太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)（第4版）全套教學(xué)課件

太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)第1章緒論1全套可編輯PPT課件第1章緒論1.1開發(fā)利用太陽能的重要意義

1.2太陽能發(fā)電的特點(diǎn)1.3近年來世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r1.4中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要內(nèi)容21.1開發(fā)利用太陽能的重要意義

1.1.1化石燃料面臨逐漸枯竭全球化石能源儲(chǔ)采比（截止2020年底）化石燃料蘊(yùn)藏量有限，能源消費(fèi)不斷增長(zhǎng)全球一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)（單位：×1015Btu）31.1開發(fā)利用太陽能的重要意義

1.1.1化石燃料面臨逐漸枯竭2021年，全球一次能源需求漲幅5.8%，創(chuàng)史上最大增幅，其增量主要由可再生能源貢獻(xiàn)。能源結(jié)構(gòu)逐步從以煤炭為主轉(zhuǎn)向以更低碳能源為主，可再生能源發(fā)電量增加了近17%。2021年全球一次能源消費(fèi)占比全球一次能源消費(fèi)量2020年，601.5×1015Btu2025年，將增加到667.5×1015Btu2050年，將達(dá)到886.3×1015Btu，增幅近50%2020~2050年，平均年增長(zhǎng)率1.3%。到2050年，全球化石能源所占份額仍高于3/4。41.1開發(fā)利用太陽能的重要意義

1.1.2生態(tài)環(huán)境重視程度增加氣候變暖冰山融化海平面上升沙漠化擴(kuò)大自然災(zāi)害頻發(fā)極端天氣“常態(tài)化”減少溫室氣體排放，治理大氣環(huán)境，防止污染刻不容緩世界2010—2050年不同種類燃料產(chǎn)生的CO2排放量（單位：Gt）51.1開發(fā)利用太陽能的重要意義

1.1.2生態(tài)環(huán)境重視程度增加2021年全球CO2排放量前十名國(guó)家占比電力及供熱行業(yè)CO2排放增量最多，占全球增量的46%。所有增加的化石燃料的使用量，用以幫助滿足電力需求的增長(zhǎng)。

大力推廣光伏發(fā)電對(duì)減少大氣污染，防止全球氣候變化，具有突出的貢獻(xiàn)。減少發(fā)電排放的CO2十分重要61.1開發(fā)利用太陽能的重要意義

1.1.3常規(guī)電網(wǎng)的局限性盡管當(dāng)前全球能源普及率已達(dá)到90%，但仍有7.33億人生活在無電地區(qū)；IEA預(yù)計(jì)到2030年全球仍然還有大約6.6億多人口用不上電。無電人口的75%生活在撒哈拉以南非洲，84%生活在農(nóng)村地區(qū)；經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、居住分散、交通不便，很難通過延伸常規(guī)電網(wǎng)的方法來解決用電問題；無電地區(qū)往往太陽能資源豐富，利用太陽能發(fā)電是理想的選擇；隨著光伏和電化學(xué)儲(chǔ)能成本持續(xù)快速下降，更加分散的小型分布式供電成為可能；對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電，光伏發(fā)電作為有效的補(bǔ)充能源將會(huì)大有用武之地。71.2太陽能發(fā)電的特點(diǎn)1.2.1太陽能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)取之不盡，用之不竭隨處可得運(yùn)行成本低不易損壞自然災(zāi)害頻發(fā)無污染建設(shè)周期短太陽能與化石能源的比較示意圖81.2太陽能發(fā)電的特點(diǎn)1.2.2太陽能發(fā)電的缺點(diǎn)地面應(yīng)用時(shí)有間歇性和隨機(jī)性

發(fā)電量與氣候條件有關(guān)，在晚上或陰雨天就不能或很少發(fā)電。如要隨時(shí)為負(fù)載供電，需要配備儲(chǔ)能設(shè)備。能量密度較低

在標(biāo)準(zhǔn)條件下，地面上接收到的太陽輻射強(qiáng)度為1000W/m2。大規(guī)模使用時(shí)，需要占用較大面積。91.2太陽能發(fā)電的特點(diǎn)1.2.3太陽能發(fā)電的類型（1）太陽能熱發(fā)電

（CSP）

（2）太陽能光伏發(fā)電（PV)太陽能槽式熱發(fā)電太陽能塔式熱發(fā)電太陽能碟式熱發(fā)電101.3近年來世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r1.3.1太陽電池的生產(chǎn)2021各國(guó)及地區(qū)太陽電池、光伏組件產(chǎn)量市場(chǎng)份額太陽電池產(chǎn)量領(lǐng)先國(guó)家1999年之前：美國(guó)1999-2007年：日本2007年之后：

中國(guó)111.3近年來世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r1.3.1太陽電池的生產(chǎn)2011—2021年不同類型光伏組件市場(chǎng)份額（IEAPVPS成員國(guó)）2021年電池組件產(chǎn)量占比晶硅電池組件

