太阳能原理与技术复习资料Word文档格式.docx
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1工作原理22
2单晶硅太阳电池的特点23
3单晶硅光电池制备工艺流程23
电池片测试23
光电池的伏安特性24
影响少数载流子寿命的因素有24
多晶硅太阳电池25
非晶硅太阳电池（不含硅）26
非晶硅的光照衰退（Staebler-Wronski效应）26
硅基薄膜电池优缺点26
染料敏化太阳能（DSSC）27
DSSC的工作原理27
敏化剂的要求27
纳米半导体材料28
电解质材料28
限制28
面临的主要问题29
染料敏化太阳电池的特点29
砷化镓电池29
砷化镓电池的特点（与硅光电池比较）29
砷化镓生产技术30
铜铟硒薄膜太阳能电池特点30
聚光光伏发电系统31
机构组成31
优缺点32
第九章储能33
储能系统的作用33
储能系统的分类与比较33
电化学储能34
铅酸电池35
镍系电池36
锂电池36
磷酸铁锂电池（LiFePO4）36
钠硫电池（Sodium-SulfurBattery）37
液流电池37
电磁储能39
超导储能39
超级电容器40
光伏发电对蓄电池（储能系统）的5项基本要求40
太阳能光伏发电的优点41
第十章太阳能发电系统41
太阳能发电系统分类41
太阳能电站选址41
光伏系统设计42
光伏方阵运行方式44
光伏系统总效率计算45
计算题45
绪论
太阳辐射强度（太阳辐射通量密度）
单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能量。
单位：
W·
m-2
太阳常数
当地球位于日地平均距离时（约为1.496×
108km），垂直于太阳光方向的单位面积上的辐射强度称为太阳常数。
或称为大气光学质量为0（AM0）的辐射。
在光伏工作中采用的太阳数值是1367W·
m-2。
地球表面的日照强度
阳光穿过地球大气层时至少衰减了30%，原因是
（1）瑞利散射或大气中的分子引起的散射。
（2）悬浮微粒和灰尘引起的散射。
（3）大气及其组成的气体，特别是氧气、臭氧和二氧化碳的吸收。
到达地面的阳光，除了直接由太阳辐射来的分量处，还包括由大气层散射引起的间接辐射和漫射辐射。
晴朗无云的天气：
漫射辐射占总辐射量的10%-20%。
介于晴天与阴辐射天的天气：
总辐射只有晴天的一半，其中漫射占50%。
坏天气：
直接辐射接收很少，绝大多数是漫射辐射。
注意：
漫射阳光的成分不同于直射阳光的光谱。
主要是较短波长或“蓝”波长的光。
大气光学质量（OpticalAirMass，AM）
太阳光通过大气的实际路程与最短路程之比。
第二章半导体物理基础
超导体、导体、半导体、绝缘体
晶体结构
共有化运动
原子的能级的分裂
半导体的导带，价带和禁带宽度
价带：
0K条件下被电子填充的能量最高的能带
导带：
0K条件下未被电子填充的能量最低的能带
禁带：
导带底与价带顶之间能带
禁带宽度：
导带底与价带顶之间的能量差
允许能态的占有几率
在低温时，晶体内电子占有最低能态。
但是并非在晶体平衡时电子都处于最低允许能级。
根据泡利不相容原理：
每个允许能级只能被两个自旋方向相反的电子所占据。
1.费米能级（EF）
费米能级（EF）:
在低温下（0K），晶体的某一能级以下的所有可能态都被两个电子占据，该能级称为费米能级。
2.费米能级和电子占据率
关于电子占据能级的规律，根据量子理论和泡利不相容原理，半导体中电子能级的分布服从费米－狄拉克统计分布规律。
在热平衡条件下，能量为E的能级被电子占据的概率为
k是玻尔兹曼常数，即1.38×
10-23J/K；
T为绝对温度；
EF为费米能级。
（1）当T＝0（K）时，若E<
EF，则f（E）=1，这说明温度在绝对零度时，凡是能量比EF小的能级被电子占据的概率为1。
也就是说，电子全部占据费米能级EF以下的能级，而EF以上的能级是空的，不被电子占据。
（2）当T>
0（K）时，若E＝EF，f（E）＝0.5，因此通常把电子占据率为0.5的能级定义为费米能级。
它不代表可为电子占据的真实能级，只是个参考能量。
3.能级密度
•能级密度N（E）：
表示在导带和价带内晶体的单位能量、单位体积的电子状态的数目。
•由固体理论知，在导带内的能级密度为
•
•在价带内的能级密度（可能的状态信息）
电子和空穴
1.本征半导体--本征半导体的导电机理
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。
