周鑫论文Word文件下载.docx

周鑫论文Word文件下载.docx

《周鑫论文Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《周鑫论文Word文件下载.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

本课题主要研究三种不同材料的太阳能电池板的伏安特性曲线及最大功率输出点的测试，建立数据库绘制数据图，并和标准的伏安特性曲线进行比较有何区别，产生这些区别的原因是什么，克服这些问题，为提高我国太阳能电池板的转化效率做出贡献。

关键字:

光生伏特效应最大功率输出点伏安特性曲线太阳能电池板

目录

绪论1

第一章太阳能的应用及工作原理2

1.1我国太阳能资源及太阳能的应用2

1.2太阳能发电方式3

1.3太阳能的利弊4

1.3.1太阳能发电优点4

1.3.2太阳能发电缺点5

第二章太阳能光伏发电系统原理7

2.1光电效应概述7

2.2光生伏打效应概述及应用7

2.3太阳能电池的工作原理及太阳能光伏发电系统工作原理8

第三章太阳能电池片的分类9

3.1单晶硅太阳能电池9

3.2多晶硅太阳能电池9

3.3非晶硅太阳能电池10

第四章三种电池板的实验测量11

4.1实验原理11

4.1.1太阳电池的结构11

4.1.2光伏效应11

4.1.3太阳电池的表征参数12

4.1.4太阳电池的等效电路13

4.1.5三种太阳能电池片的测量数据及伏安特性曲线图14

结语18

致谢19

参考文献20

绪论

太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。

当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。

太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；

与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。

太阳能电池根据所用材料的不同，可分为：

硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。

在实验室里最高的转换效率为23%,规模生产时的效率为15%。

在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。

多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。

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。

非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。

但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。

太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21世纪的热门课题，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。

我们的课题主要就是研究三种不同材料的太阳能电池板的伏安特性曲线，并和标准的伏安特性曲线进行比较有何区别，产生这些区别的原因是什么，怎样去克服这些问题，提高电池板的转换效率；

并且计算出最大功率输出点。

联系科技开发实际，对我国新能源行业有一定的新颖性和实用价值。

第一章太阳能的应用及工作原理

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位并且得到广泛的应用。

1.1我国太阳能资源及太阳能的应用

我国太阳能资源十分丰富，全国有2/3以上的地区，年日照时数在2000h以上，绝大多数地区年平均日辐射量在4kWh/㎡以上，西藏最高达7kWh/㎡。

太阳电池及光伏发电系统已经逐步应用到工业、农业、科技、国防及人们生活的方方面面，预计到21世纪中叶，太阳能光伏发电将成为重要的发电方式，在可再生能源结构中占有一定比例。

太阳能光伏发电的具体应用主要有以下几个方面。

（1）通信领域的应用：

包括太阳能无人值守微波中继站，光缆通信系统及维护站，移动通信基站，广播、通信、无线寻呼电源系统，卫星通信和卫星电视接收系统，农村程控电话、载波电话光伏系统，小型通信机，部队通信系统，士兵GPS供电等。

（2）公路、铁路、航运交通领域的应用：

如铁路和公路信号系统，铁路信号灯，交通警示灯、标志灯、信号灯，公路太阳能路灯，太阳能道钉灯、高空障碍灯，高速公路监控系统，高速公路、铁路无线电话亭，无人值守道班供电，航标灯灯塔和航标灯电源等。

（3）石油、海洋、气象领域的应用：

石油管道阴极保护和水库闸门阴极保护的太阳能电源系统，石油钻井平台生活及应急电源，海洋检测设备，气象和水文观测设备、观测站电源系统等。

（4）农村和边远无电地区的应用：

在高原、海岛、牧区、边防哨所等农村和边远无电地区应用太阳能光伏户用系统、小型风光互补发电系统等解决日常生活用电问题，如照明、电视、收音机、DVD、卫星接收机等的用电，也解决了为手机。

MP3等随身小电器充电的问题，发电功率大多在十几瓦到几百瓦。

（5）太阳能光伏照明方面的应用：

太阳能光伏照明包括太阳能路灯、庭院灯、草坪灯，太阳能景观照明，太阳能路标标牌、信号指示、广告灯箱照明等，还有家庭照明灯具及手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、割胶灯、节能灯、手电等。