占約96.6%薄膜電池組件占約3.4%121.3近年來世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r1.3.2光伏應(yīng)用市場(chǎng)2005—2021年全球累計(jì)光伏裝機(jī)量1990年德國(guó)率先提出了“一千個(gè)太陽能屋頂計(jì)劃”1999年1月德國(guó)開始實(shí)施“十萬屋頂計(jì)劃”德國(guó)的光伏市場(chǎng)起初階段遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家131.3近年來世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r1.3.2光伏應(yīng)用市場(chǎng)各區(qū)域和國(guó)家光伏滲透率占比光伏滲透率上，中國(guó)略低于世界平均水平，相對(duì)于前幾位還有較大的差距。我國(guó)用電規(guī)模較大，若達(dá)到澳大利亞的滲透率水平，我國(guó)的累計(jì)光伏裝機(jī)量需增加2倍。141.4中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展1.4.1中國(guó)光伏發(fā)電歷程010203040506（2004—2008年）快速發(fā)展期我國(guó)成為世界最大的太陽能光伏產(chǎn)品制造基地，電池制造、組件封裝、切片技術(shù)居世界先進(jìn)水平（2008—2009年）行業(yè)調(diào)整期中國(guó)的光伏制造業(yè)面臨著國(guó)際市場(chǎng)需求減少的困境，受到重挫（2009—2010年）逆勢(shì)爆發(fā)增長(zhǎng)期我國(guó)出臺(tái)了應(yīng)對(duì)金融危機(jī)的一攬子政策，光伏產(chǎn)業(yè)成為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，催生了新一輪光伏產(chǎn)業(yè)投資熱潮（2011—2013年）劇烈調(diào)整期光伏制造業(yè)陷入階段性產(chǎn)能過剩，產(chǎn)品價(jià)格大幅下滑，貿(mào)易保護(hù)主義興起，我國(guó)光伏制造業(yè)再次經(jīng)歷挫折（2014—2018年）逐漸回暖期中國(guó)及全球主要的光伏市場(chǎng)裝機(jī)容量持續(xù)快速健康增長(zhǎng)（2019年至今）產(chǎn)業(yè)加速升級(jí)期隨著光伏發(fā)展市場(chǎng)化程度提高，此次新政的發(fā)布將優(yōu)化光伏產(chǎn)能建設(shè)，淘汰落后產(chǎn)能，加快產(chǎn)業(yè)升級(jí)151.4中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展1.4.2中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

我國(guó)光伏行業(yè)于2005年前后受歐洲市場(chǎng)需求拉動(dòng)起步，十幾年來實(shí)現(xiàn)了從無到有、從弱到強(qiáng)的跨越式大發(fā)展，建立了完整的市場(chǎng)環(huán)境和配套環(huán)境，已經(jīng)成為我國(guó)為數(shù)不多、可以同步參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)并達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，也成為我國(guó)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一張嶄新名片和推動(dòng)我國(guó)能源變革的重要引擎。目前我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)在制造規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)水平、應(yīng)用市場(chǎng)拓展、產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)等方面均位居全球前列，并具備向智能光伏邁進(jìn)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。161.4中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展1.4.2中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀2021年我國(guó)多晶硅、硅片、電池、組件產(chǎn)量分別達(dá)到50.5萬噸、227GW、198GW、182GW。光伏制造端（四環(huán)節(jié)）產(chǎn)值突破7500億元，光伏產(chǎn)品（硅片、電池、組件）出口額超過280億美元，同比增長(zhǎng)43.9%，創(chuàng)歷史新高。2010—2022年全國(guó)多晶硅產(chǎn)量（1）多晶硅產(chǎn)業(yè)171.4中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展1.4.2中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀（2）硅片產(chǎn)業(yè)2010—2022年全國(guó)硅片產(chǎn)量情況（3）太陽電池產(chǎn)業(yè)2010—2022年中國(guó)太陽電池生產(chǎn)情況181.4中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展1.4.2中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀（4）光伏組件產(chǎn)業(yè)2010—2022年中國(guó)光伏組件生產(chǎn)情況（5）光伏市場(chǎng)2010—2022年全國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)量19太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)第2章太陽輻射20第2章太陽輻射2.1太陽概況2.2日地運(yùn)動(dòng)2.3天球坐標(biāo)2.4跟蹤平面的角度2.5太陽輻射量主要內(nèi)容212.1太陽概況太陽的構(gòu)造太陽的內(nèi)部可以分為：核心區(qū)、輻射區(qū)和對(duì)流區(qū)三層。核心區(qū)半徑約為太陽半徑的1/4，質(zhì)量約占整個(gè)太陽質(zhì)量的一半以上。太陽的外部由光球?qū)?、色球?qū)雍腿彰釋尤龑訕?gòu)成。人們看到的太陽表面叫光球?qū)?，太陽的可見光幾乎全是由光球?qū)影l(fā)出的。

222.2日地運(yùn)動(dòng)2.2.1地球概況

地球的赤道半徑略長(zhǎng)、兩極半徑略短，極軸相當(dāng)于扁球體的旋轉(zhuǎn)軸。其南半球略粗、短，南極向內(nèi)下凹約30m；北半球略細(xì)、長(zhǎng)，北極約向上凸出10m，其真實(shí)形狀略呈梨形。

