太阳能电池板的应用.docx

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太阳能电池板的应用

太阳能电池简介

1．太阳能概况

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。

二十世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：

一是1954年美国贝尔实验室研制出6％的实用型单晶硅电池，二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。

这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。

太阳能电池的特性：

太阳能电池是一个巨大的PN结，它把太阳能转换为电能，对于单片太阳能电池来说，它是一个小的PN结，除了当太阳光照射在上面时，它能够产生电能外，它还具有PN结的一切特性。

在标准光照条件下，它的额定输出电压为0.48V。

在太阳能照明灯具使用中的太阳能电池组件都是由多片太阳能电池连接构成的。

它具有负的温度系数，温度每上升一度，电压下降2mV。

对于多片太阳能电池组成的太阳能电池组件，太阳能电池一般都如下参数：

Isc是短路电流，Im是峰值电流，Voc是开路电压。

Vm是峰值电压，Pm是峰值功率。

在使用中，太阳能电池开路或者短路都不会造成损坏，实际上我们也正是利用它的这个特性对系统蓄电池充放电进行控制的。

太阳能电池的选择：

我们所说的太阳能电池输出功率Wp是标准太阳光照条件下，即：

欧洲委员会定义的101标准，辐射强度1000W/m2，大气质量AM1.5，电池温度25℃条件下，太阳能电池的输出功率。

这个条件大约和平时晴天中午前后的太阳光照条件差不多，（在长江下游地区只能接近这个数值）这并不象有些人想象的那样，只要有阳光就会有额定输出功率，甚至认为太阳能电池在夜晚日光灯下也可以正常使用。

这就是说，太阳能电池的输出功率是随机的，在不同的时间，不同的地点，同样一块太阳能电池的输出功率是不同的。

2．光伏效应

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

太阳能电池是一种近年发展起来的新型的电池。

太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”，用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有4个电子，按固定轨道围绕原子核转动。

当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。

如果在硅晶体中掺入硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。

若把这两种半导体结合，交界面便形成一个P－N结。

太阳能电池的奥妙就在这个“结”上，P－N结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。

当太阳能电池受到阳光照射时，电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。

这样，在P－N结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。

这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。

如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。

制造太阳电池的半导体材料

已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。

目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。

太阳能电池就是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的一种装置。

常规太阳电池简单装置如左图所示。

当N型和P型两种不同型号的半导体材料接触后，由于扩散和漂移作用，在界面处形成由P型指向N型的内建电场。

当光照在太阳电池的表面后，能量大于禁带宽度的光子便激发出电子和空穴对，这些非平衡的少数载流子在内电场的作用下分离开，在电池的上下两极累积，这样电池便可以给外界负载提供电流。

3．晶硅太阳电池向高效化和薄膜化方向发展

单晶硅高效电池

单晶硅高效电池的典型代表是斯但福大学的背面点接触电池（PCC），新南威尔士大学（UNSW）的钝化发射区电池（PESC，PERC，PERL以及德国Fraumhofer太阳能研究所的局域化背表面场（LBSF）电池等。

（1）新南威尔士大学高效电池；

（2）斯但福大学的背面点接触电池（PCC）

（3）德国Fraunhofer太阳能研究所的深结局部背场电池（LBSF）

（4）日本SHARP的C一Si／µc-Si异质pp+结高效电池

多晶硅高效电池

多晶硅太阳电他的出现主要是为了降低成本，其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，设备比较简单，制造过程简单、省电、节约硅材料，对材质要求也较低。

晶界及杂质影响可通过电池加工工艺进行改善；由于材质和晶界影响，电池效率较低。

电池工艺主要采用吸杂、钝化、背场等技术。

常规铝吸杂工艺是在电池的背面蒸镀铝膜后经过烧结形成，也可同时形成电池的背场。

近几年在吸杂上的工作证明，它对高效单晶硅太阳电池及多晶硅太阳电池都会产生一定的作用。

钝化是提高多晶硅质量的有效方法。

一种方法是采用氢钝化，钝化硅体内的悬挂键等缺陷。

在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料，氢钝化的效果越好。

氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。

在多晶硅太阳电池表面采用PECVD法镀上一层氮化硅减反射膜，由于硅烷分解时产生氢离子，对多晶硅可产生氢钝化的效果。

在高效太阳电池上常采用表面氧钝化的技术来提高太阳电他的效率，近年来在光伏级的晶体硅材料上使用也有明显的效果，尤其采用热氧化法效果更明显。

使用PECVD法在更低的温度下进行表面氧化，近年来也被使用，具有一定的效果。

多晶硅太阳电池的表面由于存在多种晶向，不如（100）晶向的单晶硅那样能经由腐蚀得到理想的绒面结构，因而对其表面进行各种处理以达减反射的作用也为近期研究目标，其中采用多刀砂轮进行表面刻槽，对10cmX10cm面积硅片的工序时间可降到30秒，具有了一定的实用潜力。