（6）大型光伏发电系统（电站）的应用：

大型光伏发电系统（电站）是100kW~50MW的地面独立或并网光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。

（7）太阳能光伏建筑一体化并网发电系统（BIPV）：

将太阳能发电与建筑材料相结合，充分利用建筑的屋顶和外立面，使得大型建筑能实现电力自给、并网发电，这将是今后的一大发展方向。

（8）太阳能商品及玩具的应用：

包括太阳能收音机、太阳能钟、太阳帽、太阳能手机充电器、太阳能手表、太阳能计算器、太阳能玩具等。

（9）其他领域的应用：

包括太阳能电动汽车、电动自行车，太阳能游艇，电池充电设备，太阳能汽车空调、换气扇、冷饮箱等，还有太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统，海水淡化设备供电，卫星、航天器、空间太阳能电站等[1]。

1.2太阳能发电方式

即直接将太阳能转变成电能，并将电能存储在电容器中，以备需要时使用。

太阳能发电方式有两种：

光—热—电转换方式；

光—电直接转换方式。

（1）光—热—电转换方式。

是通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的太阳能转换成工质蒸汽的热能，再驱动汽轮发电机发电。

前一个过程是光—热转换过程，后一个过程是热—电转换过程，其发电工艺与普通的火电站相似。

太阳能热能发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站高5~10倍，一座1000MW的太阳能热电站需要投资20亿~25亿美元，平均1kW的投资为2000~2500美元。

因此，目前只能小规模地应用于特殊场所，而大规模利用在经济上很不合算。

所以，太阳能热能发电还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

（2）光—电直接转换方式。

是利用光电效应将太阳辐射直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。

太阳能电池是一种基于光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能转换成电能，在外电路上产生电流。

将许多个太阳能电池串联或并联起来就可构成输出功率比较大的太阳能电池方阵。

太阳能电池是一种有大前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。

太阳能光伏发电与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；

太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用电的独立太阳能发电系统，这些特点是其他电源无法比拟的。

1.3太阳能的利弊

1.3.1太阳能发电优点

太阳能光伏发电过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声，无污染，太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不竭。

因此，与风力发电和生物质能发电等新型发电技术相比，光伏发电是一种最具有可持续发展理想特征（最丰富的资源和最洁净的发电过程）的可再生能源发电技术，其主要优点如下。

（1）太阳能资源取之不尽、用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类目前消耗的能量大6000倍，而且太阳能在地球上分布广泛，只要有光照的地方就可以使用光伏发电系统，不受地域、海拔等因素的限制。

（2）太阳能资源随处可得，可就近发电、供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路的电能损失。

（3）光伏发电是直接从光子到电子的转换，没有中间过程（如热能转换为机械能转换为电磁能等）和机械运动，不存在机械磨损。

根据热力学分析，电伏发电具有很高的理论发电效率，可达80%以上，技术开发潜力大。

（4）光伏发电本身不用燃料，不排放包括温室气体和其他废气的任何物质，不污染空气，不产生噪声，对环境友好，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击，太阳能是真正绿色环保的可再生新能源。

（5）光伏发电过程不需要冷却水，发电装置可以安装在没有水的荒漠、戈壁上。

光伏发电还可以很方便地与建筑物的结合，构成光伏建筑一体化发电系统，不需要单独占地，可节省宝贵的土地资源。

（6）光伏发电无机械传动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠。

一套光伏发电系统只要有太阳电池组件就能发电，加之自动控制技术的广泛采用，基本上可实现无人值守，维护成本低。

（7）光伏发电系统工作性能稳定可靠，使用寿命长（30年以上），晶体硅太阳电池寿命可长达25~35年。

在光伏发电系统中，只要设计合理、选型适当，蓄电池的寿命也可长达10~15年。

（8）太阳电池组件结构简单，体积小，重量轻，便于运输和安装。

光伏发电系统建设周期短，而且根据用电负荷容量可大可小，方便灵活，极易组合、扩容。

此外，无论是德国、日本的光伏“屋顶计划”发电系统，还是作为今后我国太阳能光伏发电应用主流的光伏建筑一体化（BIPV）发电系统、“金屋顶”发电系统等，除同样具有上述优点外，还具有以下优越性。