赤道半徑 6378.137km

兩極半徑 6356.752km

平均半徑 6371.012km

扁率 1/298.257

赤道周長(zhǎng) 40075.7km

子午線周長(zhǎng) 40008.08km

表面積 5.101×108km2

體積 10832×108km3IUGG1980年公布的地球形貌主要數(shù)據(jù)232.2日地運(yùn)動(dòng)2.2.2真太陽時(shí)日地運(yùn)動(dòng)示意圖以地球自轉(zhuǎn)周期為基準(zhǔn)的一種時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)稱為平太陽時(shí)。平太陽時(shí)在該處下中天（子夜0點(diǎn)）的瞬間作為平太陽時(shí)零時(shí)。

太陽連續(xù)兩次經(jīng)過上中天（正午12點(diǎn)）的時(shí)間間隔，稱為真太陽日。1真太陽日又分為24真太陽時(shí),這稱為真太陽時(shí)。

真太陽時(shí)與平太陽時(shí)的關(guān)系：真太陽時(shí)=平太陽時(shí)+時(shí)差值要確定真太陽時(shí)，需要將當(dāng)?shù)氐谋本r(shí)間推算成當(dāng)?shù)仄教枙r(shí)，再將平太陽時(shí)換算成當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí)。其方法是：中國(guó)當(dāng)?shù)仄教枙r(shí)=北京時(shí)間+4分鐘×（當(dāng)?shù)亟?jīng)度-120°），得到當(dāng)?shù)仄教枙r(shí)，再加上時(shí)差值，可得出當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí)。242.2日地運(yùn)動(dòng)2.2.3日出和日落規(guī)律太陽運(yùn)行軌跡示意圖一年中只有春分日和秋分日是日出正東，日落正西；夏半年中，日出東偏北，日落西偏北方向；冬半年中，日出東偏南，日落西偏南方向；北緯23.45°緯度圈為北回歸線；南緯23.45°為南回歸線；在春分日（北半球是3月20日或21日）與秋分日（北半球是9月22日或23日），太陽恰好直射地球的赤道平面。252.3天球坐標(biāo)2.3.1赤道坐標(biāo)系赤道坐標(biāo)系1.時(shí)角

相對(duì)于圓弧QM’，從天子午圈上的Q點(diǎn)起算（從太陽的正午起算），順時(shí)針方向?yàn)檎鏁r(shí)針方向?yàn)樨?fù)，即上午為負(fù)，下午為正。時(shí)角通常以w表示，它的數(shù)值等于離正午的時(shí)間（小時(shí)）乘以15°。在赤道坐標(biāo)系中，太陽的位置M由時(shí)角w和赤緯角d

兩個(gè)坐標(biāo)決定。262.3天球坐標(biāo)2.3.1赤道坐標(biāo)系赤道坐標(biāo)系2.赤緯角

與赤道面平行的平面與地球的交線稱為地球的緯度。太陽中心和地心的連線與赤道平面的夾角稱為赤緯角，常以d

表示。春分和秋分日的d

=0，向北天極由0變化到夏至日的+23.45°；向南天極由0變化到冬至日的-23.45°。

地球上任何位置，其赤緯角都是相同的。

赤緯角可用Cooper方程近似計(jì)算：注：n為一年中的日期序號(hào)，如元旦為n?=?1。272.3天球坐標(biāo)2.3.2地平坐標(biāo)系地平坐標(biāo)系太陽相對(duì)地球的位置由高度角和方位角兩個(gè)坐標(biāo)決定，由于地球上各處的位置不同，因而各處的高度角和方位角也不相同。1.天頂角qZ

：天頂角是指太陽光線MO與地平面法線OZ之間的夾角。2.高度角as：高度角是指太陽光線MO與其地平面上投影線OM'之間的夾角。它表示太陽高出水平面的角度。高度角與天頂角的關(guān)系是：qZ+as

=

90°3.方位角gs

：方位角是指太陽光線在地平面上投影OM‘和地平面上正南方向線OS之間的夾角gs。它表示太陽光線的水平投影偏離正南方向的角度。282.3天球坐標(biāo)2.3.3太陽角的計(jì)算1.高度角的計(jì)算高度角、天頂角和緯度、赤緯角及時(shí)角的關(guān)系為：在太陽正午時(shí)，w=0，式（2-4a）可簡(jiǎn)化為：

當(dāng)正午太陽在天頂以南，即j>d

時(shí)：

當(dāng)正午太陽在天頂以北，即j

<d

時(shí)：

2.方位角gs的計(jì)算方位角與赤緯角、高度角、緯度及時(shí)角的關(guān)系為：292.3天球坐標(biāo)2.3.3太陽角的計(jì)算3.日出、日落的時(shí)角

4.日照時(shí)間N日出、日落時(shí)太陽高度角as為0，由可得cosws?=?-tanjtand

，

由于cosws=cos(-ws)，故wsr

=?-ws；wss=ws式中，wsr為日出時(shí)角；wss為日落時(shí)角。以度表示，負(fù)值為日出時(shí)角，正值為日落時(shí)角。可見對(duì)于某個(gè)地點(diǎn)，太陽的日出和日落時(shí)角相對(duì)于太陽正午是對(duì)稱的。