共价键中的两个电子，称为价电子。
价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。
这一现象称为本征激发。
温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。
在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。
2.杂质半导体（N型半导体）
在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。
掺入五价元素
掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。
在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。
3.杂质半导体（P型半导体）
掺入三价元素
掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。
在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。
无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
施主能级，受主能级，N型半导体与P型半导体的比较
费米能级上下移动
载流子的输运——扩散与漂移
•半导体中非平衡载流子的运动有两种，即扩散运动和漂移运动。
它们都是定向运动，分别与扩散电流和漂移电流相联系。
•扩散运动：
在载流子浓度不均匀的情况下而发生的从高浓度处向低浓度处的迁移运动。
是载流子无规则热运动的结果，它不是由电场力的推动而产生的。
对于杂质均匀分布的半导体，其平衡载流子的浓度分布也是均匀的，此时不会有平衡载流子的扩散，只考虑非平衡载流子扩散，对于杂质分布不均匀的半导体，要同时考虑平衡载流子和非平衡载流子的扩散。
•漂移运动：
载流子在电场的加速作用下，除热运动之外获得的附加运动。
复合过程M.G.p32
1.辐射复合
2.俄歇复合
3.经由陷阱复合
4.表面复合
pn结二极管
太阳电池的表征参数
1.短路电流
当太阳电池的输出端短路时，V=0（VD≈0），得:
影响因素：
面积、光强、温度
2.开路电压
当太阳电池的输出端开路时，I=0，得:
光强、温度、材料特性
负载伏–安特性曲线如图所示
3.填充因子（FF）
最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比
4.转换效率（η）
太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能Pin之比
第三章太阳电池测试
通过模拟太阳灯光照射到电池片表面测试太阳电池的电性能参数
太阳模拟器分类
•1.稳态太阳模拟器
•2.脉冲式太阳模拟器
模拟器光源
电性测试条件
测试项目
电性能标准测试条件
标准测试条件
光强：
1000W/m2光谱分布：
AM1.5电池温度：
25℃
地面标准阳光光谱采用AM1.5标准阳光光谱。
地面阳光的总辐照度规定为1000W/m2。
标准测试温度规定为25C。
对定标测试，标准测试温度的允许差为+1C。
对非定标测试，标准测试温度允许差为+2C。
如受客观条件所限，只能在非标准条件下进行测试，则必须将测量结果换算到标准测试条件。
地面用硅太阳电池组件环境试验概况
1.温度交变
从高温到低温反复交替变化称为温度交变。
交变的温度范围规定为—40+3~+35+2C。
凡用钢化玻璃为盖板的组件应交变200次，用优质玻璃作盖板的组件应交变50次。
在进行每项试验前后均应测量电性能参数，并观察试验后外表有列异常.
2.高温贮存
地面用太阳电池组件应放在85+2C的高温环境下存贮16小时。
3.低温贮存
地面用太阳电池组件应放在-40+3C的低温环境下贮存16小时。
4.恒定湿热贮存
地面用太阳组件应放应相对湿度为90~95%，温度为40+2C的湿热环境下存放4天。
试验结束电性能测试及外观检查绝缘电阻，小于1M者为不合格。
5.振动、冲击
6.盐雾试验
在近海环境中使用的太阳电池组件应进行此项试验，即在温度35+2C5%氯化钠水溶液的雾气中贮存96小时后，检查外观、最大输出功率及绝缘电阻。
7.冰雹试验
模拟冰雹试验所用的钢球重227+2g，下落高度视组件盖板材料而定，钢化玻璃：
