太陽能電池課件

第3章

太陽能光伏電池

第3章太陽能光伏電池13.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

1.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

（1）自由電子與自由電子濃度物質(zhì)由原子組成，原子由原子核和核外電子組成，電子受原子核的作用，按一定的軌道繞核高速運(yùn)動(dòng)。能在晶體中自由運(yùn)動(dòng)的電子，稱為“自由電子”，它是導(dǎo)體導(dǎo)電的電荷粒子。

（2）晶體中自由電子的運(yùn)動(dòng)由于晶體內(nèi)原子的振動(dòng)，自由電子在晶體中做雜亂無章的運(yùn)動(dòng)。3.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（223.1太陽能光伏發(fā)電原理

（3）導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

導(dǎo)體，導(dǎo)電能力強(qiáng)的物體，電阻率為10-9~l0-6cm

；

絕緣體，不能導(dǎo)電或者導(dǎo)電能力微弱到可以忽略不計(jì)的物體，電阻率為108~l020cm

；

半導(dǎo)體，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體，電阻率為10-5~l07cm

。

導(dǎo)電機(jī)理：金屬導(dǎo)體導(dǎo)電是自由電子（n恒定）在電場力作用下的定向運(yùn)動(dòng)，電導(dǎo)率基本恒定；半導(dǎo)體導(dǎo)電是電子和空穴在電場力作用下的定向運(yùn)動(dòng)。電子和空穴的濃度隨溫度、雜質(zhì)含量、光照等變化較大，影響其導(dǎo)電能力。3.1太陽能光伏發(fā)電原理（3）導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體33.1太陽能光伏發(fā)電原理2.硅的晶體結(jié)構(gòu)

（1）硅的原子結(jié)構(gòu)

硅(Si)原子，原子序數(shù)14，原子核外14個(gè)電子，繞核運(yùn)動(dòng)，分層排列：內(nèi)層2個(gè)電子(滿，2*n2)，第二層8個(gè)電子(滿，2*n2)，第三層4個(gè)電子(不滿，最外層為8)，如圖3-1所示。圖3-1硅的原子結(jié)構(gòu)及其原子能級(jí)3.1太陽能光伏發(fā)電原理2.硅的晶體結(jié)構(gòu)圖3-143.1太陽能光伏發(fā)電原理硅晶體和所有的晶體都是由原子(或離子、分子)在空間按一定規(guī)則排列而成。這種對(duì)稱的、有規(guī)則的排列叫做晶體的晶格。一塊晶體如果從頭到尾都按一種方向重復(fù)排列，即長程有序，就稱其為單晶體。在硅晶體中，每個(gè)硅原子近鄰有四個(gè)硅原子，每兩個(gè)相鄰原子之間有一對(duì)電子，它們與兩個(gè)相鄰原子核都有相互作用，稱為共價(jià)鍵。正是靠共價(jià)鍵的作用，使硅原子緊緊結(jié)合在一起，構(gòu)成了晶體。由許多小顆粒單晶雜亂無章地排列在一起的固體稱為多晶體。非晶體沒有上述特征，但仍保留了相互間的結(jié)合形式，如一個(gè)硅原子仍有四個(gè)共價(jià)鍵，短程看是有序的，長程無序，這樣的材料稱為非晶體，也叫做無定形材料。3.1太陽能光伏發(fā)電原理硅晶體和所有的晶體都是由原53.1太陽能光伏發(fā)電原理5.電子和空穴

電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶（自由電子）后，在價(jià)帶中留下一個(gè)空位，稱為空穴，空穴移動(dòng)也可形成電流。電子的這種躍遷形成電子-空穴對(duì)。電子和空穴都稱為載流子。

電子-空穴對(duì)不斷產(chǎn)生，又不斷復(fù)合。圖3-5具有一個(gè)斷鍵的硅晶體3.1太陽能光伏發(fā)電原理5.電子和空穴圖3-563.1太陽能光伏發(fā)電原理6.摻雜半導(dǎo)體

晶格完整且不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。

硅半導(dǎo)體摻雜少量的五價(jià)元素磷(P)—

N型硅

：自由電子數(shù)量多—多數(shù)載流子（多子）；空穴數(shù)量很少—少數(shù)載流子（少子）。電子型半導(dǎo)體或n型半導(dǎo)體。

摻雜少量的三價(jià)元素硼(B)

—P型硅：空穴數(shù)量多—多數(shù)載流子（多子）；自由電子數(shù)量很少—少數(shù)載流子(少子)?？昭ㄐ桶雽?dǎo)體或p型半導(dǎo)體。圖3-6n型和p型硅晶體結(jié)構(gòu)3.1太陽能光伏發(fā)電原理6.摻雜半導(dǎo)體圖3-673.1太陽能光伏發(fā)電原理7.載流子的產(chǎn)生與復(fù)合由于晶格的熱振動(dòng)，電子不斷從價(jià)帶被“激發(fā)”到導(dǎo)帶，形成一對(duì)電子和空穴（即電子-空穴對(duì)），這就是載流子產(chǎn)生的過程。電子和空穴在晶格中的運(yùn)動(dòng)是無規(guī)則的，可使一對(duì)電子和空穴消失。這種現(xiàn)象叫做電子和空穴的復(fù)合，即載流子復(fù)合。

一定的溫度下晶體內(nèi)產(chǎn)生和復(fù)合的電子-空穴對(duì)數(shù)目達(dá)到相對(duì)平衡，晶體的總載流子濃度保持不變，熱平衡狀態(tài)。由于光照作用，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，電子和空穴的產(chǎn)生率就大于復(fù)合率，形成非平衡載流子，稱為光生載流子。

3.1太陽能光伏發(fā)電原理7.載流子的產(chǎn)生與復(fù)合83.1太陽能光伏發(fā)電原理

8.載流子的輸運(yùn)半導(dǎo)體中存在能夠?qū)щ姷淖杂呻娮雍涂昭ǎ@些載流子有兩種輸運(yùn)方式：漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。載流子在熱平衡時(shí)作不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，與晶格、雜質(zhì)、缺陷發(fā)生碰撞，運(yùn)動(dòng)方向不斷改變，平均位移等于零，這種現(xiàn)象叫做散射。散射不會(huì)形成電流。半導(dǎo)體中載流子在外加電場的作用下，按照一定方向的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。外界電場的存在使載流子作定向的漂移運(yùn)動(dòng)，并形成電流。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是半導(dǎo)體在因外加因素使載流子濃度不均勻而引起的載流子從濃度高處向濃度低處的遷移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)不同，它不是由于電場力的作用產(chǎn)生的，而是由于載流子濃度差的引起的。3.1太陽能光伏發(fā)電原理8.載流子的輸運(yùn)93.1.2p-n結(jié)n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體緊密接觸，在交界處:n區(qū)中電子濃度高，要向p區(qū)擴(kuò)散→在n區(qū)一側(cè)就形成一個(gè)正電荷的區(qū)域；p區(qū)中空穴濃度高，要向n區(qū)擴(kuò)散→p區(qū)一側(cè)就形成一個(gè)負(fù)電荷的區(qū)域；這個(gè)n區(qū)和p區(qū)交界面兩側(cè)的正、負(fù)電荷薄層區(qū)域稱為“空間電荷區(qū)”，即p-n結(jié)—內(nèi)建電場

內(nèi)建電場的存在一方面阻止“多子”的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，另一方面增強(qiáng)“少子”漂移運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。3.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.2p-n結(jié)3.1太陽能光伏發(fā)電原理103.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.2p-n結(jié)(a)n區(qū)電子往P區(qū)(b)p區(qū)空穴往N區(qū)(c)p-n結(jié)電場擴(kuò)散在n區(qū)形成帶擴(kuò)散在p區(qū)形成帶正電的薄層A負(fù)電的薄層B圖3-8p-n結(jié)電子與空穴的擴(kuò)散3.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.2p-n結(jié)(a)n區(qū)113.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.2p-n結(jié)(a)形成p-n結(jié)前載流子的擴(kuò)散過程(b)空間電荷區(qū)和內(nèi)建電場圖3-8p-n結(jié)3.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.2p-n結(jié)(a)形成123.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.2p-n結(jié)—單向?qū)щ娦?/p>

當(dāng)p-n結(jié)加上正向偏壓，外加電場的方向與內(nèi)建電場的方向相反，打破了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的相對(duì)平衡，形成通過p-n結(jié)的電流（稱為正向電流），較大；當(dāng)p-n結(jié)加上反向偏壓，構(gòu)成p-n結(jié)的反向電流，很小。圖3-9p-n結(jié)單向?qū)щ娞匦?/p>