多孔硅作为多晶硅太阳电池的减反射膜具有实用意义，其减反射的作用已能与双重减反射膜相比，所得多晶硅电池的效率也能达到13。

4％。

（1）GeogiaTech．电池

（2）UNSw电池

（3）Kysera电池

多晶硅薄膜电池

为了大幅度降低太阳电池的成本，光伏界一直在研究开发薄膜电池，并先后开发出非晶硅薄膜电他，硫化镐（CdTe）电池，铜钢硒（C1S）电池等。

特别是非晶硅电池，

（1）CVD多晶硅薄膜电池

（2）多层多晶硅薄膜电池

目前太阳能电池的封装形式主要有2种，层压和滴胶，层压工艺可以保证太阳能电池工作寿命25年以上，滴胶虽然当时美观，但是太阳能电池工作寿命仅仅1~2年。

因此，1W以下的小功率太阳能草坪灯,在没有过高寿命要求的情况下，可以使用滴胶封装形式，对于使用年限有规定的太阳能灯，建议使用层压的封装形式。

另外，有一种硅凝胶用于滴胶封装太阳能电池，据说工作寿命可以达到10年。

太阳能发电系统

光伏发电系统分为独立型与并网型。

1．独立型太阳能交流发电系统一般包括以下几个部分：

·太阳电池阵列：

按一定方式排列和连结组合的太阳电池组件，以及支撑这些组件的支架和基础。

·储能电池：

根据使用要求，可以是不同种类的可充电电池。

·控制器：

用于控制太阳电池阵列给储能电池充电过程的设备，它具有各种保护功能，可以确保系统安全稳定的连续运行。

·逆变器，输入从储能电池来的直流电，输出所需要的交流电，例如：

中国是220V50Hz。

·配电箱及连接导线：

用于连结系统设备和管理输出电力的设备。

2．独立型太阳能直流发电系统一般包括以下几个部分：

·太阳电池阵列：

按一定方式排列和连结组合的太阳电池组件，以及支撑这些组件的支架和基础。

·储能电池：

根据使用要求，可以是不同种类的可充电电池。

·控制器：

用于控制太阳电池阵列给储能电池充电过程的设备，它具有各种保护功能，可以确保系统安全稳定的连续运行。

·配电箱及连接导线：

用于连结系统设备和管理输出电力的设备。

3．并网型太阳能交流发电系统一般包括以下几个部分：

·太阳电池阵列：

按一定方式排列和连结组合的太阳电池组件，以及支撑这些组件的支架和基础。

·储能电池：

根据使用要求，可以是不同种类的可充电电池。

·控制器：

用于控制太阳电池阵列给储能电池充电过程的设备，它具有各种保护功能，可以确保系统安全稳定的连续运行。

·并网逆变器，输入从储能电池来的直流电，输出所需要的交流电，例如：

中国是220V50Hz。

·配电箱及连接导线：

用于连结系统设备和管理输出电力的设备。

太阳能照明系统

太阳能灯具的设计和灯具的使用地区有关。

太阳能电池组件额定输出功率和灯具输入功率之间关系在华东地区大约是2~4:

1，具体比例要根据灯具每天工作时间以及对连续阴雨天照明要求决定。

太阳能电池的安装：

许多的太阳能灯具的工厂将太阳能电池水平放置，这样太阳能电池的输出功率将减少15%~20%，如果再在太阳能电池上面增加一个装饰性外罩，太阳能电池的输出功率又将减少5%左右，太阳能电池价格昂贵，我们收集了许多国外太阳能灯资料，在美观和节能两者之间，大多数都选择节能。

在长江下游太阳能电池的最理想倾斜角度是40度左右，方向为正南方。

单片太阳能电池一般是不能使用的，实际应用的是太阳能电池组件。

太阳电池组件是由多片太阳能电池组合而成，用以达到期望的电压值。

太阳能电池组件在使用过程中，如果有一片太阳能电池单独被遮挡，例如树叶鸟粪等，单独被遮挡的太阳能电池在强烈阳光照射下就会发热损坏，于是整个太阳能电池组件损坏。

这就是所谓热岛效应。

为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使树叶等不能附着，在鸟类比较聚集的地方还要求安装防鸟针。

无论太阳能灯具的款式与功率如何，需要一个性能良好的充放电控制电路是必不可少的。

为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度放电，另外，由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通蓄电池充电的控制要复杂些。

对于太阳能灯具的设计来说，成功与失败往往就取决于充放电控制电路的成功与失败，没有一个性能良好的充放电控制电路，就不可能有一个性能良好的太阳能灯具。

储能专用铅酸蓄电池的选用

近年来，太阳电池的光伏发电技术得到了世界各国的高度重视。

从欧美的太阳能光伏“屋顶计划”到我国的西部光伏发电项目以及“光明工程”。

太阳能光伏发电已经显示了其强劲的发展势头。

随着光伏发电技术的发展和低成本光伏组件的产业化，太阳能灯具、光伏电站和光伏户用电源，均要求蓄电池供应商能够提供全天候运行的蓄电池，而目前光伏系统多采用阀控式密封铅酸蓄电池（以下简称铅酸蓄电池缩写为VRLAB）胶体铅酸蓄电池和免维护铅酸蓄电池（不是VRLA蓄电池）作为储能电源。

耐候性是指蓄电池适应自然环境的特性。

本文主要讨论自然环境下温度对蓄电池寿命、容量的影响及解决方法，以及储能铅酸蓄电池选用。

一、温度对铅酸蓄电池寿命的影响

    VRLA铅酸蓄电池受温度影响较大，按阿里纽斯原理，在大于40℃，温度升高10度，寿命降低一倍，寿命终止的主要原因是：

（一）硫酸电解液干涸；

（二）热失控；（三）内部短路等。

（一）硫酸电解液干涸：

关键问题因素之一。

酸液干涸将造成电池容量降低，甚至失效。

造成电池干涸失效这一因素是铅酸电池所特有的。

酸液干涸的原