（1）不占用城市昂贵的地皮资源。

（2）可直接代替传统的墙面和屋顶材料。

（3）当地发电就地使用，不用配备储能蓄电池。

（4）如果和电网相连，可将剩余电力输给电网。

（5）在电网供电处于高峰期发电，消减城市昂贵的高峰供电荷。

（6）无需输电线路，降低输电成本。

1.3.2太阳能发电缺点

（1）能量密度低。

尽管太阳投向地球的能量总和极其巨大，但由于地球表面积也很大，而且地球表面大部分被海洋覆盖，真正能够到达陆地表面的太阳能只有地球范围辐射能量的10%左右，致使在陆地单位面积上能够直接获得的太阳能量较少，通常以太阳辐照度来表示，地球表面最高值约为1.2kWh/㎡，且绝大多数地区和大多数的日照时间内都低于1kWh/㎡。

太阳能的利用实际上是低密度能量的收集、利用。

（2）占地面积大。

太阳能能量密度低，这就使得光伏发电系统的占地面积会很大，没10kW光伏发电功率占地约需100㎡，平均没平方米面积发电功率为100W。

随着光伏建筑一体化发电技术的成熟和发展，越来越多的光伏发电系统可以利用建筑物、构筑物的屋顶和立面，以逐步改善光伏发电系统占地面积的不足。

（3）转换效率低。

（4）间歇性工作。

在地球表面，光伏发电系统只能在白天发电，晚上则不能发电，这和人们的用电方式和习惯不符。

除非在太空中没有昼夜之分的情况下，太阳电池才可以连续发电。

（5）受自然条件和气候环境因素影响大。

太阳能光伏发电的能源直接来源于太阳光的照射，而地球表面上的太阳光照射受自然条件和气候的影响很大，一年四季、昼夜交替、地理纬度和海拔高度等自然条件以及阴晴、雨雪、雾天甚至云层的变化都会严重影响系统的发电状态。

另外，环境因素的影响也很大，特别是空气的颗粒物（如灰尘等）降落在太阳电池组件表面，也会阻挡部分光线的照射，使电池组件转换效率降低，发电量减少。

（6）地狱依赖性强。

不同的地理位置和气候，使各地区的日照资源相差很大。

光伏发电系统只有在太阳能资源丰富的地区应用效果才好。

（7）系统成本高。

由于太阳能光伏发电的效率较低，到目前为止，光伏发电的成本仍然是其他常规发电方式（如火力和水力发电）的几倍，这是制约其广泛应用的最主要因素。

但是我们也应看到，随着太阳电池产能的不断扩大及电池片光电转换效率的不断提高，光伏发电系统成本下降得也非常快，太阳电池组件的价格几十年来已经从最初的每瓦70多美元下降至目前的每瓦1美元左右。

（8）晶体硅电池的制造过程高污染。

高耗能。

晶体硅电池的主要原料是纯净的硅。

硅是地球上含量仅次于氧的元素，主要存在形式是沙子（二氧化硅）。

从沙子一步步变成含量为99.9999%以上纯净的晶体硅，期间要经过多道化学和物理工序的处理，不仅需要消耗大量能源，还会造成一定的环境污染[2]。

第二章太阳能光伏发电系统原理

光伏发电系统是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。

这种技术的关键元件是太阳能电池。

太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统装置。

2.1光电效应概述

光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。

这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectriceffect）。

光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。

前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。

后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

　赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）。

光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。

临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。

还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。

可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。

正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位（即光子或光量子）所组成[4]。

2.2光生伏打效应概述及应用

太阳能电池是利用光电转换原理使太阳辐射的光通过半导体物质转变为电能的器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”。

光生伏打效应简称为光伏效应，是指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不用部位之间产生电位差的现象。