3.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.2p-n結(jié)—單向?qū)щ娦?33.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.3光伏效應(yīng)—太陽能電池

1.光伏效應(yīng)當(dāng)太陽電池受到光照時(shí)，光在n區(qū)、空間電荷區(qū)和p區(qū)被吸收，分別產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于入射光強(qiáng)度從表面到太陽電池體內(nèi)成指數(shù)衰減，在各處產(chǎn)生光生載流子的數(shù)量有差別，沿光強(qiáng)衰減方向?qū)⑿纬晒馍d流子的濃度梯度，從而產(chǎn)生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

n區(qū)中產(chǎn)生的光生載流子到達(dá)p-n結(jié)區(qū)n側(cè)邊界時(shí)，由于內(nèi)建電場的方向是從n區(qū)指向p區(qū)，靜電力立即將光生空穴拉到p區(qū)，光生電子阻留在n區(qū)。

p區(qū)中到達(dá)p-n結(jié)區(qū)p側(cè)邊界的光生電子立即被內(nèi)建電場拉向n區(qū)，空穴被阻留在p區(qū)。

空間電荷區(qū)中產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)則自然被內(nèi)建電場分別拉向n區(qū)和p區(qū)。3.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.3光伏效應(yīng)—太陽能電池143.1太陽能光伏發(fā)電原理

1.光伏效應(yīng)p-n結(jié)及兩邊產(chǎn)生的光生載流子就被內(nèi)建電場所分離，在p區(qū)聚集光生空穴，在n區(qū)聚集光生電子，使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電，在p-n結(jié)兩邊產(chǎn)生光生電動(dòng)勢。上述過程通常稱作光生伏特效應(yīng)或光伏效應(yīng)。光生電動(dòng)勢的電場方向和平衡p-n結(jié)內(nèi)建電場的方向相反。當(dāng)太陽能電池的兩端接上負(fù)載，這些分離的電荷就形成電流。

圖3-10光伏效應(yīng)示意圖

3.1太陽能光伏發(fā)電原理1.光伏效應(yīng)圖3-10153.1太陽能光伏發(fā)電原理

1.光伏效應(yīng)—太陽能電池當(dāng)太陽能電池的兩端接上負(fù)載，光伏電動(dòng)勢就形成電流。圖3-11太陽電池的發(fā)電原理3.1太陽能光伏發(fā)電原理1.光伏效應(yīng)—太陽能電池163.1太陽能光伏發(fā)電原理2.1.4太陽電池的結(jié)構(gòu)和性能1.太陽電池的結(jié)構(gòu)最簡單的太陽電池是由p-n結(jié)構(gòu)成的，如圖3-142示，其上表面有柵線形狀的上電極，背面為背（底）電極，在太陽電池表面通常還鍍有一層減反射膜。

圖3-12太陽電池的結(jié)構(gòu)和符號(hào)3.1太陽能光伏發(fā)電原理2.1.4太陽電池的結(jié)構(gòu)和性能圖3173.1太陽能光伏發(fā)電原理

1.太陽電池的結(jié)構(gòu)硅太陽電池一般制成p/n型結(jié)構(gòu)或n/p型結(jié)構(gòu)。太陽電池輸出電壓的極性，p型一側(cè)電極為正，n型一側(cè)電極為負(fù)。

根據(jù)太陽電池的材料和結(jié)構(gòu)不同，分為許多種形式，如p型和n型材料均為相同材料的同質(zhì)結(jié)太陽電池(如晶體硅太陽電池)；p型和n型材料為不同材料的異質(zhì)結(jié)太陽電池[硫化鎘/碲化鎘(CdS/CdTe)，硫化鎘/銅銦硒(CdS/CulnSe2)薄膜太陽電池]；金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)太陽電池；絨面硅太陽電池；激光刻槽掩埋電極硅太陽電池；鈍化發(fā)射結(jié)太陽電池；背面點(diǎn)接觸太陽電池；疊層太陽電池等。

3.1太陽能光伏發(fā)電原理1.太陽電池的結(jié)構(gòu)183.1太陽能光伏發(fā)電原理

2.太陽電池的技術(shù)參數(shù)（1）開路電壓（Uoc）受光照的太陽電池處于開路狀態(tài)，光生載流子只能積累于p-n結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢，這時(shí)在太陽電池兩端測得的電勢差叫做開路電壓，用符號(hào)Uoc表示。（2）短路電流（Isc）如果把太陽電池從外部短路測得的最大電流，稱為短路電流，用符號(hào)Isc表示。圖3-13硅光電池的開路電壓和短路電流與光照度關(guān)系

3.1太陽能光伏發(fā)電原理2.太陽電池的技術(shù)參數(shù)圖3193.1太陽能光伏發(fā)電原理

（3）最大輸出功率（P）把太陽電池接上負(fù)載，負(fù)載電阻中便有電流流過，該電流稱為太陽電池的工作電流（I），也稱負(fù)載電流或輸出電流。負(fù)載兩端的電壓稱為太陽電池的工作電壓(U)。太陽電池的輸出功率P=UI。太陽電池的工作電壓和電流是隨負(fù)載電阻而變化的，將不同阻值所對(duì)應(yīng)的工作電壓和電流值作成曲線，就得到太陽電池的伏安特性曲線。如果選擇的負(fù)載電阻值能使輸出電壓和電流的乘積最大，即可獲得最大輸出功率（Pm）

。此時(shí)的工作電壓和工作電流稱為最佳工作電壓（Um）和最佳工作電流（Im

），Pm=UmIm。3.1太陽能光伏發(fā)電原理（3）最大輸出功率（P）203.1太陽能光伏發(fā)電原理

（4）填充因子（FF）太陽電池的另一個(gè)重要參數(shù)是填充因子FF，它是最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比：

（5）轉(zhuǎn)換效率（）太陽電池的轉(zhuǎn)換效率指在外部回路上連接最佳負(fù)載電阻時(shí)的最大能量轉(zhuǎn)換效率，等于太陽電池的最大輸出功率與入射到太陽電池表面的輻照功率之比：3.1太陽能光伏發(fā)電原理（4）填充因子（FF）213.1太陽能光伏發(fā)電原理

3.太陽電池的伏-安特性及等效電路太陽電池的電路及等效電路如圖3-14所示。ID(二極管電流)為通過p-n結(jié)的總擴(kuò)散電流，與Isc反向；Rs串聯(lián)電阻，主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻和電極與硅表面接觸電阻所組成，很??；Rsh為旁路電阻，主要由硅片的邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的，很大。

(a)光照時(shí)太陽電池的電路(b)光照時(shí)太陽電池的等效電路圖3-14太陽電池的電路及等效電路3.1太陽能光伏發(fā)電原理3.太陽電池的伏-安特性及223.1太陽能光伏發(fā)電原理當(dāng)RL=0時(shí)，所測的電流為電池的短路電流Isc。Isc與電池面積成正比，1cm2太陽電池的Isc值為16~30mA；同一塊太陽電池，Isc值與入射光的輻照度成正比；當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，Isc略有上升。當(dāng)RL為無窮大時(shí)，所測得的電壓為電池的開路電壓Uoc，Uoc隨光照度變化不大。(a)光照時(shí)太陽電池的電路(b)光照時(shí)太陽電池的等效電路圖3-14太陽電池的電路及等效電路3.1太陽能光伏發(fā)電原理當(dāng)RL=0時(shí)，所測的電流為233.1太陽能光伏發(fā)電原理伏安特性曲線圖3-15太陽電池的電流-電壓關(guān)系曲線圖3-16常用太陽電池電流-電壓特性曲線

1-未受光照；2-受光照I-電流；Isc-短路電流；Im-最大工作電流；U-電壓；Uoc-開路電壓；Um-最大工作電壓；Pm-最大功率3.1太陽能光伏發(fā)電原理伏安特性曲線圖3-15太陽電池的243.1太陽能光伏發(fā)電原理

太陽電池性能的測試須在標(biāo)準(zhǔn)條件太陽電池（組件）的輸出功率取決于太陽輻照度、太陽光譜分布和太陽電池（組件）的工作溫度，因此太陽電池性能的測試須在標(biāo)準(zhǔn)條件（STC）下進(jìn)行。測量標(biāo)準(zhǔn)被歐洲委員會(huì)定義為101號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，其測試條件是：