高度100cm，优质玻璃：
50cm。
向太阳电池组件中心下落1次。
8.地面太阳光辐照试验
此项试验应在模拟地面太阳光辐照试验箱中进行。
模拟太阳光应垂直照射组件，辐照度为1.12KW+10%，并具有地面阳光光谱分布。
每24小时为一周期，光照20小时，温度55C，停照4小时，温度为25C。
每小时喷水5分钟，持续进行18个月。
最大输出功率下降不得超过10%。
9.扭弯试验
在15~35C的室温环境下，将太阳电池组件的三个角固定。
另一角安装在扭弯测试仪上，使组件的一个短边扭转1.2，试验完毕检查外观及电性能。
第四章太阳能电池的材料和工艺
太阳能电池对材料的要求
半导体材料的禁带不能太宽
要有较高的光电转换效率
材料本身对环境不造成污染
材料便于工业化生产且材料性能稳定
电池分代
单晶硅太阳电池
1工作原理
可以概括成下面几个主要过程：
1.必须有光的照射，可以是单色光、太阳光或模拟太阳光源等；
2.光子注入到单晶硅半导体后，激发出电子-空穴对。
这些电子-空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合消失；
3.必须有一个静电场，在静电场的作用下，电子-空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边。
绝大部分单晶硅太阳电池利用PN结势垒区的静电场实现分离电子一空穴对的目的，PN结是单晶硅太阳电池的“心脏”部分；
4.被分离的电子和空穴，经由电极收集输出到电池体外，形成电流。
2单晶硅太阳电池的特点
•单晶硅太阳电池其特征如下：
•
（1）原料硅的藏量丰富。
由于太阳光的密度极低，故实用上需要大面积的太阳电池，因此在原材料的供给上相当重要，且Si材料本身对环境影响极低。
•
（2）单晶硅制造技术或p-n接合制作技术，为电子学上Si集成电路的基础技术，随着技术成熟度增加而进步神速。
•（3）Si的密度低，材料轻。
特别是应力相当强，即使厚度在50μm以下的薄板，强度也够。
•（4）与多晶硅及非晶硅太阳电池比较，其转换效率较高。
•（5）发电特性极稳定。
在灯塔与人造卫星实用上，约有20年耐久性。
•（6）由于能阶构造属于间接迁移型，在太阳光谱的主区域上，光吸收系数只有103cm-1程度，相当小。
故为吸收太阳光谱，需要100μm厚的硅。
3单晶硅光电池制备工艺流程
电池片测试
主要测试太阳电池的基本特性：
开路电压VOC、短路电流ISC、填充因子FF、能量转换效率η。
PN结两端的电流
光电池处于零偏时，V＝0，流过PN结的电流I＝IP；
当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。
光电流IP与输出光功率Pi之间的关系：
R为响应率，R值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R值分别在短波长和长波长处存在一截止波长。
光电池的伏安特性
下图显示了光电池的典型I-V曲线。
Pm为最大功率点。
它的确定可用从光电池I-V曲线上任意点向纵、横坐标引垂线，垂线与坐标轴保卫面积最大的点即为Pm。
根据该特性曲线可以确定光电池的开路电压、短路电流。
影响少数载流子寿命的因素有
1）体内复合。
减少晶体硅体内的复合，首先要选用适当的掺杂浓度的衬底材料。
提高晶体的质量，减少缺陷和杂质，是提高少数载流子寿命的重要手段。
吸杂（gettering）工艺能有效的提高材料的质量,钝化（passivation）工艺能有效地减少晶体缺陷对少数载流子寿命的影响。
2）表面复合
减少表面复合通常采用在硅表面生成一层介质膜如二氧化硅（SiO2）和氮化硅（SiN）。
这种介质膜完善了晶体表面的悬挂键，从而达到表面钝化目的,另外一种表面钝化的方法是在电池表面形成高－低结（high-lowjunction）。
这种结在表面产生一个电场,从而排斥了少数载流子空穴向表面移动。
3）电极区复合
减少电极区的复合可采用将电极区的掺杂浓度提高，从而降低少数载流子在电极区的浓度。
减少载流子在此区域的复合。
基于以上提高电池转换效率的途径，派生了多种高效晶体硅太阳能电池的设计和制造工艺。
其中包括PESC电池（发射结钝化太阳电池）和表面刻槽绒面PESC电池；
背面点接触电池（前后表面钝化电池）；
PERL电池（发射结钝化和背面点接触电池）。