日照時(shí)間是當(dāng)?shù)赜扇粘龅饺章渲g的時(shí)間間隔。由于地球每小時(shí)自轉(zhuǎn)15°，所以日照時(shí)間N可以用日出、日落時(shí)角的絕對(duì)值之和除以15°得：

302.3天球坐標(biāo)2.3.3太陽角的計(jì)算5.日出、日落時(shí)的方位角

日出、日落時(shí)太陽高度角為aso=0°，所以cosas=1，sinas=0，代入式

cosgs,o=-sind

/cosj

得到的日出、日落時(shí)的方位角都有兩組解，因此必須選擇一組正確的解。我國(guó)所處位置大致可劃分為北熱帶和北溫帶兩個(gè)氣候帶。當(dāng)太陽赤緯角d>0°（夏半年）時(shí)，太陽升起和降落都在北面的象限（數(shù)學(xué)上的第一、二象限）；d<0°（冬半年）時(shí)，太陽升起和降落都在南面的象限（數(shù)學(xué)上的第三、四象限）。

312.3天球坐標(biāo)2.3.3太陽角的計(jì)算

6.太陽入射角

太陽照射到地表傾斜面上時(shí)，定義太陽入射線與傾斜面法線之間的夾角為太陽入射角qT。太陽入射角與其他角度之間的幾何關(guān)系為：

式中，qT為太陽入射角；d為太陽赤緯角；j為當(dāng)?shù)鼐暥?；b為斜面傾角；g為傾斜面方位角；w為時(shí)角；qZ為太陽天頂角；gs為太陽方位角。322.4跟蹤平面的角度

有些太陽能收集器以一定的方式跟蹤太陽，目的是使太陽光照射到收集器平面的入射角最小，進(jìn)而使平面接收到的太陽輻照量極大化。對(duì)于這種運(yùn)動(dòng)平面需要知道太陽的入射角和平面的方位角。

跟蹤系統(tǒng)可以根據(jù)其運(yùn)動(dòng)方式來分類：一類是環(huán)繞單軸轉(zhuǎn)動(dòng)，軸可以是任何朝向的，實(shí)際上通常只有水平東、西向，水平南、北向，垂直或平行于地球軸這幾種方向；另一類是雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)。（1）對(duì)于按天調(diào)整沿水平東、西向軸轉(zhuǎn)動(dòng)的平面，使每天中午太陽直接輻射垂直入射到接收平面上時(shí)：

這個(gè)平面的傾角對(duì)于每天是固定的：

平面的方位角在一天中是0°還是180°，具體取決于緯度和赤緯角：如果(j-d

)>0，則g=0°

如果(j-d

)≤0，則g=180°

332.4跟蹤平面的角度

（2）對(duì)于繞水平東、西向軸轉(zhuǎn)動(dòng)的平面并可連續(xù)調(diào)整，要使太陽入射角極小化時(shí)：

平面傾角由下式確定：

如果太陽的方位角經(jīng)過±90°，這類平面方位角的朝向?qū)⒃?°～180°之間變化，對(duì)于兩半球：342.4跟蹤平面的角度

其傾角由下式確定：

平面的方位角g是90°還是-90°取決于太陽的方位角是大于0°還是小于0°：

如果gs>0°，則g=90°

如果gs≤0°，則g=-90°

（3）對(duì)于繞水平南、北向軸轉(zhuǎn)動(dòng)的平面并可連續(xù)調(diào)整，要使太陽入射角極小化時(shí)：

352.4跟蹤平面的角度

（4）對(duì)于以固定傾角繞垂直于地球軸轉(zhuǎn)動(dòng)的平面，在其平面方位角與太陽方位角相等時(shí)，太陽入射角最小。由

，太陽入射角qT可由下式得出：

由于傾角是固定的，因此b

為常數(shù)；平面的方位角g

=gs（5）對(duì)于以雙軸連續(xù)跟蹤的平面，要使其入射角極小化時(shí)：362.4跟蹤平面的角度

（6）對(duì)于繞平行于地球軸線以南、北軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的平面并連續(xù)調(diào)整，要使太陽入射角極小化時(shí)：

傾角是連續(xù)變化的，并且等于：

平面的方位角為：

式中，

372.5太陽輻射量單位時(shí)間內(nèi)，太陽以輻射形式發(fā)射的能量稱為太陽輻射功率或輻射通量，單位是瓦（W）。太陽投射到單位面積上的輻射功率（輻射通量）稱為輻射度或輻照度，單位是瓦/米2（W/m2）。在一段時(shí)間內(nèi)太陽投射到單位面積上的輻射能量稱為輻照量，單位是千瓦

·

時(shí)/（米2

·

日）（月、年）［kW?·?h/(m2

·?d)(m、y)］。382.5太陽輻射量2.5.1大氣層外的太陽輻射1．太陽常數(shù)