光譜輻照度1000W/m2

；

大氣質(zhì)量為AM1.5時(shí)的光譜分布；

電池溫度25℃。在該條件下，太陽電池（組件）輸出的最大功率稱為峰值功率。3.1太陽能光伏發(fā)電原理太陽電池性能的測試須在標(biāo)準(zhǔn)25

太陽電池性能的影響因素

晶體結(jié)構(gòu)

；

溫度；

日照強(qiáng)度；

光譜響應(yīng)；

負(fù)載電阻；

遮擋或陰影。太陽電池性能的影響因素263.2太陽能電池材料制備*

硅太陽能電池（單晶、多晶和非晶硅太陽電池）是目前使用最廣泛的太陽能電池，占太陽能電池總產(chǎn)量的90%以上。

晶體硅太陽能電池的一般生產(chǎn)制造工藝：

硅材料的制備太陽能電池的制造太陽能電池組件的封裝硅砂(SiO2)→冶金硅(MG-Si)→晶體硅(Si)→硅片→光伏電池片→電池組件→電池方陣3.2太陽能電池材料制備*硅太陽能電池（單晶、多晶273.2太陽能電池材料制備*3.2.1硅材料的優(yōu)異性能（1）Si材料豐富，易于提純;（2）Si原子占晶格空間?。?4%），有利于電子運(yùn)動(dòng)和摻雜；（3）Si原子核外4個(gè)，摻雜后，容易形成電子-空穴對(duì)；（4）容易生長大尺寸的單晶硅（4001100mm，重438kg）；（5）易于通過沉積工藝制作單晶Si、多晶Si和非晶Si薄層材料；3.2太陽能電池材料制備*3.2.1硅材料的優(yōu)異性能283.2太陽能電池材料制備*（6）易于腐蝕加工；（7）帶隙適中（在室溫下硅的禁帶寬度Eg＝1.l2eV），受本征激發(fā)影響小；（8）Si材料力學(xué)性能好，便于機(jī)加工；（9）Si材料理化性能穩(wěn)定；（10）Si材料便于金屬摻雜，制作低阻值歐姆接觸；

（11）切片損傷小，便于可控鈍化；（12）Si材料表面SiO2薄層制作簡單，SiO2薄層有利于減小反射率，提高太陽能電池發(fā)電效率；SiO2薄層絕緣好，便于電氣絕緣的表面鈍化；SiO2薄層是良好的掩膜層和阻擋層。

Si材料是優(yōu)良的光伏發(fā)電材料！3.2太陽能電池材料制備*（6）易于腐蝕加工；293.2太陽能電池材料制備*3.2.2硅材料的制備制造太陽電池的硅材料以石英砂（SiO2）為原料，先把石英砂放入電爐中用碳還原得到冶金硅，較好的純度為98%~99%。冶金硅與氯氣（或氯化氫）反應(yīng)得到四氯化硅（或三氯氫硅），經(jīng)過精餾使其純度提高，然后通過氫氣還原成多晶硅。多晶硅經(jīng)過坩堝直拉法（Cz法）或區(qū)熔法（Fz法）制成單晶硅棒，硅材料的純度可進(jìn)一步提高，要求單晶硅缺陷和有害雜質(zhì)少。石英砂冶金硅多晶硅單晶硅從硅材料到制成太陽電池組件，需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的工藝過程，以多晶硅太陽電池組件為例，其生產(chǎn)過程大致是：硅砂硅錠硅片電池片電池組件3.2太陽能電池材料制備*3.2.2硅材料的制備303.3太陽能電池制造工藝

3.3.1硅片的加工—晶體硅硅片硅片的加工，是將硅錠經(jīng)表面整形、定向、切割、研磨、腐蝕、拋光、清洗等工藝，加工成具有一定直徑、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、光潔度，表面無缺陷、無崩邊、無損傷層，高度完整、均勻、光潔的鏡面硅片。

圖3-23硅片加工工藝流程3.3太陽能電池制造工藝3.3.1硅片的加工—晶體硅313.3太陽能電池制造工藝

3.3.1硅片的加工

1.切片工藝技術(shù)的原則要求：

（1）切割精度高、表面平行度高、翹曲度和厚度公差??；（2）斷面完整性好，消除拉絲、刀痕和微裂紋；（3）提高成品率，縮小刀(鋼絲)切縫，降低原材料損耗；（4）提高切割速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化切割。

2.切片方法：外圓切割、內(nèi)圓切割、線切割以及激光切割等。

3.3太陽能電池制造工藝3.3.1硅片的加工323.3太陽能電池制造工藝

內(nèi)圓切割：用內(nèi)圓切割機(jī)將硅錠切割成0.2~0.4mm的薄片。其刀體的厚度0.1mm左右，刀刃的厚度0.20~0.25mm，刀刃上黏有金剛砂粉。切割過程中，每切割一片，硅材料有0.3~0.35mm的厚度損失，因此硅材料的利用率僅為40~50%。內(nèi)圓切割刀片的示意圖，如圖3-24所示。

圖3-24內(nèi)圓切割刀片示意圖3.3太陽能電池制造工藝內(nèi)圓切割：333.3太陽能電池制造工藝

內(nèi)圓切割方法，可分為4類：（a）刀片水平安裝，硅料水平方向送進(jìn)切割；

（b）刀片垂直安裝，硅料水平方向送進(jìn)切割；（c）刀片垂直安裝，硅料垂直方向送進(jìn)切割；（d）刀片固定，硅片垂直方向送進(jìn)切割。

圖3-25內(nèi)圓式切割機(jī)切割分類方法示意圖3.3太陽能電池制造工藝內(nèi)圓切割方法，可分為4類343.3太陽能電池制造工藝

線切割機(jī)切片一根長達(dá)幾千米的線兩頭纏繞在轉(zhuǎn)鼓上，這根線在帶磨料的懸浮液中切割硅晶體。切片更快，硅片更?。?.18~0.2mm），硅損失更少（30%）。

圖3-26硅片線切割示意圖3.3太陽能電池制造工藝線切割機(jī)切片353.3太陽能電池制造工藝

表3-2線切割與內(nèi)圓切割特征的比較

性能線切割內(nèi)圓切割切割方法自由磨削加工固定研磨加工切片表面線鋸痕跡切痕、裂紋、碎屑損傷深度/m5~1520~30切片效率/(cm2/h)110~22010~30每次切片數(shù)/片200~4001損耗/m150~210300~500可切片最薄厚度/m180~200350可切硅錠最大直徑/mm300以上200切片翹曲度輕微嚴(yán)重3.3太陽能電池制造工藝表3-2線切割與內(nèi)圓切割特征的363.3太陽能電池制造工藝

激光切片機(jī)

3.3太陽能電池制造工藝激光切片機(jī)373.3太陽能電池制造工藝

3.3.2硅太陽能電池的制造—硅片電池片制造晶體硅太陽能電池包括絨面制備、擴(kuò)散制結(jié)、制作電極和制備蒸鍍減反射膜等主要工序。常規(guī)晶體硅太陽能電池的一般生產(chǎn)制造工藝流程如圖3-27所示。

圖3-27晶體硅太陽能電池生產(chǎn)制造工藝流程3.3太陽能電池制造工藝3.3.2硅太陽能電池的制造383.3太陽能電池制造工藝

3.3.2硅太陽能電池的制造

1.硅片的選擇硅片通常加工成方形、長方形、圓形或半圓形，厚度為0.18~0.4mm。

2.硅片的表面處理

（1）化學(xué)清洗去污，高純水，有機(jī)溶劑，濃酸，強(qiáng)堿。（2）硅片的表面腐蝕去除30~50m表面厚的損傷層。①酸性腐蝕濃硝酸與氫氟酸的配比為（10:1）~（2:1）；硝酸、氫氟酸與醋酸的一般配比為5:3:3或5:1:1或6:1:1

。②堿性腐蝕氫氧化鈉、氫氧化鉀等堿溶液。

3.3太陽能電池制造工藝3.3.2硅太陽能電池的制造393.3太陽能電池制造工藝

3.絨面制備單晶硅絨面結(jié)構(gòu)的制備，就是就是利用硅的各向異性腐蝕(NaOH，KOH)，在硅表面形成金字塔結(jié)構(gòu)。絨面結(jié)構(gòu)，使入射光在硅片表面多次反射和折射，有助于減少光的反射，增加光的吸收，提高電池效率。

圖3-28絨面結(jié)構(gòu)減少光的反射

3.3太陽能電池制造工藝3.絨面制備403.3太陽能電池制造工藝

4.擴(kuò)散制結(jié)

