当主栅线电阻损失等于其遮光损失时，主栅线宽度最佳。
2）渐缩的主栅线比宽度恒定的主栅线所引起的损失小。
3）单元电池的尺寸，副栅线宽度以及副栅线的间距越小，引起的损失就越小。
P39
8.为了制作更为高效的硅太阳能电池，在实验室制造环境下使用的一些技术和设计包括:
P401）轻扩散的磷发射区，这是为了减少复合损失，并避免电池表面产生死层；
2）间隔紧密的金属栅线，这是为了使发射区横向电阻引起的功率损失最小化；
3）极细的金属栅线，宽度一般小于20微米，其目的是尽可能的减少遮光损失；
4）抛光或研磨的表面，从而可以通过光刻的方法形成顶电极栅线的图案；
5）小面积器件和良好的金属传导性，可以将金属栅线的电阻减到最小；
6）减小电极的面积，以及重掺杂位于电极下方的硅表面，使复合率尽可能降低；
7）使用贵金属的金属化方案，如钛-钯-银，从而获得极低的接触电阻；
8）有效的背面钝化，以减小复合；
9）减反射膜的使用，这能使表面反射从30%减小到远低于10%以下。
9.出于减少处理步骤以及降低成本的考虑，以下技术通常不会在工业生产中使用：
光刻工艺；
钛-钯-银蒸发接触；
双层减反射膜；
小面积器件；
抛光或研磨硅片的使用。
10.为了确保产品可以商业化，工业生产要求：
P40廉价的材料和加工过程；
简易的技术和工艺；
高产量；
大面积器件；
较大的金属接触面积；
和绒化表面相兼容的工艺。
11.典型的大规模生产商业太阳能电池制造步骤如下：
1）通过表面制绒形成金字塔。
通过使被金字塔表面反射的光线，在逃离电池表面之前至少撞击另一个金字塔表面一次，使入射光反射率大约33%减小到11%。
2）上表面磷扩散，以提供一层既薄而又重掺杂的Ｎ型层。
３）通过丝网印刷在电池背面覆盖铝浆或银铝浆，然后烧结形成背电场和背金属电极。
４）化学清洗。
５）丝网印刷并烧结正面银电极。
6）边缘结隔绝，以切断正面电极和背面电极之间的传导路径。
12.相对于传统电池的制造工艺，激光刻槽-埋栅太阳能电池（BCSC）具有以下优势：
P41。
1）高电极纵横比（接触电极的厚度/宽比例较大）；
2）极细的顶电极栅线（20微米）；
3）在大面积器件上的遮光损失从丝网印刷电池的10%~15%减小到2%~3%；
4）由于低金属电阻和接触电阻损失，填充因子极佳；
5）刻槽的宽度不变，通过增加它的深度来增加金属的横截面积，而不增加遮光面积；
6）能够在无性能损失的前提下增大器件尺寸；
7）不需要光刻、减反射膜、抛光或研磨的表面或钛-钯-银等昂贵的镀金材料；
8）非常简单的生产过程；
9）由此类电池发电的成本显著低于标准丝网印刷电池；
10）高达20%的大面积太阳能电池效率和高达18%的组件效率已经被证实，而使用丝网印刷技术制造的电池效率分别只能达到14%和11%。
13.它被作为聚光太阳能电池使用时还有额外的优势：
1）在较低成本的多晶或者单晶材料衬底上可以达到更高的效率；
2）可以是用成本更低的镍-铜镀金；
3）“自对准”的工艺流程；
4）仅在刻槽区域采取更深的扩散掺杂，有效的避免了金属与发射区的直接接触，同时确保了发射区的低掺杂浓度，因而更为高效；
5）通过使用轻掺杂的发射区来避免上表面死层的产生，从而显著改善电池对于短波光的响应；
6）大面积的镀金槽壁和重掺杂的接触区域减小了接触电阻。
14.激光刻槽-埋栅太阳能电池（BCSC）的制造工艺流程：
P42。
1）表面制绒；
2）表面磷扩散和氧化；
3）激光刻槽；
4）化学清洗；
5）槽壁磷重扩散；
6）背表面铝金属化和烧结；
7）顶电极、背电极同时进行无电镀（镍-铜-银）。
8）边缘结隔绝。
第五章光伏电池的互联和组件的装配
1单个的单晶硅电池所能得到的最大电压只有600mV，电池一般被串联在一起以获得所期望的电压，一般36个电池串联在一起形成一个额定电压为12V的充电系统。
在峰值日照情况下（100mW/m2）,一个电池的最大电流越大约是30mA/cm2，电池因此并联在一起以获得预期的电流。