在地球大氣層之外，平均日?地距離處，垂直于太陽光方向的單位面積上所獲得的太陽輻射量基本上是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)輻照度稱為太陽常數(shù)。太陽常數(shù)的大小為：

用逆平方定律進(jìn)行調(diào)整后得到太陽常數(shù)的結(jié)果為：

392.5太陽輻射量2.5.1大氣層外的太陽輻射2．到達(dá)大氣層上界的太陽輻射大氣層上界水平面上的太陽日輻射量H0可以用下式計(jì)算：

式中，Isc為太陽常數(shù)；ws為日出、日落時(shí)角；d為太陽赤緯角同樣也可以由此得到大氣層上界水平面上的小時(shí)太陽輻射量：

式中，w1和w2為起始和終了的時(shí)角402.5太陽輻射量2.5.1大氣層外的太陽輻射3．大氣質(zhì)量（AM）大氣質(zhì)量的示意圖太陽與天頂軸重合時(shí)，太陽光線穿過一個(gè)地球大氣層的厚度，此時(shí)路程最短，太陽光線的實(shí)際路程與此最短路程之比稱為大氣質(zhì)量。假定在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和0℃時(shí)，海平面上太陽光線垂直入射時(shí)的大氣質(zhì)量為AM=1，因此大氣層上界的大氣質(zhì)量AM=0。地面上的大氣質(zhì)量計(jì)算公式為：

式中，qZ為太陽天頂角；P為當(dāng)?shù)卮髿鈮?；P0為海平面大氣壓。412.5太陽輻射量2.5.2到達(dá)地表的太陽輻照度1．大氣透明度大氣透明度是表征大氣對(duì)于太陽光線透過程度的一個(gè)參數(shù)。根據(jù)布克-蘭貝特定律，波長(zhǎng)為l的太陽輻照度Il,0，經(jīng)過厚度為dm的大氣層后，輻照度衰減為：

式中，Il,n為到達(dá)地表的法向太陽輻照度；Il,0為大氣層上界的太陽輻照度；Cl為大氣的消光系數(shù)；m為大氣質(zhì)量

全色太陽輻照度

整個(gè)太陽輻射光譜范圍內(nèi)的單色透明度的平均值為Pm式中，g為日-地距離修正值；Pm為復(fù)合透明系數(shù)，它表征了大氣對(duì)太陽輻射能的衰減程度。單色光譜透明度422.5太陽輻射量2.5.2到達(dá)地表的太陽輻照度2．到達(dá)地表的法向太陽直射輻照度為了比較不同大氣質(zhì)量情況下的大氣透明度，必須將大氣透明度修正到某個(gè)給定的大氣質(zhì)量。例如，將大氣質(zhì)量為m的大氣透明度Pm值修正到大氣質(zhì)量為2的大氣透明度

，即：

式中，g為日-地變化修正值；Isc為太陽常數(shù)；

為修正到m=2時(shí)的Pm值。

432.5太陽輻射量2.5.2到達(dá)地表的太陽輻照度3．水平面上太陽直射輻照量太陽直射輻照度與太陽高度角的關(guān)系圖

式中，Ib為水平面直射輻照度；as為太陽高度角；q

Z為太陽天頂角。將式

代入式可得

將上式在日出到日落的時(shí)間內(nèi)積分，得到：

由于太陽直射輻照入射到AC和AB平面上的能量是相等的，因此有：442.5太陽輻射量2.5.2到達(dá)地表的太陽輻照度4．水平面上的散射輻照度5．水平面上的太陽總輻照度晴天時(shí)，到達(dá)地表水平面上的散射輻照度主要取決于太陽高度角和大氣透明度。用下式表示：

式中，Id為散射輻照度；

為太陽高度角；C1、C2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

太陽總輻照度是到達(dá)地表水平面上的太陽直射輻照度和散射輻照度的總和，即：I?=?Ib+Id

式中，I為水平面上太陽總輻照度；Ib為水平面上直射輻照度；Id為水平面上散射輻照度。452.5太陽輻射量2.5.2到達(dá)地表的太陽輻照度6．清晰度指數(shù)清晰度指數(shù)KT作為衡量太陽通過大氣層時(shí)的衰減情況，定義為地表水平面上的太陽總輻照度與大氣層外太陽輻照度之比。水平面上月平均太陽輻照量

與大氣層外月平均太陽輻照量

之比為月平均清晰度指數(shù)

，表達(dá)式為

水平面上日平均太陽輻照量H與大氣層外日平均太陽輻照量H0之比為日平均清晰度指數(shù)KT，表達(dá)式為

在某個(gè)小時(shí)，其水平面上的太陽輻照度I與大氣層外太陽輻照度I0之比，即可認(rèn)為是小時(shí)清晰度指數(shù)kT，表達(dá)式為

462.5太陽輻射量2.5.2到達(dá)地表的太陽輻照度7．散射輻照量與總輻照量之比影響直射輻照量與散射輻照量所占比例的因素很復(fù)雜，以下介紹不同時(shí)間段的近似計(jì)算方法。（1）小時(shí)散射輻照量與總輻照量的比值：