制結(jié)過程：在一塊基體材料上生成導(dǎo)電類型不同的擴(kuò)散層。

制結(jié)方法：熱擴(kuò)散法、離子注入法、薄膜生長法、合金法、激光法和高頻電注入法等。

熱擴(kuò)散法制結(jié)：采用片狀氮化硼作源，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行擴(kuò)散。擴(kuò)散前，氮化硼片先在擴(kuò)散溫度下通氧30min，使其表面的三氧化二硼與硅發(fā)生反應(yīng)，形成硼硅玻璃沉積在硅表面，硼向硅內(nèi)部擴(kuò)散。擴(kuò)散溫度為950~l000℃，擴(kuò)散時(shí)間為15~30min，氮?dú)饬髁繛?L/min。

擴(kuò)散要求：獲得適合于太陽能電池p-n結(jié)需要的結(jié)深(0.3~0.5m)和擴(kuò)散層方塊電阻R□(平均為20~l00/囗)。

3.3太陽能電池制造工藝4.擴(kuò)散制結(jié)413.3太陽能電池制造工藝

5.去除背結(jié)

在擴(kuò)散過程中，硅片的背面也形成了p-n結(jié)，所以在制作電極前需要去除背結(jié)。去除背結(jié)的常用方法，主要有化學(xué)腐蝕法、磨片法和蒸鋁或絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法等。（1）化學(xué)腐蝕法

掩蔽前結(jié)后用腐蝕液蝕去其余部分的擴(kuò)散層。該法可同時(shí)除去背結(jié)和周邊的擴(kuò)散層，因此可省去腐蝕周邊的工序。腐蝕后，背面平整光亮，適合于制作真空蒸鍍的電極。前結(jié)的掩蔽一般用涂黑膠的方法。硅片腐蝕去背結(jié)后用溶劑去真空封蠟，再經(jīng)濃硫酸或清洗液煮沸清洗，最后用去離子水洗凈后烤干備用。

3.3太陽能電池制造工藝5.去除背結(jié)423.3太陽能電池制造工藝

（2）磨片法用金剛砂磨去背結(jié)。也可將攜帶砂粒的壓縮空氣噴射到硅片背面以除去背結(jié)。背結(jié)除去后，磨片后背面形成一個(gè)粗糙的硅表面，適用于化學(xué)鍍鎳背電極的制造。（3）蒸鋁或絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法前兩種方法對(duì)n+/p型和p+/n型電池制造工藝均適用，本法則僅適用于n+/p型電池制造工藝。此法是在擴(kuò)散硅片背面真空蒸鍍或絲網(wǎng)印刷一層鋁，加熱或燒結(jié)到鋁-硅共熔點(diǎn)(577℃)以上使它們成為合金。經(jīng)過合金化以后，隨著降溫，液相中的硅將重新凝固出來，形成含有少量鋁的再結(jié)晶層。實(shí)際上是一個(gè)對(duì)硅摻雜過程。在足夠的鋁量和合金溫度下，背面甚至能形成與前結(jié)方向相同的電場，稱為背面場。

3.3太陽能電池制造工藝（2）磨片法433.3太陽能電池制造工藝

6.制備減反射膜硅表面對(duì)光的反射損失率高達(dá)35%左右。

減反射膜作用：減反射膜不但具有減少光反射的作用，而且對(duì)電池表面還可起到鈍化和保護(hù)的作用。制備方法：采用真空鍍膜法、氣相生長法或其它化學(xué)方法等，在已制好的電池正面蒸鍍一層或多層二氧化硅或二氧化鈦或五氧化二鉭或五氧化二鈮減反射膜。技術(shù)要求：膜對(duì)入射光波長范圍的吸收率要小，膜的理化能穩(wěn)定，膜層與硅粘接牢固，膜耐腐蝕，制作工藝簡單、價(jià)格低廉。

二氧化硅膜，鍍一層減反射膜可將入射光的反射率減少到10%左右，鍍兩層則可將反射率減少到4%以下。

3.3太陽能電池制造工藝6.制備減反射膜443.3太陽能電池制造工藝

7.腐蝕周邊在擴(kuò)散過程中，硅片的周邊表面也有擴(kuò)散層形成。硅片周邊表面的擴(kuò)散層會(huì)使電池上下電極形成短路環(huán)，必須將其去除。周邊上存在任何微小的局部短路，都會(huì)使電池并聯(lián)電阻下降，以致成為廢品。去邊的方法：主要有腐蝕法和擠壓法。腐蝕法是將硅片兩面掩好，在硝酸、氫氟酸組成的腐蝕液中腐蝕30s左右；擠壓法則是用大小與硅片相同而略帶彈性的耐酸橡膠或塑料與硅片相間整齊地隔開，施加一定壓力阻止腐蝕液滲入縫隙，以取得掩蔽的方法。

3.3太陽能電池制造工藝7.腐蝕周邊453.3太陽能電池制造工藝

8.制作上、下電極

所謂電極，就是與電池p-n結(jié)形成緊密歐姆接觸的導(dǎo)電材料。通常對(duì)電極的要求有：①接觸電阻??；②收集效率高；③遮蔽面積小；④能與硅形成牢固的接觸；⑤穩(wěn)定性好；⑥宜于加工；⑦成本低；⑧易于引線，可焊性強(qiáng)；⑨體電阻小；⑩污染小。

制作方法：真空蒸鍍法、化學(xué)鍍鎳法、銀/鋁漿印刷燒結(jié)法等。所用金屬材料：鋁、鈦、銀、鎳等。

電池光照面的電極稱為上電極（窄細(xì)的柵線狀，有利于收集光生電流，并保持較大受光面積

），制作在電池背面的電極稱為下電極或背電極（全部或部分布滿背面，減小電池的串聯(lián)電阻

）。

n+/p型電池上電極是負(fù)極，下電極是正極；p+/n型電池上電極是正極，下電極是負(fù)極。

3.3太陽能電池制造工藝8.制作上、下電極463.3太陽能電池制造工藝

鋁漿印刷燒結(jié)法工藝：把硅片置于真空鍍機(jī)的鐘罩內(nèi)，當(dāng)真空度抽到足夠高時(shí)，便凝結(jié)成一層鋁薄膜，其厚度控制在30~l00nm；然后，再在鋁薄膜上蒸鍍一層銀，厚度為2~5m，為便于電池的組合裝配，電極上還需釬焊一層錫-鋁-銀合金焊料；此外，為得到柵線狀的上電極，在蒸鍍鋁和銀時(shí)，硅表面需放置一定形狀的金屬掩膜。上電極柵線密度一般為2~4條/cm，多的可達(dá)10~19條/cm，最多的可達(dá)60條/cm。

絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作上電極，是用滌綸薄膜等制成所需電極圖形的掩膜，貼在絲網(wǎng)上，然后套在硅片上，用銀漿、鋁漿印刷出所需電極的圖形，經(jīng)過在真空和保護(hù)氣氛中燒結(jié)，形成牢固的接觸電極。成本低，便于自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)

3.3太陽能電池制造工藝鋁漿印刷燒結(jié)法工藝：把硅473.3太陽能電池制造工藝

9.檢驗(yàn)測試太陽電池制作經(jīng)過上述工藝完成后，在作為成品電池入庫前，必須通過測試儀器測量其性能參數(shù)，以檢驗(yàn)其質(zhì)量是否合格。一般需要測量的參數(shù)有最佳工作電壓、最佳工作電流、最大功率(也稱峰值功率)、轉(zhuǎn)換效率、開路電壓、短路電流、填充因子等，通常還要畫出太陽電池的伏安（I-U）特性曲線?，F(xiàn)代測試方法：

圖3-29太陽電池測試設(shè)備系統(tǒng)框圖

3.3太陽能電池制造工藝9.檢驗(yàn)測試483.3太陽能電池制造工藝

2.多晶硅薄膜太陽電池多晶硅薄膜是由許多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)成，其特點(diǎn)是在長波段具有高光敏性，對(duì)可見光能有效吸收，又具有與晶體硅一樣的光照穩(wěn)定性，因此被認(rèn)為是高效、低耗的理想光伏器件材料。

目前多晶硅薄膜太陽電池光電效率達(dá)16.9%，但仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，如果能找到一種好的方法在廉價(jià)的襯底上制備性能良好的多晶硅薄膜太陽電池，該電池就可以進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，這也是目前研究的重點(diǎn)。多晶硅薄膜太陽電池由于其良好的穩(wěn)定性和豐富的材料來源，是一種很有前途的地面用廉價(jià)太陽電池。