光生伏打效应主要是应用在半导体的PN结上，把辐射能转换成电能。

大量研究集中在太阳能的转换效率上。

理论预期的效率为24％。

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[3]。

2.3太阳能电池的工作原理及太阳能光伏发电系统工作原理

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。

这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

光伏发电系统的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地;

光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点[1]。

第三章太阳能电池片的分类

3.1单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池，是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，是当前开发得最快的一种太阳能电池。

它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。

为了降低生产成本，地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。

有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。

将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。

硅片经过抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。

加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。

扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。

这样就硅片上形成P>

N结。

然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。

因此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。

单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。

最后用框架和材料进行封装。

用户根据系统设计，可将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。

单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，实验室成果也有20%以上的。

3.2多晶硅太阳能电池

多晶硅，是单质硅的一种形态。

熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。

利用价值：

从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。

多晶硅（polycrystallinesilicon）有灰色金属光泽，密度2.32~2.34g/cm3。

熔点1410℃。

沸点2355℃。

溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸。

硬度介于锗和石英之间，室温下质脆，切割时易碎裂。

加热至800℃以上即有延性，1300℃时显出明显变形。

常温下不活泼，高温下与氧、氮、硫等反应。

高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，能与几乎任何材料作用。

具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性。

电子工业中广泛用于制造半导体收音机、录音机、电冰箱、彩电、录像机、电子计算机等的基础材料。

由干燥硅粉与干燥氯化氢气体在一定条件下氯化，再经冷凝、精馏、还原而得。

多晶硅可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。

例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；

在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。

在化学活性方面，两者的差异极小。

多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。

多晶硅是生产单晶硅的直接原料，是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料。

3.3非晶硅太阳能电池

基于晶体硅（单晶硅和多晶硅）的太阳能电池由于发展历史较早且技术比较成熟，在装机容量一直占据领先地位。

尽管技术进步和市场扩大使其成本不断下降，但由于材料和工艺的限制，晶体硅太阳能电池进一步降低成本的空间相当有限，很难达到光伏科学家和能源专家在上世纪80年代初预测的光伏发电与柴油发电竞争的临界点——太阳能电池的成本1美元/瓦。

因此第一代太阳能电池很难承担太阳能光伏发电大比例进入人类能源结构并成为基础能源的组成部分的历史使命，非晶硅太阳能电池益发得到世界各国的重视。

非晶硅是一种直接能带半导体，它的结构内部有许多所谓的“悬键”，也就是没有和周围的硅原子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产生电流，并不需要声子的帮助，因而非晶硅可以做得很薄，还有制作成本低的优点。

在70年代确实有过制备非晶硅的沸沸扬扬的高潮。

事实上，非晶硅光电池已经广为使用，例如许多太阳能计算器、太阳能手表、园林路灯和汽车太阳能顶罩等就是用非晶硅作为光电池的基本材料的。

但是目前市场上最大量使用的太阳能电池（特别是屋顶太阳能电池）仍然是晶体硅光电池而不是非晶硅光电池。

第四章三种电池板的实验测量

4.1实验原理

4.1.1太阳电池的结构

以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图1所示．晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进行工作．一般采用n+/p同质结的结构，即在约10cm×

10cm面积的p型硅片（厚度约500μm）上用扩散法制作出一层很薄（厚度~0.3μm）的经过重掺杂的n型层．然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极．在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极．这样就形成了晶体硅太阳电池．为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜[5]．

图1太阳电池结构示意图

4.1.2光伏效应

当光照射在距太阳电池表面很近的pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在p区、n区和结区光子被吸收会产生电子–空穴对．那些在结附近n区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散．只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处．在p区与n区交界面的两侧即结区，存在一空间电荷区，也称为耗尽区．在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n区指向p区，这个电场称为内建电场．这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p区．同样，如果在结附近p区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n区．结区内产生的电子–空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区．如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势．这一现象称为光伏效应（PhotovoltaicEffect,缩写为PV）．

4.1.3太阳电池的表征参数

太阳电池的工作原理是基于光伏效应．当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的光生电流Iph．同时，由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流ID，此电流方向从p区到n区，与光生电流相反．因此，实际获得的电流I为

（1）

式中VD为结电