P44
2在实际情况中，所有电池都具有不同的特性，输出最小的电池限制了整个组件的总输出，组件中电池的最大输出的总和与组件实际达到的最大输出之间的差别就是失谐损耗。
3存在于组件里的失谐电流可导致某些电池在产生能量而某些电池在消耗能量，最坏的情况是，当组件或者组件串被短路时，所有好电池的输出都会消耗在坏电池上。
4能量在坏电池上的消耗导致电池P-N结的局部击穿，再很小的区域会产生很大的能量消耗，导致了局部过热，或者称为“热点”，从而会导致电池或玻璃开裂、焊料熔化等破坏性的结果。
P46
5对于热点问题和失谐电流，一个解决办法是在原电路基础上加装旁路二极管，通常情况下，例如光线不被遮挡时，每个二极管出于反偏压，每个电池都在产生电能，当一个电池背遮挡时会停止产生电能，成为一个高阻值电阻，同时其他电池促使其反偏压，导致连接电池两端的二极管导通，原本流过被遮挡的电池的电流被二极管分流。
对于硅太阳电池，一个旁路二极管最多连接10~15个电池。
因此对于通常的36电池片组件，至少需要3个旁路二极管以保证不被热点所损坏。
P47
6对于并联组件，当使用旁路二极管时会发生热失控——一串电池的旁路二极管比其余的热，承载了很大一部分电流，因此导致更热，因此应当选用能够承受组件合并所产生的并联电流的二极管。
合格的二极管应当能够承受受其保护组件的2倍的开路电压或者1.3倍的短路电流的工作条件。
7阻塞二极管的作用是保证电流只会从组件里流出。
8组件符合以下要求，就达到了质量标准：
1）没有明显的肉眼能够看到的缺陷。
2）在ＳＴＣ情况下，经过单个测试后的最大输出功率的降格小于５％，在所有测试程序之后的最大输出功率的降格小于８％．３）通过绝缘性测试和高电压测试。
４）样品不存在任何明显的断路或接地故障。
P48
９组件的抗候性：
组件必须能够经受像灰尘、盐、沙子、风、雪、雨、冰雹、鸟、湿气的冷凝和蒸发、大气气体的污染物、每日和季节温度的变化，以及能在长时间紫外光照射下保持性能
10组件的顶部盖板必须具有并且保持对于350~1200nm波段太阳关的良好的透过率，它必须具有好的抗冲击能力，具有坚硬光滑、平坦、耐磨、以及能利用风雨或喷洒的水进行自我清洁的抗污表面。
回火过的低铁含量卷制玻璃是当前作为顶层表面的最佳选择，因为它相对便宜，坚固、稳定、具有高透光率、密封性和良好的自清洁能力。
低铁玻璃可以让透过率达到91%。
11大部分长时间湿气的渗入是组件失效的原因，水蒸气在电池板或者电路上的冷凝会导致短路或者腐蚀，因此密封组件必须对气体、蒸汽或液体有很强的抵御性。
通常的封装材料是乙烯-醋酸乙烯共聚物（ＥＶＡ）、特氟纶和铸件树脂。
EVA被普遍应用于标准组件，通常在真空室中处理。
特氟纶用于小型特殊组件上，它的前面不再需要覆盖玻璃。
树脂封装有时被用在大型组件上。
12对于晶体硅材料，尤其需要组件尽可能的在较低的温度运行，这是因为：
1）在低温下电池的输出会增多；
2）热循环和热应力将会减少；
3）温度每升高10摄氏度，降格速率会增长大约1倍。
P49
13对于不同的封装类型，具有截然不同的热特性，制造者利用这点制造出不同的产品来满足不同的市场需求。
一个典型制造商可能提供以下一些特性不同的组件：
海洋组件；
注塑成型组件；
袖珍型组件；
层压式组件；
光伏屋顶瓦片；
建筑一体化薄板。
14额定电池工作温度（NOCT）的定义为，当组件中电池处于开路状态，并在以下具有代表性的情况下所达到的温度：
电池表面光照强度=800W/m2；
空气温度=20摄氏度；
风速=1m/s;
支架结构=后背面打开。
P50
15需要安装接地泄露安全装置的情况：
1）阵列Voc<
50Ｖ无须安装。
２）50V＜Voc<
120V，如果系统是接地并绝缘的，那么在直流端需要安装接地故障保护，或者非绝缘情况下在交流端安装直流敏感剩余电流装置。