3.3太陽能電池制造工藝2.多晶硅薄膜太陽電池493.3太陽能電池制造工藝

3.非晶硅太陽電池（1）非晶硅的優(yōu)點(diǎn)①有較高的光學(xué)吸收系數(shù)，在0.315~0.75m的可見光波長范圍內(nèi)，其吸收系數(shù)比單晶硅高一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，很薄(1m左右)的非晶硅就能吸收大部分的可見光，制備材料成本也低；②禁帶寬度為1.5~2.0eV，比晶體硅的1.l2eV大，與太陽光譜有更好的匹配；③制備工藝和所需設(shè)備簡單，沉積溫度低(300~400℃)，耗能少；④可沉積在廉價(jià)的襯底上，如玻璃、不銹鋼甚至耐溫塑料等，可做成能彎曲的柔性電池。

3.3太陽能電池制造工藝3.非晶硅太陽電池503.3太陽能電池制造工藝

（2）非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)及性能①非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)性能較好的非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)有p-i-n結(jié)構(gòu)，如圖3-32所示。

圖3-32非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)3.3太陽能電池制造工藝（2）非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)513.3太陽能電池制造工藝

②非晶硅太陽電池的性能a.非晶硅太陽電池的電性能非晶硅太陽電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)15%，穩(wěn)定效率為13%。商品化非晶硅太陽電池的光電效率一般為6%~7.5%。溫度升高，對(duì)其效率的影響比晶體硅太陽電池要小。b.光致衰減效應(yīng)非晶硅太陽電池經(jīng)光照后，會(huì)產(chǎn)生10%～30%的電性能衰減——光致衰減效應(yīng)，此效應(yīng)限制了非晶硅太陽電池作為功率發(fā)電器件的大規(guī)模應(yīng)用。為減小這種光致衰減效應(yīng)又開發(fā)了雙結(jié)和三結(jié)的非晶硅疊層太陽電池，目前實(shí)驗(yàn)室光致衰減效應(yīng)已減小至10%。

3.3太陽能電池制造工藝②非晶硅太陽電池的性能523.3太陽能電池制造工藝

4.化合物薄膜太陽電池薄膜太陽電池由沉積在玻璃、不銹鋼、塑料、陶瓷襯底或薄膜上的幾微米或幾十微米厚的半導(dǎo)體膜構(gòu)成。由于其半導(dǎo)體層很薄，可以大大節(jié)省太陽電池材料，降低生產(chǎn)成本，是最有前景的新型太陽電池。（1）化合物多晶薄膜太陽電池除上面介紹過的a-Si太陽電池和多晶Si薄膜太陽電池外，目前已開發(fā)出化合物多晶薄膜太陽電池，主要有：硫化鎘/碲化鎘(CdS/CdTe)、硫化鎘/銅鎵銦硒(CdS/CuGalnSe2).硫化鎘/硫化亞銅(CdS/Cu2S)等，其中相對(duì)較好的有CdS/CdTe電池和CdS/CuGalnSe2電池。

3.3太陽能電池制造工藝4.化合物薄膜太陽電池533.3太陽能電池制造工藝

（2）化合物薄膜太陽電池的制備①CdS/CdTe薄膜太陽電池

CdS/CdTe薄膜太陽電池制造工藝完全不同于硅太陽電池，不需要形成單晶，可以連續(xù)大面積生產(chǎn)，與晶體硅太陽電池相比，雖然效率低，但價(jià)格比較便宜。這類電池目前存在性能不穩(wěn)定問題，長期使用電性能嚴(yán)重衰退，技術(shù)上還有待于改進(jìn)。②CdS/CulnSe2薄膜太陽電池

CdS/CulnSe2薄膜太陽電池，是以銅銦硒三元化合物半導(dǎo)體為基本材料制成的多晶薄膜太陽電池，性能穩(wěn)定，光電轉(zhuǎn)換效率較高，成本低，是一種發(fā)展前景良好的太陽電池。

3.3太陽能電池制造工藝（2）化合物薄膜太陽電池543.3太陽能電池制造工藝

5.砷化鎵太陽電池（1）砷化鎵太陽電池的優(yōu)點(diǎn)①砷化鎵的禁帶寬度(1.424eV)與太陽光譜匹配好，效率較高；②禁帶寬度大，其太陽電池可適應(yīng)高溫下工作；③砷化鎵的吸收系數(shù)大，只要5m厚度就能吸收90%以上太陽光，太陽電池可做得很??；④砷化鎵太陽電池耐輻射性能好，由于砷化鎵是直接躍遷型半導(dǎo)體，少數(shù)載流子的壽命短，所以，由高能射線引起的衰減較?。虎菰谏榛壎嗑П∧ぬ栯姵刂?，晶粒直徑只需幾個(gè)微米；

3.3太陽能電池制造工藝5.砷化鎵太陽電池553.3太陽能電池制造工藝

⑥在獲得同樣轉(zhuǎn)換效率的情況下，砷化鎵開路電壓大，短路電流小，不容易受串聯(lián)電阻影響，這種特征在大倍數(shù)聚光、流過大電流的情況下尤為優(yōu)越。（2）砷化鎵太陽電池的缺點(diǎn)①砷化鎵單晶晶片價(jià)格比較昂貴；②砷化鎵密度為5.318g/cm3

（298K），而硅的密度為2.329g/cm3（298K），這在空間應(yīng)用中不利；③砷化鎵比較脆，易損壞。采用液相外延技術(shù)，在砷化鎵表面生長一層光學(xué)透明的寬禁帶鎵鋁砷（Ga1xAlxAs）異質(zhì)面窗口層，阻礙少數(shù)載流子流向表面發(fā)生復(fù)合，使效率明顯提高。

3.3太陽能電池制造工藝⑥在獲得同樣轉(zhuǎn)換效率的情況下，563.3太陽能電池制造工藝

（3）砷化鎵太陽電池的結(jié)構(gòu)砷化鎵異質(zhì)面太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖3-33所示，目前單結(jié)砷化鎵太陽電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)27%，GaP/GaAs疊層太陽電池的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)30%(AM1.5，l000W/m2,25℃)。由于GaAs太陽電池具有較高的效率和良好的耐輻照特性，國際上已開始在部分衛(wèi)星上試用，轉(zhuǎn)換效率為17%~18%（AM0）。

圖3-33砷化鎵異質(zhì)面太陽電池的結(jié)構(gòu)3.3太陽能電池制造工藝（3）砷化鎵太陽電池的結(jié)573.3太陽能電池制造工藝

6.聚光太陽電池聚光太陽電池是在高倍太陽光下工作的太陽電池。通過聚光器，使大面積聚光器上接受的太陽光匯聚在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，形成“焦斑”或“焦帶”。位于焦斑或焦帶處的太陽電池得到較高的光能，使單體電池輸出更多的電能，其潛力得到了發(fā)揮。輸出功率、短路電流等基本上與光強(qiáng)成比例增加。要求特殊的密柵線設(shè)計(jì)和制造工藝。

圖3-34聚光太陽電池的電極

3.3太陽能電池制造工藝6.聚光太陽電池583.3太陽能電池制造工藝

跟蹤裝置：為了更加充分地利用太陽光，使太陽總是能夠精確地垂直入射在聚光電池上，尤其是對(duì)于高倍聚光系統(tǒng)，必須配備跟蹤裝置。跟蹤方法：單軸跟蹤：只在東西方向跟蹤太陽，180/天；雙軸跟蹤：東西方向和南北方向（46.90°/年

）跟蹤。跟蹤裝置：機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制部分石英晶體為振蕩源，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)機(jī)構(gòu)，每隔4min驅(qū)動(dòng)一次，每次立軸旋轉(zhuǎn)1，每晝夜旋轉(zhuǎn)360的時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)方式，進(jìn)行單軸、間歇式主動(dòng)跟蹤。光敏差動(dòng)自動(dòng)跟蹤控制器控制方式。

3.3太陽能電池制造工藝跟蹤裝置：為了更加充分地利用593.3太陽能電池制造工藝

7.光電化學(xué)太陽電池（1）光電化學(xué)太陽電池的特點(diǎn)1839年發(fā)現(xiàn)電化學(xué)體系的光效，應(yīng)利用半導(dǎo)體-液體結(jié)制成的電池稱為光電化學(xué)電池。優(yōu)點(diǎn)：①形成半導(dǎo)體-電解質(zhì)界面很方便，制造方法簡單，沒有固體器件形成p-n結(jié)和柵線時(shí)的復(fù)雜工藝，從理論上講，其轉(zhuǎn)換效率可與p-n結(jié)或金屬柵線接觸相比較；②可以直接由光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，這就解決了能源儲(chǔ)存問題；③幾種不同能級(jí)的半導(dǎo)體電極可結(jié)合在一個(gè)電池內(nèi)使光可以透過溶液直達(dá)勢壘區(qū)；④可以不用單晶材料而用半導(dǎo)體多晶薄膜，或用粉末燒結(jié)法制成電極材料。

