光伏電池技術進展及性能測試

光伏電池技術進展及性能測試第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日1、光伏電池的發(fā)展歷史2、光伏電池的工作原理3、光伏電池的性能測試及分類4、光伏電池的發(fā)展前景目錄光伏電池技術進展及性能測試第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日1839年光伏電池發(fā)展史1883年1954年1974年1990年2000年法國物理學家Alexandre-EdmondBecquerel發(fā)現(xiàn)光伏效應美國科學家Charles制造出第一個光伏電池貝爾實驗室研制出硅制光伏電池能量轉換效率達到6%Haynos等人利用硅的非等方性蝕刻特性提高光伏電池效率到17%人們開始將光伏電池發(fā)電與民間發(fā)電相結合世界太陽能電池總產量達287MW，光伏產業(yè)仍以每年30％以上的增長速度發(fā)展光伏電池技術進展及性能測試第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日光伏電池的工作原理1、硅原子結構及能帶理論2、光電效應理論3、P-N結理論4、光伏電池原理光伏電池技術進展及性能測試第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日為什么光伏電池能把光轉換成電？在此以光伏電池中使用最多的晶體硅半導體為例來說明它的工作原理。根據(jù)愛因斯坦的光量子理論，光具有粒子性，光子可以看成帶有能量的粒子，光照射到硅晶體表面，形成共價鍵的價電子會被激發(fā)而成為完全自由的電子，電子離開的地方形成一個空位，即空穴。原理簡介光伏電池技術進展及性能測試第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日當太陽光照射到電池表面時，首先光子會通過反射防止膜，然后照射到硅表面，這些光子的能量被轉移到N型硅層的導帶電子，使它脫離軌道而產生大量的自由電子。這些電子的移動又產生了光電流，也就是在P-N結上產生電位差。如果用導線將光伏電池與一個負載連接起來，形成一個回路，就會有電流通過負載，這就是光伏電池的發(fā)電原理。光伏電池技術進展及性能測試第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日硅的原子結構及能帶理論硅是地球上儲量第二大元素，硅基電池是目前光伏界研究開發(fā)的重點，硅的原子序數(shù)為14，它的最外層電子軌道上，有4個電子環(huán)繞原子核運行，每個硅的4個最外層電子，分別和4個鄰近的硅原子中的最外層電子兩兩成對，形成共價鍵。在常溫下，硅具有完整的共價結構，呈現(xiàn)絕緣體特性；在高溫下，共價鍵被打破，呈現(xiàn)導電特性。光伏電池技術進展及性能測試硅原子結構第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日光伏電池技術進展及性能測試P型半導體（左）和N型半導體（右）原子結構第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日光伏電池技術進展及性能測試第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日價帶：價電子集中的能量區(qū)域禁帶:位于價帶的上方，是電子不能進入的區(qū)域導帶：沒有電子存在的空軌道禁帶寬度：價帶到導帶的能量寬度當照到半導體上光的光子能量大于禁帶寬度時，價帶的電子被激發(fā)到導帶，電子離開后留下的空位形成空穴，電子和空穴形成光伏電池的電流。半導體能帶理論光伏電池技術進展及性能測試第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日光電效應是物理學中一個重要而神奇的現(xiàn)象，在光的照射下，某些物質內部的電子會被光子激發(fā)出來而形成電流，即光生電。光電效應與1887年由德國物理學家赫茲發(fā)現(xiàn)，而正確的理論解釋由愛因斯坦提出。1905年，愛因斯坦提出光子假設，成功解釋了光電效應，并因此而獲得1921年諾貝爾物理學獎。光電效應分為：內光電效應和外光電效應內光電效應是被光子激發(fā)的載流子（電子或空穴）仍然在物質內部，產生光生伏特效應的現(xiàn)象。外光電效應是被光子激發(fā)的電子逸出物質表面，形成真空中電子的現(xiàn)象。光伏電池技術進展及性能測試光電效應第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日光伏電池技術進展及性能測試P-N結理論第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日P-N結的光生伏特效應：當光照射到P-N結表面時，由于內建電場的作用，光生電子拉向N區(qū)，光生空穴拉向P區(qū)，相當于P-N結上加上一個正電壓。如果將P-N結短路，就會產生光電流。光伏電池技術進展及性能測試第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日吸收光子，產生電子空穴對；電子空穴對被內建電場分離在P-N結兩端產生電動勢；將P-N結用導線連接起來，形成電流；在光伏電池兩端連接負載，實現(xiàn)光能向電能的轉換。光伏電池技術進展及性能測試光伏電池發(fā)電原理第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日光伏電池的結構：以摻雜少量硼原子的P型硅作為基板，然后采用高溫熱擴散把濃度略高于硼的磷摻入P型基板內，形成P-N結。在N型硅上裝一層反射防止膜，以有效減少太陽光在硅表面的反射損失。此外，在電池的正面和背面必須接上電極。光伏電池技術進展及性能測試柵型結構作用：減少接觸電阻，增大光照面積。第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日光伏電池技術進展及性能測試光伏電池性能測試要提取光伏電池的重要測試參數(shù)，需要進行各種電氣測量工作。這些測量通常包含直流電流和電壓、電容以及脈沖I-V。光伏電池等效電路圖第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日PV電池的直流電流-電壓（I-V）測量