3）阵列Voc>
120V，除了上述措施以外，需要为浮置的、绝缘的阵列安装一个绝缘监视器。
16组件的操作寿命是、主要是由封装的耐久性决定的，实际应用表明，在20到30年预期寿命之后，太阳能组件就会以不同的形式降格或者失效，典型的性能损耗范围每年在1%~2%。
17每年运行时有各种降格所引起的预期输出减少量：
P52
1）前表面污损---随着前表面灰尘的积累会降低组件的性能。
组件的玻璃表面通过风雨的洗刷实现自我清洁，而将这些损失保持在10%以下；
然而对于其他材料的表面而言这个损失的百分比可能更高。
2）电池的降格---组件中逐渐的降格主要是由以下因素引起的：
1 由于金属接触附着力的降低或腐蚀引起的Rs变大；
2 由于金属迁移透过PN结导致Rsh减少；
3 抗反射涂层的老化；
4 电池中活跃的P型材料硼形成硼氧化合物而造成衰减。
3）组件的光学老化---封装材料的变色可导致性能逐渐下降。
4）电池短路---短路容易在电池互联的地方出现。
对薄膜电池这是个比较常见的问题。
5）电池断路---这是个比较常见的问题。
尽管多余的连接点和互联的主栅线能通常确保电池正常地运行。
电池的破裂可以导致断路。
导致电池破裂的原因：
1）.热应力；
2）.冰雹或碎石；
3）.在生产或装配过程中造成的“隐形裂痕”，一般在生产检验时无法发觉，但是之后就会出现。
6）互联的断路和寄生串联电阻---由于循环热应力和风力负荷会导致连接件的疲劳，从而导致互联电路的断路故障，寄生串联电阻会随时间的推移而逐渐增大。
7）组件的断路和寄生串联电阻---断路故障和老化的影响也会在组件结构中出现，最典型的是在总电线和接线盒中发生。
8）组件电路短路---虽然所有组件在出售前都会经过测试，然而生产缺陷通常可能引起组件短路。
9）组件玻璃破损---顶部玻璃损坏可能出现的原因有人为故意破坏、热应力、安装操作不当、风或冰雹的影响。
10）组件脱层---一般由于较低的焊点强度，潮湿和光热老化等环境问题，或者因为受热和潮湿产生的膨胀不等而引起的。
11）热点故障---失谐的、破裂的或被遮挡的电池能导致热点故障。
12）旁路二极管故障---用于克服电池失谐问题的旁路二极管，也有可能产生故障，通常由于过热或规格不符造成的。
13）封装材料的失效---紫外线的吸收剂和其他密封稳定剂能保证封装材料具有更长的寿命。
随着流失和扩散，这些成分会逐渐耗尽，一旦浓度低于某个临界水平，封装材料会快速的降解。
特别是EVA层颜色的变深，伴随着乙酸的形成，会导致某些太阳能阵列输出功率的逐渐减小，特别是对于聚光系统。
1.独立光伏系统的应用：
P57
1）航天应用（如人造卫星和空间站）；
2）导航设备和报警装置（信号灯塔）；
3）无线电通信（如微波中继站、边远地区的无线电话、紧急呼叫电话）；
4）铁路公路信号灯；
5）阴极保护（如管道线路的防锈）；
6）10mW以下的电动消费产品（如计算器和钟表）；
7）蓄电池充电（照明、汽车的电力系统）；
8）教育、社会公益用电（如电视在发展中国家）；
9）冷藏设备（边远地区的药物和疫苗的储存）；
10）水泵（生活和灌溉的水供应）；
11）净化水；
12）太阳能车（高尔夫球车、太阳能汽车）；
13）照明（广告牌、安全照明、紧急报警灯）；
14）远程监控（如气象、污染、高速公路检测、水位高度、水质）；
15）远程测量供电；
16）气体流速测量；
17）直接驱动用电设备（如鼓风机、玩具）；
18）电网；
19）远程电动门；
20）边远村庄的供电（混合动力系统）；
21）并网发电时民用和商用电力的供应；
22）太阳能发电站。
2.每个单体（丝网印刷）太阳能电池的性能：
P59
1 开路电压（Voc）=600mV（25ʗ）；
2 短路电流（Isc）=3.0A；
3 填充因子（FF）=75%；
4 最大功率电压（Vmp）=500mV（25ʗ）；
5 最大功率电流（Imp）=2.7A；