3.3太陽能電池制造工藝7.光電化學(xué)太陽電池603.3太陽能電池制造工藝

（2）光電化學(xué)太陽電池的結(jié)構(gòu)與分類

①光生化學(xué)電池結(jié)構(gòu)：如圖3-35所示，電池由陽極、陰極和電解質(zhì)溶液組成。

圖3-35光電化學(xué)太陽電池的結(jié)構(gòu)1，2-電極；3-電解質(zhì)溶液3.3太陽能電池制造工藝（2）光電化學(xué)太陽電池的613.3太陽能電池制造工藝

原理：兩個(gè)電極（電子導(dǎo)體）浸在電解質(zhì)溶液（離子導(dǎo)體）中，當(dāng)受到外部光照時(shí)，光被溶液中的溶質(zhì)分子所吸收，引起電荷分離，在光照電極附近發(fā)生氧化還原反應(yīng)，由于金屬電極和溶液分子之間的電子遷移速度差別很大而產(chǎn)生電流，這類電池稱為光生化學(xué)電池，也稱光伽伐尼電池，目前所能達(dá)到的光電轉(zhuǎn)換效率還很低。

3.3太陽能電池制造工藝原理：兩個(gè)電極（電子導(dǎo)體623.3太陽能電池制造工藝

②半導(dǎo)體-電解質(zhì)光電化學(xué)電池照射光被半導(dǎo)體電極所吸收，在半導(dǎo)體電極-電解質(zhì)界面進(jìn)行電荷分離，若電極為n型半導(dǎo)體，則在界面發(fā)生氧化反應(yīng)，這類電池稱為半導(dǎo)體-電解質(zhì)光電化學(xué)電池。由于在光電轉(zhuǎn)換形式上它與一般太陽電池有些類似，都是光子激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴，也稱為半導(dǎo)體-電解質(zhì)太陽電池或濕式太陽電池。但它與p-n結(jié)太陽電池不同，是利用半導(dǎo)體-電解質(zhì)液體界面進(jìn)行電荷分離而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的，所以也稱它為半導(dǎo)體-液體結(jié)太陽電池

3.3太陽能電池制造工藝②半導(dǎo)體-電解質(zhì)光電化學(xué)633.4太陽能電池組件的封裝3.4.1太陽能電池組件設(shè)計(jì)—電池片組件1.太陽能電池單體——一般不直接作為電源使用太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元。（1）單體電池是由單晶硅或多晶硅材料制成，薄而脆，不能經(jīng)受較大的撞擊。（2）太陽電池的電極，不能長期裸露使用，必須將太陽電池與大氣隔絕。

（3）單體硅太陽電池工作電壓低（典型值0.48V，硅材料性質(zhì)決定），輸出功率?。s1W，硅材料尺寸限制）或工作電流?。?0~25mA/cm2），不滿足作為電源應(yīng)用的要求。常見的太陽電池尺寸2cm2cm到15cm15cm不等，厚度約0.2mm。3.4太陽能電池組件的封裝3.4.1太陽能電池組件設(shè)計(jì)—643.4太陽能電池組件的封裝2.太陽能電池組件設(shè)計(jì)將太陽電池單體進(jìn)行串、并聯(lián)封裝后，就稱為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦、幾十瓦甚至到100～300W，是可以單獨(dú)作為電源使用的太陽能電池最小單元。太陽能電池組件再經(jīng)過串、并聯(lián)裝在支架上，就構(gòu)成了太陽能電池方陣，可以滿足負(fù)載所需求的輸出功率。太陽電池單體太陽電池組件太陽電池方陣3.4太陽能電池組件的封裝2.太陽能電池組件設(shè)計(jì)653.4太陽能電池組件的封裝(a)單體(b)組件(c)方陣圖3-36太陽電池的單體、組件和方陣太陽能電池的單體、組件和方陣，如圖3-36所示。3.4太陽能電池組件的封裝(a)單體663.4太陽能電池組件的封裝（1）太陽電池組件的技術(shù)要求如下:

有一定的標(biāo)稱工作電壓和輸出功率；

工作壽命長，要求組件所使用的材料、零部件及結(jié)構(gòu)，在使用壽命上互相一致，避免因一處損壞而使整個(gè)組件失效，對(duì)晶體硅太陽電池要求有20年以上的工作壽命；

有良好的電絕緣性；

有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能經(jīng)受運(yùn)輸、安裝和使用過程中發(fā)生的振動(dòng)、沖擊和其他應(yīng)力；

組合引起的效率損失?。?/p>

成本較低。

3.4太陽能電池組件的封裝（1）太陽電池組件的技術(shù)673.4太陽能電池組件的封裝

（2）電池組件的連接方式：串聯(lián)連接，并聯(lián)連接，串、并聯(lián)混合連接方式。制作太陽電池組件時(shí)，根據(jù)電池組件的標(biāo)稱工作電壓確定單片太陽電池的串聯(lián)數(shù)；標(biāo)稱的輸出功率（或工作電流）來確定太陽電池片的并聯(lián)數(shù)。

圖3-37太陽能電池的連接方式3.4太陽能電池組件的封裝（2）電池組件的連接方式683.4太陽能電池組件的封裝多個(gè)單體電池的串聯(lián)連接，可在不改變輸出電流的情況下，使輸出電壓成比例地增加；并聯(lián)連接方式，則可在不改變輸出電壓的情況下，使輸出電流成比例地增加；而串、并聯(lián)混合連接方式，則既可增加組件的輸出電壓，又可增加組件的輸出電流。太陽電池標(biāo)準(zhǔn)組件，一般用36片（10cm10cm）串聯(lián)構(gòu)成，輸出電壓約17V，正好可以對(duì)12V的蓄電池進(jìn)行有效充電。

3.4太陽能電池組件的封裝多個(gè)單體電池的串聯(lián)連接，693.4太陽能電池組件的封裝

（3）太陽電池組件的板型設(shè)計(jì)圖3-3820W組件板型設(shè)計(jì)排布圖電池組件不論功率大小，一般都是由

36片、72片、54片和60片等幾種串聯(lián)形式組成。常見的排布方法有4片9片、6片6片、6片12片、6片9片和6片10片等。

3.4太陽能電池組件的封裝（3）太陽電池組件的板型703.4太陽能電池組件的封裝36片太陽電池組件設(shè)計(jì)：

【例】

要生產(chǎn)一塊20W的太陽能電池組件，現(xiàn)有單片功率為2.2～2.3W、125mm125mm單晶硅電池片，確定板型和組件尺寸。根據(jù)電池片情況，首先確定選用2.3W的電池片9片(組件功率為2.3W9＝20.7W，符合設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)時(shí)組件功率誤差在5%以內(nèi)可視為合格)，并將其4等分切割成36小片，電池片排列可采用4片9片或6片6片的形式，如圖3-38所示。3.4太陽能電池組件的封裝36片太陽電池組件設(shè)計(jì)：713.4太陽能電池組件的封裝36片太陽電池組件設(shè)計(jì)：根據(jù)板型大小，電池片與電池片中的間隙取2～3mm；一般上邊距取35～50mm；下邊距一般取20～35mm；左右邊距一般取10～20mm。這些尺寸都確定以后，就確定了玻璃的長寬尺寸。假設(shè)上述板型都按最小間隙和邊距尺寸選取，則4×9板型的玻璃尺寸長為633.5mm，取整為63.5mm，寬為276mm；66板型的玻璃尺寸長為440mm，寬為405mm。組件安裝邊框后，長寬尺寸一般要比玻璃尺寸大4～5mm，因此一般所說組件外形尺寸都是指加上邊框后的尺寸。

3.4太陽能電池組件的封裝36片太陽電池組件設(shè)計(jì)：723.4太陽能電池組件的封裝3.4.2太陽電池組件的封裝結(jié)構(gòu)圖3-39玻璃殼體式太陽能電池組件示意圖1-玻璃殼體；2-硅太陽能電池；9-互連條；4-黏結(jié)劑5-襯底；6-下底板；7-邊框膠；8-電極接線柱3.4太陽能電池組件的封裝3.4.2太陽電池組件的封裝結(jié)構(gòu)733.4太陽能電池組件的封裝3.4.2太陽電池組件的封裝結(jié)構(gòu)圖3-40底盒式太陽能電池組件示意圖1-玻璃蓋板；2-硅太陽能電池；3-盒式下底板；4-黏結(jié)劑EVA5-襯底；6-固定絕緣膠；7-電極引線；8-互連條