由这些电池设计和工艺制造出的电池的转换效率均高于20%，其中保持世界记录（24.7%）的单晶硅和多晶硅电池（19.8%）的转换效率均是由PERL电池实现的。
多晶硅太阳电池
多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池虽然结晶构造不一样但发电原理一样。
多晶硅太阳能电池结晶构造较差主要的原因有两个，一是本身含有杂质，二是在结晶的时候速度较快，硅原子没有足够的时间成单一晶格而形成许多结晶颗粒。
结晶颗粒愈大则效率与单晶硅太阳能电池愈接近，结晶颗粒愈小则效率愈差。
效率差的原因是颗粒与颗粒间存在着结晶边界，在晶粒边界的两边会形成静电势垒，这将阻止多数载流子流动，其作用基本上等同于一个大的申联电阻，正面延伸至背团。
由于存在晶体结构缺陷，晶粒边界在半导体材料的禁带中引入了允许能级，充当非常有效的复合中心。
因此可将其视为少数载流子的“陷阱”。
在距离晶粒边界大约相同的距离内产生的少数载流子也可被晶界吸引并复合掉。
这些载流子对电流输出并无贡献。
因此，为了防止电流输出损失太大，晶粒的横向尺寸必须大于少数裁流子扩散长度。
晶粒边界的另一个有害影响是它们为pn结的电流提供了旁路。
这种通路也许是由于在制结过程中．掺杂杂质沿着晶粒边界优先扩散而产生的，晶粒边界附近大密度的沉淀物也增加了这种旁路作用。
非晶硅太阳电池（不含硅）
非晶硅太阳能电池之所以受到人们的关注和重视,是因为它具有如下诸多的优点：
1.非晶硅具有较高的光吸收系数.特别是在0.3-0.75um的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。
因而它比单晶硅对太阳能辐射的吸收率要高40倍左右,用很薄的非晶硅膜（约1um厚）就能吸收90%有用的太阳能。
这是非晶硅材料最重要的特点,也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素。
2.非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。
3.制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低，时间短,适于大批生产。
制作单晶硅电池一般需要1000度以上的高温，而非晶硅电池的制作仅需200度左右。
4.由于非晶硅没有晶体硅所需要的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。
因而它几乎可以淀积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底,并且易于实现大面积化。
5.制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短很多。
非晶硅的光照衰退（Staebler-Wronski效应）
光致衰退现象：
非晶硅电池在强光下照射数小时，电性能下降并逐渐趋于稳定；
若样品在160℃下退火，电学性能可恢复原值（S-W效应）
硅基薄膜电池优缺点
优点:
耗材少:
硅薄膜太阳电池的厚度在2μm左右其厚度只有晶硅电池的1%
能耗低:
硅薄膜电池制备工艺200OC左右，而晶体硅核心工艺需要1000OC
无毒，无污染
更多的发电量
a.良好的弱光性:
使得在阴雨天比晶体硅电池有多10%左右的发电量
b.高温性能好:
温度系数低,使得薄膜电池在高温工作状况下同样有比晶体硅电池高的发电量
美观、大方
电池组件的颜色与建筑物的颜色比较容易匹配，美化室内外环境，加上精细、整齐的激光切割线，使建筑物更加美观、大方，更有魅力。
应用稳定性更好
由于非晶硅太阳电池的电流密度较小,热斑效应不明显，所以，使用起来更加方便、可靠。
能源回收期短
成本低且下降空间大
染料敏化太阳能（DSSC）
电池结构
Ø
典型染料敏化太阳电池组成：
（1）光电极：
TCO+多孔二氧化钛层
（2）敏化剂：
染料（N719/N3）+溶剂
（3）电解质：
I-/I3-（LiI/I2）+溶剂
（4）对电极：
TCO+Pt催化层
DSSC的工作原理
敏化剂的要求
✓吸收尽可能多的太阳光；
✓紧密吸附在纳米晶网络电极表面；
（－COOH,-SO3H,－PO3H2等）
✓与相应的纳米晶的能带相匹配；
✓激发态寿命足够长；
✓具有长期的稳定性……
纳米半导体材料
染料敏化电池的光阳极，必须满足以下3个条件:
（l）必须有足够大的比表面积，从而能够吸附大量的染料;
（2）纳米多孔薄膜吸附染料的方式必须保证电子有效地注入薄膜的导带；