，若kT≤0.22，若0.22<kT≤0.80，若kT>0.80式中，kT為小時(shí)清晰度指數(shù)。472.5太陽輻射量2.5.2到達(dá)地表的太陽輻照度7．散射輻照量與總輻照量之比（2）日散射輻照量與總輻照量的比值：日散射輻照量與總輻照量的比值，按日落時(shí)角大于、小于或等于81.4°兩種情況，關(guān)系式分別如下：對(duì)于ws≤81.4°：

對(duì)于ws>81.4°：

482.5太陽輻射量2.5.2到達(dá)地表的太陽輻照度7．散射輻照量與總輻照量之比（3）月散射輻照量與總輻照量的比值：采用Erbs等人1982年提出的經(jīng)驗(yàn)公式來設(shè)法找出各月直射輻照量和散射輻照量各占多少比例：對(duì)于

，并且有

時(shí)：

對(duì)于

，并且有

時(shí)：

ws?>?81.4°

Ws≤?81.4°492.5太陽輻射量2.5.3地表傾斜面上的小時(shí)太陽輻照度1．傾斜面上的小時(shí)太陽直射輻照量IT,b

傾斜面上的太陽直射輻照情況傾斜面上的太陽輻照量由太陽直射輻照量、散射輻照量和地面反射輻照量三部分組成。地表傾斜面上的小時(shí)太陽輻照量與直射輻照量有如下關(guān)系：IT,b/In?=

cosqT傾斜面上的直射輻照量為：

式中，b為傾斜面與水平面之間的夾角；j為當(dāng)?shù)鼐暥龋籨為太陽赤緯角；w為時(shí)角；g為傾斜面的方位角。502.5太陽輻射量2.5.3地表傾斜面上的小時(shí)太陽輻照度2．傾斜面和水平面上小時(shí)直射輻照量的比值Rb傾斜面上和水平面上小時(shí)直射輻照量的比值為：對(duì)于朝向赤道的傾斜面，g=0，可得：對(duì)于北半球：對(duì)于南半球：如果在正午12:00，w=0，可分別得到：對(duì)于北半球：對(duì)于南半球：512.5太陽輻射量2.5.3地表傾斜面上的小時(shí)太陽輻照度3．傾斜面上的小時(shí)散射輻照量?jī)A斜面上的小時(shí)散射輻照量可由下式得到：式中，IT,d為傾斜面上小時(shí)散射輻照量；Id為水平面上小時(shí)散射輻照量；

b為傾斜面與水平面之間的夾角（傾角）4．地面反射輻照量假定地面反射是各向同性的，利用角系數(shù)的互換定律，可得到：

式中，r

是地面反射率，與地表的覆蓋狀況有關(guān)，一般情況下，可取r

=

0.2。522.5太陽輻射量2.5.3地表傾斜面上的小時(shí)太陽輻照度5．傾斜面上小時(shí)太陽總輻照量——天空各向同性模型

天空太陽散射輻射是各向同性的。在傾斜面上的小時(shí)太陽總輻照量由三部分組成：太陽直射輻照量、散射輻照量和地面反射輻照量。

也可以改寫成式中，R是傾斜面上小時(shí)太陽總輻照量IT與水平面上小時(shí)太陽總輻照量I的比值。532.5太陽輻射量2.5.3地表傾斜面上的小時(shí)太陽輻照度6．傾斜面上小時(shí)太陽總輻照量——天空各向異性模型（1）HDKR模型在傾斜面上小時(shí)太陽總輻照量可用下式計(jì)算：

式中，

；

；

Ib為水平面上小時(shí)太陽直射輻照量；Id為水平面上小時(shí)太陽散射輻照量；Io為大氣層外小時(shí)太陽總輻照量；Rb為傾斜面與水平面上小時(shí)太陽直射輻照量的比值；b為傾斜面與水平面之間的夾角（傾角）；r為地面反射率；I為水平面上小時(shí)太陽總輻照量。542.5太陽輻射量2.5.3地表傾斜面上的小時(shí)太陽輻照度6．傾斜面上小時(shí)太陽總輻照量——天空各向異性模型（2）Perez模型傾斜面上的小時(shí)太陽散射輻照量可用下式計(jì)算：式中，F(xiàn)1是環(huán)繞太陽系數(shù)；F2是水平亮度系數(shù)，其值是描述天空條件的天頂角qZ、清晰度Δ

和亮度ξ三個(gè)參數(shù)的函數(shù)，分別由下式確定：552.5太陽輻射量2.5.3地表傾斜面上的小時(shí)太陽輻照度

傾斜面上的小時(shí)太陽總輻照量由直射輻照量、各向異性散射輻照量、環(huán)繞太陽散射輻照量、水平散射輻照量和地面反射輻照量五項(xiàng)構(gòu)成，關(guān)系式如下：