3.4太陽能電池組件的封裝3.4.2太陽電池組件的封裝結(jié)構(gòu)743.4太陽能電池組件的封裝標(biāo)準(zhǔn)太陽電池組件

標(biāo)準(zhǔn)模組的裝框架構(gòu)3.4太陽能電池組件的封裝標(biāo)準(zhǔn)太陽電池組件標(biāo)準(zhǔn)模組的裝框架753.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)3.5.1太陽能電池方陣的組成—組件方陣太陽能電池方陣由太陽能電池組件以及防反充（防逆流）二極管、旁路二極管、電纜等對(duì)電池組件進(jìn)行電氣連接，還需要配備專用的、帶避雷器的直流接線箱。

1.太陽能電池組件的串、并聯(lián)組合

（1）串聯(lián)時(shí)需要工作電流相同的組件，并為每個(gè)組件并接旁路二極管；（2）并聯(lián)時(shí)需要工作電壓相同的組件，并在每一條并聯(lián)線路中串聯(lián)防反充（防逆流）二極管；（3）盡量考慮組件連接線路最短，并用較粗的導(dǎo)線；（4）嚴(yán)格防止個(gè)別性能變壞的電池組件混入電池方陣。

3.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)3.5.1太陽能電池方陣的組成—763.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)1.太陽能電池組件的串、并聯(lián)組合

3.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)1.太陽能電池組件的串、773.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)1.太陽能電池組件的串、并聯(lián)組合

3.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)1.太陽能電池組件的串783.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)

2.太陽能電池組件的熱斑效應(yīng)

在太陽電池方陣中，如發(fā)生有陰影(例如樹葉、鳥類、鳥糞等)落在某單體電池或一組電池上，或當(dāng)組件中的某單體電池被損壞時(shí)，但組件(或方陣)的其余部分仍處于陽光暴曬之下正常工作，這樣局部被遮擋的太陽電池(或組件)就要由未被遮擋的那部分太陽電池(或組件)來提供負(fù)載所需的功率，使該部分太陽電池如同一個(gè)工作于反向偏置下的二極管，其電阻和壓降很大，從而消耗功率而導(dǎo)致發(fā)熱。由于出現(xiàn)高溫，稱之為“熱斑”。對(duì)于高電壓大功率方陣，陰影電池上的電壓降所產(chǎn)生的熱效應(yīng)甚至能造成封裝材料損傷、焊點(diǎn)脫焊、電池破裂或在電池上產(chǎn)生“熱斑”，從而引起組件和方陣失效。電池裂紋或不匹配、內(nèi)部連接失效、局部被遮光或弄臟均會(huì)引起這種效應(yīng)。

3.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)2.太陽能電池組件793.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)

（1）串、并聯(lián)電池組件熱斑形成：圖3-50

串聯(lián)太陽電池組件示意圖

圖3-51

并聯(lián)太陽電池組件示意圖

3.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)（1）串、并聯(lián)電池803.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)

（2）熱斑效應(yīng)的防護(hù)：圖3-50串聯(lián)太陽電池組件熱斑防護(hù)示意圖

圖3-51并聯(lián)太陽電池組件熱斑防護(hù)示意圖

3.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)（2）熱斑效應(yīng)的防813.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)

（2）熱斑效應(yīng)的防護(hù)：

串聯(lián)回路，需要在太陽能電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)旁路二極管Db，以避免串聯(lián)回路中光照組件所產(chǎn)生的能量被遮蔽的組件所消耗。

并聯(lián)支路，需要串聯(lián)一只二極管Ds，以避免并聯(lián)回路中光照組件所產(chǎn)生的能量被遮蔽的組件所吸收，串聯(lián)二極管在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中可同時(shí)起到防止蓄電池在夜間反充電的功能。

3.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)（2）熱斑效應(yīng)的防護(hù)：823.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)

3.防反充（防逆流）和旁路二極管太陽能電池方陣中，二極管是很重要的器件，常用的二極管基本都是硅整流二極管。

（1）防反充（防逆流）二極管

作用：

防止太陽能電池組件或方陣在不發(fā)電時(shí)，蓄電池的電流反過來向組件或方陣倒送，不僅消耗能量，而且會(huì)使組件或方陣發(fā)熱甚至損壞；

在電池方陣中，防止方陣各支路之間的電流倒送3.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)3.防反充（防逆流）和833.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)（2）旁路二極管當(dāng)有較多的太陽能電池組件串聯(lián)組成電池方陣或電池方陣的一個(gè)支路時(shí)，需要在每塊電池板的正負(fù)極輸出端反向并聯(lián)1個(gè)(或2～3個(gè))二極管，這個(gè)并聯(lián)在組件兩端的二極管就叫旁路二極管。旁路二極管的作用是防止方陣串中的某個(gè)組件或組件中的某一部分被陰影遮擋或出現(xiàn)故障停止發(fā)電時(shí)，在該組件旁路二極管兩端會(huì)形成正向偏壓使二極管導(dǎo)通，組件串工作電流繞過故障組件，經(jīng)二極管旁路流過，不影響其它正常組件的發(fā)電，同時(shí)也保護(hù)被旁路組件避免受到較高的正向偏壓或由于“熱斑效應(yīng)”發(fā)熱而損壞。3.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)（2）旁路二極管843.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)（2）旁路二極管旁路二極管的連接方法

(a)(b)(c)圖3-52旁路二極管接法示意圖3.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)（2）旁路二極管853.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)4.太陽能電池方陣的電路

太陽能電池方陣的基本電路由太陽能電池組件串、旁路二極管、防反充二極管和帶避雷器的直流接線箱等構(gòu)成，常見電路形式有并聯(lián)方陣電路、串聯(lián)方陣電路和串、并聯(lián)混合方陣電路，如圖3-49所示。3.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)4.太陽能電池方陣的電路863.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)3.5.2太陽能電池方陣組合的計(jì)算方陣所需要串聯(lián)的組件數(shù)量主要由系統(tǒng)工作電壓或逆變器的額定電壓來確定，同時(shí)要考慮蓄電池的浮充電壓、線路損耗以及溫度變化等因素。

獨(dú)立光伏系統(tǒng)電壓設(shè)計(jì)成與蓄電池的標(biāo)稱電壓相對(duì)應(yīng)或者是它的整數(shù)倍，而且與用電器的電壓等級(jí)一致，如220V、110V、48V、36V、24V、12V等。交流光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，方陣的電壓等級(jí)往往為110V或220V。更高等級(jí)設(shè)計(jì)成600V、10kV等，再通過逆變器后與電網(wǎng)連接。

一般帶蓄電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)方陣的輸出電壓為蓄電池組標(biāo)稱電壓的1.43倍。對(duì)于不帶蓄電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在計(jì)算方陣的輸出電壓時(shí)一般將其額定電壓提高10%，再選定組件的串聯(lián)數(shù)。3.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)3.5.2太陽能電池方陣組合的計(jì)873.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)

3.5.3太陽電池方陣的安裝與維護(hù)平板式地面型太陽能電池方陣安裝在方陣支架上，支架往往固定在水泥基礎(chǔ)上。

避免陰影；安全防護(hù)攔，安裝避雷器；調(diào)整太陽能電池方陣的向日傾角和方位角，或最大功率跟蹤裝置。3.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)3.5.3太陽電池方陣的安裝與883.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)負(fù)載電阻=供電系統(tǒng)內(nèi)電阻負(fù)載上獲得最大功率。

太陽能電池本身是極不穩(wěn)定的電源，即輸出功率往往是變化的。最大功率點(diǎn)控制(MPPT)方法是通過DC/DC變換器中功率開關(guān)來控制太陽能電池陣列工作存在最大功率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制。

圖5-29最大功率跟蹤控制3.5太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)負(fù)載電阻=供電系統(tǒng)內(nèi)電阻89第3章太陽能光伏電池

作業(yè)：

1、什么是光伏電池的熱板效應(yīng)；2、光伏方陣中旁路二極管的作用？3、光伏方陣中阻塞二極管的作用？4、帶蓄電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池組件的電壓選擇依據(jù)？

第3章太陽能光伏電池90光伏電池伏安特性測試實(shí)驗(yàn)一、

實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?/p>

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容三、E-Vts-Solar-IV光伏發(fā)電系統(tǒng)四、實(shí)驗(yàn)原理圖