6 电池面积=100㎝2。
因此，36片电池串联得到：
1）开路电压（Voc）=21.6V（25ʗ）；
2）短路电流（Isc）=3.0A；
3）填充因子（FF）=75%；
4）最大功率电压（Vmp）=18V（25ʗ）；
5）最大功率电流（Imp）=2.7A。
3.封装到组件中的电池比未经封装的电池平均效率要低的原因：
1）玻璃的表面反射；
2）电池与密封材料之间界面的反射；
3）电池之间的失谐损失；
4）互连阻抗损失。
4.为一个12V的铅酸蓄电池充电，需要使用Vmp=18V的组件的原因：
1）当太阳能电池工作温度升到60ʗ时，电压损失约2.8V；
2）通过阻塞二极管时电压下降0.6V；
3）通过稳压器时通常电压下降1.0V；
4）光照强度不足的情况下电压也会下降；
5）要使蓄电池完全充足电，需要14.0～14.5V的电压。
5.太阳能电池的使用寿命主要取决于：
封装质量，尤其指防潮保护。
P60
6.蓄电池的种类：
铅酸、镍镉、镍氢、充电式碱性、锂离子、锂高分子和氧化还原蓄电池。
其他电池技术：
如溴化锌、氯化锌、镁—锂、硫化钠、镍氢等。
7.蓄电池的应用：
1）维持系统运用（如水泵系统，）；
2）周期性短期存储，以便更有效地分配电力（如以24小时为一循环）；
3）为保证系统能够度过低日照月份而进行长期存储。
8.蓄电池的要求，对必须长期运行的蓄电池系统来说，蓄电池主要满足以下特征：
寿命长；
较长的负载周期和较低的漏电量；
比较高的充电效率；
低价格；
低维护。
9.蓄电池的效率：
P61
1）电量效率---通常在恒定放电率下测量，是指和充入电量相比较，所能够从蓄电池取回的电量比例。
漏电会影响电量效率。
2）电压效率---也是在恒定放电率状态下测量。
电压效率指的是将一个电荷充入蓄电池所需的能量，与将该电荷释放所获得的能量之比。
3）能量效率---电量效率和电压效率的乘积。
10.独力光伏系统的平均工作效率为80%～85%，冬天升高至90%～95%,的原因：
当蓄电池处于更低充电状态（85%～90%）时具有更高的电量效率；
大多数电荷直接进入负载，而非蓄电池（实验已经获得过95%的电量效率）。
11.蓄电池的额定功率（电流）：
充放电的最大速率。
单位：
安培（A）。
12.蓄电池容量：
在蓄电池电压不低于某指定值的情况下，蓄电池所释放的最大能量。
千瓦时（KWh）或安培时（Ah）。
铅酸蓄电池，放电率一般为10h；
光伏系统配套蓄电池的放电率一般被设为300h（20℃）。
13.蓄电池的放电深度（DOD）：
指从蓄电池取出电量占额定容量的百分率。
浅循环蓄电池的放电深度不应超过25%；
深循环蓄电池则可释放80%的电量，设计时必须调好电池的循环深度和容量之间的关系（P61）。
14.铅酸蓄电池的类型：
深（浅）循环、胶化蓄电池、受控和液体电解液蓄电池、密封和开放式蓄电池等。
密封式（阀控铅酸）蓄电池，不可以补充电解液。
15.极板材料：
铅酸蓄电池的极板类型：
P62
1）纯铅极板。
因纯铅极板柔软而又容易损坏。
操作时必须非常小心。
但它有底漏电率和较长的使用寿命等优势。
2）添加钙的铅极板（铅钙极板），强度会有显著提高，它的价格也较纯铅蓄电池更低。
但这种极板的蓄电池不适合反复深度放电，而且寿命更短一些。
被广泛地应用于阀控铅酸蓄电池中。
3）为增加强度和降低电阻率，锑也常被加进铅极板。
铅锑蓄电池通常应用于汽车工业。
实际上，它们比纯铅或铅钙蓄电池更便宜，但寿命较短，而且漏电问题更严重。
16.硫酸化：
光伏系统的蓄电池通常被用于恒定电压模式（浅循环模式）或循环模式。
在冬天，很多光伏系统中的蓄电池会长期处于低充电状态，这会带来不少问题，如长期的充电量底下会使极板上生成硫酸铅晶体，导致蓄电池的效率和容量降低。
这种
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