562.5太陽輻射量2.5.4地表傾斜面上的月平均太陽輻照量1．天空各向同性模型太陽散射和地面反射是各向同性的，傾斜面上的月平均太陽輻照量的計(jì)算公式為：

或

式中，

為傾斜面上月平均太陽總輻照量；

為水平面上月平均太陽直射輻照量；

為水平面上月平均太陽散射輻照量；

為傾斜面與水平面上的太陽直射輻照量的比值。

對(duì)于北半球朝向赤道（g=0°）的傾斜面上，可簡(jiǎn)化為：

572.5太陽輻射量2.5.4地表傾斜面上的月平均太陽輻照量1．天空各向同性模型式中，

是各月平均代表日的日落時(shí)角，由下式確定：

對(duì)于南半球朝向赤道（gs=180°）的傾斜面，同樣可簡(jiǎn)化為：

其中，

582.5太陽輻射量2.5.4地表傾斜面上的月平均太陽輻照量2．天空各向異性模型（1）Klein和Theilacker的方法

592.5太陽輻射量2.5.4地表傾斜面上的月平均太陽輻照量2．天空各向異性模型（2）RETScreen方法總共分三個(gè)步驟：①假定當(dāng)月各天都有與“月平均日”相同的太陽總輻照量。②計(jì)算傾斜面（或跟蹤面）上所有的逐小時(shí)太陽總輻照量。③將傾斜面上在“月平均日”所有的逐小時(shí)太陽輻照量相加，就是該“月平均日”的太陽總輻照量，再考慮當(dāng)月的天數(shù)，就可得到傾斜面上當(dāng)月平均太陽總輻照量

。60太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)第3章晶硅太陽電池的基本原理61第3章晶硅太陽電池的基本原理3.1太陽電池的分類

3.2太陽電池的工作原理3.3太陽電池的電學(xué)特性主要內(nèi)容623.1太陽電池的分類3.1.1按基體材料分類按基體材料分類晶硅太陽電池單晶硅太陽電池準(zhǔn)單晶硅太陽電池多晶硅太陽電池硅基薄膜太陽電池非晶硅太陽電池微晶硅太陽電池化合物太陽電池單晶化合物太陽電池多晶化合物太陽電池有機(jī)半導(dǎo)體太陽電池染料敏化太陽電池鈣鈦礦太陽電池633.1太陽電池的分類3.1.1按基體材料分類按用途分類同質(zhì)結(jié)太陽電池異質(zhì)結(jié)太陽電池肖特基結(jié)太陽電池復(fù)合結(jié)太陽電池空間太陽電池地面太陽電池按電池結(jié)構(gòu)分類643.2太陽電池的工作原理3.2.1半導(dǎo)體硅原子示意圖硅晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅晶體中每個(gè)原子周圍有4個(gè)相鄰原子，并和每一個(gè)相鄰原子共有兩個(gè)價(jià)電子，形成穩(wěn)定的8原子殼層653.2太陽電池的工作原理3.2.2能帶結(jié)構(gòu)孤立原子中的電子占據(jù)固定的一組分離能級(jí)

相互靠近時(shí)，分離的能級(jí)擴(kuò)展，相互疊加原子間距和電子能級(jí)的關(guān)系66EF物理意義；能量為EF的能級(jí)上的一個(gè)狀態(tài)被電子占據(jù)的概率等于1/2E>EF：未被電子占據(jù)的概率大，即空出的狀態(tài)多（占據(jù)概率近似為0）；E<EF：被電子占據(jù)的概率大，即可近似認(rèn)為基本上被電子所占據(jù)（占據(jù)概率近似為1）。3.2太陽電池的工作原理3.2.2能帶結(jié)構(gòu)費(fèi)米-狄拉克分布函數(shù)f(E)：任何給定能量E的一個(gè)允許電子能態(tài)的占有概率的結(jié)果67本征半導(dǎo)體：室溫條件下能產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，并具有一定電導(dǎo)率的半導(dǎo)體，是極純且沒有缺陷的半導(dǎo)體。摻雜半導(dǎo)體：通常情況下，由于半導(dǎo)體內(nèi)含有雜質(zhì)或存在晶格缺陷，使得作為自由載流子的（電子或空穴）一方增多，形成摻雜。存在多余電子的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體；存在多余空穴的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體。摻雜方式：間隙雜質(zhì)摻雜：雜質(zhì)原子擁擠在基質(zhì)晶體原子間的空隙中；替位雜質(zhì)摻雜：雜質(zhì)原子替換基質(zhì)晶體原子并保持晶體結(jié)構(gòu)有規(guī)律的排列3.2太陽電池的工作原理3.2.3本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體68p型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)n型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)3.2太陽電池的工作原理3.2.3本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體提供自由電子的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)接受電子的雜質(zhì)原子稱為受主雜質(zhì)693.2太陽電池的工作原理3.2.4n型和p型半導(dǎo)體摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)磷某些位置上的硅原子被磷原子所取代多余1個(gè)價(jià)電子變成自由電子摻入的5價(jià)雜質(zhì)原子又稱為施主空穴稱為少數(shù)載流子，而將電子稱為多數(shù)載流子1.n型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體示意圖703.2太陽電池的工作原理3.2.4n型和p型半導(dǎo)體摻入少量的3價(jià)雜質(zhì)硼共價(jià)鍵處出現(xiàn)空穴摻入的3價(jià)雜質(zhì)原子又稱為受主空穴稱為多數(shù)載流子，而將電子稱為少數(shù)載流子2.p型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體示意圖713.2太陽電池的工作原理3.2.5p-n結(jié)p-n結(jié)：導(dǎo)電類型相反的兩塊半導(dǎo)體之間的過渡區(qū)域p區(qū)內(nèi)，空穴很多，電子很少；n區(qū)內(nèi)，電子很多，空穴很少1.多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)p-n結(jié)在p型和n型半導(dǎo)體交界面的兩邊，電子和空穴的濃度不相等，因此會(huì)產(chǎn)生多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)723.2太陽電池的工作原理3.2.5p-n結(jié)p區(qū)：空穴從濃度大的p區(qū)向濃度小的n區(qū)擴(kuò)散n區(qū)：電子從濃度大的n區(qū)向濃度小的p區(qū)擴(kuò)散1.多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)p-n結(jié)擴(kuò)散結(jié)果：形成p-n結(jié)，交界面靠近n區(qū)的一邊帶正電荷，靠近p區(qū)的另一邊帶負(fù)電荷空間電荷區(qū)（也稱耗盡區(qū)）：形成p-n結(jié)的該區(qū)域內(nèi)建電場(chǎng)（或勢(shì)壘電場(chǎng)）：p-n結(jié)內(nèi)，產(chǎn)生由n區(qū)指向p區(qū)的反向電場(chǎng)733.2太陽電池的工作原理3.2.5p-n結(jié)2.少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)勢(shì)壘（接觸電勢(shì)差）：其大小可表示為