五、

實(shí)驗(yàn)步驟六、

思考題光伏電池伏安特性測試實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容三、E91一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆誆-Vts-Solar-IV光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的使用方法；掌握太陽能光伏電池伏安特性測試方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過改變光伏電池的負(fù)載，調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電流、輸出電壓和輸出功率，記錄不同電阻條件下的電壓電流讀數(shù)，并進(jìn)行曲線繪制和擬合。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆誆-Vts-Solar-IV光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)92三、E-Vts-Solar-IV光伏發(fā)電系統(tǒng)模擬光源光伏電池二維云臺(tái)電源控制監(jiān)控電腦監(jiān)測儀表充放電管理逆變單元儲(chǔ)能單元模擬負(fù)載三、E-Vts-Solar-IV光伏發(fā)電系統(tǒng)模擬光源光伏電93四、

實(shí)驗(yàn)原理圖四、實(shí)驗(yàn)原理圖94五、

實(shí)驗(yàn)步驟1、打開實(shí)訓(xùn)臺(tái)總電源，開啟監(jiān)控電腦，打開模擬光源，觀察光伏電池板自動(dòng)追蹤光源。如有異常，請急停后聯(lián)系實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師；2、調(diào)節(jié)模擬負(fù)載區(qū)的電阻箱，使得電阻箱的總阻值為8×100歐姆，并由同組同學(xué)相互確認(rèn)；3、根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖將光伏電池板A的輸出端、監(jiān)控儀表區(qū)的電壓表和電流表、模擬負(fù)載區(qū)的電阻箱進(jìn)行連接；連接完成后同組同學(xué)相互確認(rèn)，并請實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師現(xiàn)場確認(rèn)；五、實(shí)驗(yàn)步驟1、打開實(shí)訓(xùn)臺(tái)總電源，開啟監(jiān)控電腦，打開模擬光95五、

實(shí)驗(yàn)步驟4、記錄當(dāng)前電阻箱阻值、光伏電池的輸出電壓和輸出電流；5、按50歐姆的步距遞減電阻箱的阻值，每組阻值待儀表讀數(shù)穩(wěn)定后記錄步驟4所列數(shù)據(jù)，直至阻值降至50歐姆；6、對(duì)步驟4、5所得電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行二維曲線擬合，獲得光伏電池A的伏安特性曲線；7、根據(jù)上述步驟，進(jìn)行光伏電池B、C、D的伏安特性特性測試；五、實(shí)驗(yàn)步驟4、記錄當(dāng)前電阻箱阻值、光伏電池的輸出電壓和輸9697寫在最后成功的基礎(chǔ)在于好的學(xué)習(xí)習(xí)慣Thefoundationofsuccessliesingoodhabits97寫在最后成功的基礎(chǔ)在于好的學(xué)習(xí)習(xí)慣謝謝聆聽·學(xué)習(xí)就是為了達(dá)到一定目的而努力去干,是為一個(gè)目標(biāo)去戰(zhàn)勝各種困難的過程,這個(gè)過程會(huì)充滿壓力、痛苦和挫折LearningIsToAchieveACertainGoalAndWorkHard,IsAProcessToOvercomeVariousDifficultiesForAGoal謝謝聆聽LearningIsToAchieveAC98第3章

太陽能光伏電池

第3章太陽能光伏電池993.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

1.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

（1）自由電子與自由電子濃度物質(zhì)由原子組成，原子由原子核和核外電子組成，電子受原子核的作用，按一定的軌道繞核高速運(yùn)動(dòng)。能在晶體中自由運(yùn)動(dòng)的電子，稱為“自由電子”，它是導(dǎo)體導(dǎo)電的電荷粒子。

（2）晶體中自由電子的運(yùn)動(dòng)由于晶體內(nèi)原子的振動(dòng)，自由電子在晶體中做雜亂無章的運(yùn)動(dòng)。3.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（21003.1太陽能光伏發(fā)電原理

（3）導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

導(dǎo)體，導(dǎo)電能力強(qiáng)的物體，電阻率為10-9~l0-6cm

；

絕緣體，不能導(dǎo)電或者導(dǎo)電能力微弱到可以忽略不計(jì)的物體，電阻率為108~l020cm

；

半導(dǎo)體，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體，電阻率為10-5~l07cm

。

導(dǎo)電機(jī)理：金屬導(dǎo)體導(dǎo)電是自由電子（n恒定）在電場力作用下的定向運(yùn)動(dòng)，電導(dǎo)率基本恒定；半導(dǎo)體導(dǎo)電是電子和空穴在電場力作用下的定向運(yùn)動(dòng)。電子和空穴的濃度隨溫度、雜質(zhì)含量、光照等變化較大，影響其導(dǎo)電能力。3.1太陽能光伏發(fā)電原理（3）導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體1013.1太陽能光伏發(fā)電原理2.硅的晶體結(jié)構(gòu)

（1）硅的原子結(jié)構(gòu)

硅(Si)原子，原子序數(shù)14，原子核外14個(gè)電子，繞核運(yùn)動(dòng)，分層排列：內(nèi)層2個(gè)電子(滿，2*n2)，第二層8個(gè)電子(滿，2*n2)，第三層4個(gè)電子(不滿，最外層為8)，如圖3-1所示。圖3-1硅的原子結(jié)構(gòu)及其原子能級(jí)3.1太陽能光伏發(fā)電原理2.硅的晶體結(jié)構(gòu)圖3-11023.1太陽能光伏發(fā)電原理硅晶體和所有的晶體都是由原子(或離子、分子)在空間按一定規(guī)則排列而成。這種對(duì)稱的、有規(guī)則的排列叫做晶體的晶格。一塊晶體如果從頭到尾都按一種方向重復(fù)排列，即長程有序，就稱其為單晶體。在硅晶體中，每個(gè)硅原子近鄰有四個(gè)硅原子，每兩個(gè)相鄰原子之間有一對(duì)電子，它們與兩個(gè)相鄰原子核都有相互作用，稱為共價(jià)鍵。正是靠共價(jià)鍵的作用，使硅原子緊緊結(jié)合在一起，構(gòu)成了晶體。由許多小顆粒單晶雜亂無章地排列在一起的固體稱為多晶體。非晶體沒有上述特征，但仍保留了相互間的結(jié)合形式，如一個(gè)硅原子仍有四個(gè)共價(jià)鍵，短程看是有序的，長程無序，這樣的材料稱為非晶體，也叫做無定形材料。3.1太陽能光伏發(fā)電原理硅晶體和所有的晶體都是由原1033.1太陽能光伏發(fā)電原理5.電子和空穴

電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶（自由電子）后，在價(jià)帶中留下一個(gè)空位，稱為空穴，空穴移動(dòng)也可形成電流。電子的這種躍遷形成電子-空穴對(duì)。電子和空穴都稱為載流子。

電子-空穴對(duì)不斷產(chǎn)生，又不斷復(fù)合。圖3-5具有一個(gè)斷鍵的硅晶體3.1太陽能光伏發(fā)電原理5.電子和空穴圖3-51043.1太陽能光伏發(fā)電原理6.摻雜半導(dǎo)體

晶格完整且不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。

硅半導(dǎo)體摻雜少量的五價(jià)元素磷(P)—

N型硅

：自由電子數(shù)量多—多數(shù)載流子（多子）；空穴數(shù)量很少—少數(shù)載流子（少子）。電子型半導(dǎo)體或n型半導(dǎo)體。

摻雜少量的三價(jià)元素硼(B)

—P型硅：空穴數(shù)量多—多數(shù)載流子（多子）；自由電子數(shù)量很少—少數(shù)載流子(少子)。空穴型半導(dǎo)體或p型半導(dǎo)體。圖3-6n型和p型硅晶體結(jié)構(gòu)3.1太陽能光伏發(fā)電原理6.摻雜半導(dǎo)體圖3-61053.1太陽能光伏發(fā)電原理7.載流子的產(chǎn)生與復(fù)合由于晶格的熱振動(dòng)，電子不斷從價(jià)帶被“激發(fā)”到導(dǎo)帶，形成一對(duì)電子和空穴（即電子-空穴對(duì)），這就是載流子產(chǎn)生的過程。電子和空穴在晶格中的運(yùn)動(dòng)是無規(guī)則的，可使一對(duì)電子和空穴消失。這種現(xiàn)象叫做電子和空穴的復(fù)合，即載流子復(fù)合。

一定的溫度下晶體內(nèi)產(chǎn)生和復(fù)合的電子-空穴對(duì)數(shù)目達(dá)到相對(duì)平衡，晶體的總載流子濃