光伏電池技術進展及性能測試I-V圖通常表示太陽能電池產生的電流與電壓的函數(shù)關系。電池能夠產生的最大功率出現(xiàn)在最大電流和電壓點，曲線下方的面積表示不同電壓下電池能夠產生的最大輸出功率。我們可以利用基本的測量工具（例如安培計和電壓源），或者集成了電源和測量功能的儀器生成這種I-V曲線圖。

第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日光伏電池技術進展及性能測試電容測量C-V測量測得的是待測電池的電容與所加載的直流電壓的函數(shù)關系。根據(jù)所需測量的電池參數(shù)，我們可以測出電容與直流電壓、頻率、時間或交流電壓的關系。電池的電容與器件的面積直接相關，因此對測量而言具有較大面積的器件將具有較大的電容。短路電流：理想情況下等于光生電流，受溫度、光強、面積的影響，單晶硅光伏電池短路電流34mA左右，多晶硅光伏電池短路電流32mA左右。開路電壓：影響因素包括光強、溫度、材料特性等，晶體硅光伏電池開路電壓約為600mV。第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日光伏電池技術進展及性能測試電阻率與霍爾電壓的測量脈沖式I-V測量總體效率的測量參數(shù)

能量轉換效率最大功率點填充因數(shù)量子效率其它參數(shù)測量第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日最大功率點：其中，與分別為在最大輸出功率時的電流和電壓能量轉化效率：式中，為標準條件下的日照輻射量；為光伏電池的面積。用來制作光伏電池的材料種類是決定能量轉化效率的一個重要因素，目前各種光伏電池的最高轉化效率為：單晶硅24.7%，多晶硅19.8%，非晶硅14.5%，砷化鎵25.7%，硒化鎵銦銅18.8%。光伏電池的轉換效率最高在30%左右，理論轉換效率在帶隙為1.4eV附近達到最大。光伏電池技術進展及性能測試第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日填充系數(shù)（FF)：定義光伏電池整體行為的參數(shù)，表達式：

填充因數(shù)（FF）是將PV電池的I-V特性與理想電池I-V特性進行比較的一種方式。理想情況下，它應該等于1，但在實際的PV電池中，它一般是小于1的。要提高能量轉換效率，則要同時增大開率電壓、短路電流（即光電流）及填充系數(shù)（即減少串聯(lián)電阻和漏電流）。光伏電池技術進展及性能測試第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日量子效率

量子效率表示當光線照射到光伏電池表面時，有多少比率的光子可以有效的轉換為電子-空穴對（及電流）。通常是在不同波長范圍內，測量組件在每個光子能量下的效率。光伏電池技術進展及性能測試硅光伏電池包括單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池、非晶硅光伏電池。單晶硅光伏電池在實驗室中轉換效率達到25%，而規(guī)模生產的單晶硅光伏電池轉換效率為17%。多晶硅光伏電池的實驗室最高轉換效率為18%，而規(guī)模生產的多晶硅光伏電池轉換效率為16%。（價格低廉）第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日按材料分類硅光伏電池敏化納米晶光伏電池有機化合物光伏電池塑料光伏電池無機化合物半導體光伏電池光伏電池技術進展及性能測試光伏電池的分類第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日光伏電池技術進展及性能測試按結構分類按品種分類同質結光伏電池異質結光伏電池肖特基光伏電池單晶硅光伏電池多晶硅光伏電池非晶硅光伏電池銅銦錫光伏電池砷化鎵光伏電池聚合物光伏電池第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日光伏電池的應用上世紀60年代，科學家們就已經將太陽電池應用于空間技術——通信衛(wèi)星供電，上世紀末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應用，在眾多領域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標、高速公路路標等。歐美等先進國家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。光伏電池與建筑系統(tǒng)的結合已經形成產業(yè)化趨勢光伏電池技術進展及性能測試第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日用戶光伏電源1.小型電源10-100W不等，用于邊遠無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等

光伏電源光伏逆變器光伏電池技術進展及性能測試第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日2.3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；光伏電池技術進展及性能測試第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日3.光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉光伏電池技術進展及性能測試第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日

交通領域如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。光伏電池技術進展及性能測試第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日通訊/通信領域太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機、士兵GPS供電等。光伏電池技術進展及性能測試第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日石油、海洋、氣象領域石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備等風云三號氣象衛(wèi)星的太陽能電池光伏電池技術進展及性能測試第三十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日海洋氣象監(jiān)測標

光伏電池技術進展及性能測試第三十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日家庭燈具電源如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。光伏電池技術進展及性能測試第三十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日光伏電站10KW-50MW獨立光伏電站、風光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。光伏電池技術進展及性能測試第三十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日光伏發(fā)電在不久的將來將會占據(jù)世界能源消費