（3）电子在薄膜中有较快的传输速度，从而减少薄膜中电子与电解质受主的复合。
制备方法：
粉末涂覆法；
溶胶凝胶法；
水热反应法；
溅射法；
醇盐水解法；
溅射沉积法；
等离子喷涂法；
丝网印刷法等
电解质材料
电解质在染料敏化太阳能电池中起着传输电子和再生染料的作用。
目前，最常用的电解质是将I-/I3-溶解在有机溶剂中，例如:
乙睛/丙烯碳酸醋、甲氧基乙睛中。
I-/I3-氧化还原对具有很好的稳定性和可逆性、高的扩散常数，而且，能够和目前广泛使用的N3和“黑色”染料的氧化还原电位能级匹配。
有机溶剂液态电解质具有以下一些优点:
（1）离子扩散系数大;
（2）组成成分易于设计和改变;
（3）对TiO2多孔膜的渗透性好。
因此使用有机溶剂液态电解质的DSSC具有很高的光电转换效率。
限制
虽然，使用液体电解质，太阳能电池的转换效率可以达到10%以上，但是还存在不少缺点使得该类电池的实际应用受到限制:
（1）密封问题，密封剂很可能与电解质反应，造成电解质的泄漏;
（2）在液体中，电极有光腐蚀现象，且染料容易与电极脱离进入液态电解质中;
（3）有机溶剂极易挥发,可能与敏化染料作用导致染料降解
（4）电解液内存在氧化-还原反应以外的反应，会使离子反向迁移导致光生电荷复合机会增加，降低光电转率;
（5）光生电荷在光阳极的迁移靠扩散控制，这使光电流不稳;
（6）电池形状设计也受到限制。
（7）存在其他氧化还原反应……
面临的主要问题
•染料问题（现在公认使用效果较好的N3制备过程较复杂,因而价格也比较昂贵。
因此,寻找低成本而性能良好的染料成为当前研究的一个热点）
•纳米材料（如何获得制备方法简单、尺寸分布可控的纳米材料？
）
•电解质及基体材料（为达到商业化的目标溶液电解质要逐步用固体电解质取代，以提高稳定性和使用寿命）
•电池的串并联问题……
染料敏化太阳电池的特点
材料成本较低、制备工艺简单
转换效率随温度上升而提升——不同于硅基太阳电池
电池两面均可以吸收光——有利于吸收散射光
制备出半透明或不同颜色的电池——装饰功能强
质量轻以及可制成柔性器件——便于携带
能源回收期较短——小于1年
相对较高的转换效率——最高转换效率超出12%
砷化镓电池
砷化镓电池的特点（与硅光电池比较）
1、光电转化率高
砷化镓的禁带比硅宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。
目前，硅电池的理论效率大概为23%，而单结的砷化镓电池理论效率达到27%，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。
2、耐温性好
常规上，砷化镓电池的耐温性要好于硅光电池，有实验数据表明，砷化镓电池在250℃的条件下仍可以正常工作，但是硅光电池在200℃就已经无法正常运行。
3、可制成薄膜和超薄型太阳电池
GaAs为直接跃迁型材料,而Si为间接跃迁型材料。
在可见光范围内,GaAs材料的光吸收系数远高于Si材料。
同样吸收95%的太阳光,GaAs太阳电池只需5～10μm的厚度,而Si太阳电池则需大于150μm。
因此,GaAs太阳电池能制成薄膜型,质量可大幅减小。
4、抗辐射性能好
GaAs为直接禁带材料,少数载流子寿命较短,在离结几个扩散度外产生的损伤,对光电流和暗电流均无影响。
因此,其抗高能粒子辐照的性能优于间接禁带的Si太阳电池。
5、可制成效率更高的多结叠层太阳电池
MOCVD技术（金属有机化合物化学气相沉淀）的日益完善,为多结叠层太阳电池研制提供了多种可供选择的材料。
6、机械强度和比重
砷化镓较硅质在物理性质上要更脆，这一点使得其加工时比容易碎裂，所以，目前常把其制成薄膜，并使用衬底（常为Ge[锗]），来对抗其在这一方面的不利，但是也增加了技术的复杂度。
砷化镓生产技术
1、LPE技术
LPE是NELSON在1963年提出的一种外延生长技术。
其原理是以低熔点的金属（如Ga，In等）为溶剂,以待生长材料（如GaAs、Al等）和掺杂剂（如Zn、Te、Sn等）为溶质,使溶质在溶剂中呈饱和或过饱和状态,通过降温冷却使石墨舟中的溶质从溶剂中析出，在单晶衬底上定向生长一层晶体结构和晶格常数与单晶衬底（常为Ga）足够相似的GaAs晶体材料，使晶体结构得以延续，实现晶体的外延生长。
LPE设备成本较低,技术较为简单,可用于单结GaAs/
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