q

為電子電量（-1.6×10?19C）；

T

為絕對(duì)溫度；

k

為玻爾茲曼常數(shù)；

nn、np分別為n型和p型半導(dǎo)體材料中的電子濃度；

pn、pp分別為n型和p型半導(dǎo)體材料中的空穴濃度74漂移運(yùn)動(dòng)：少數(shù)載流子在內(nèi)建電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方向與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反平衡狀態(tài)：漂移與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)趨向平衡，此時(shí)載流子數(shù)目相等而運(yùn)動(dòng)方向相反，總電流為零3.2太陽電池的工作原理3.2.6光生伏特效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體的表面受到太陽光照射時(shí)，如果其中有些光子的能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度，就能使電子掙脫原子核的束縛，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)

條件：所吸收的光子能量要大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，即:為光子能量；是普朗克常數(shù)；是光波頻率；Eg是半導(dǎo)體材料的禁帶寬度（c是光速，是光波波長(zhǎng)），可改寫為：該波長(zhǎng)稱為截止波長(zhǎng)，以lg

表示，波長(zhǎng)大于lg的光子不能產(chǎn)生載流子波長(zhǎng)大于lg的光子不能產(chǎn)生載流子光電轉(zhuǎn)換原理：內(nèi)光電效應(yīng)75有光照射時(shí)，在太陽電池上、下極之間就會(huì)有一定的電勢(shì)差，用導(dǎo)線連接負(fù)載，就會(huì)產(chǎn)生直流電3.2太陽電池的工作原理3.2.7太陽電池基本工作原理太陽電池工作原理圖太陽電池可以作為電源使用76光電轉(zhuǎn)換的物理過程如下:（1）光子被吸收，p-n結(jié)的兩邊產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，如圖（a）所示。（2）產(chǎn)生的電子和空穴，通過擴(kuò)散到達(dá)空間電荷區(qū)，如圖（b）所示。（3）電子?空穴對(duì)被電場(chǎng)分離，因此，p區(qū)的電子從高電位滑落至n區(qū)，而空穴沿著相反方向移動(dòng)，如圖（c）所示。（4）若p-n結(jié)是開路的，則在結(jié)兩邊積累的電子和空穴產(chǎn)生開路電壓，如圖（d）所示。3.2太陽電池的工作原理3.2.7太陽電池基本工作原理光電轉(zhuǎn)換的物理過程77BSF晶硅太陽電池基體材料是p型硅晶體，厚度在0.18mm左右，通過擴(kuò)散形成0.25mm左右的n型半導(dǎo)體3.2太陽電池的工作原理3.2.8晶硅太陽電池的結(jié)構(gòu)BSF晶硅太陽電池的結(jié)構(gòu)圖783.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.1標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定地面太陽電池的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件如下：光源輻照度：1000W/m2；測(cè)試溫度：25℃；AM1.5地面太陽光譜輻照度分布AM0和AM1.5的太陽光譜輻照度具體分布793.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.2太陽電池等效電路理想的太陽電池等效電路實(shí)際的太陽電池等效電路Iph：恒流源ID：暗電流I：流過負(fù)載的電流Rsh：旁路電阻Rs：串聯(lián)電阻803.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.2太陽電池等效電路用等效電路來預(yù)計(jì)太陽電池的輸出和效率:I0為新的指數(shù)前因子；A0為p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)因子，反映了p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)完整性對(duì)性能的影響在理想情況下（Rsh→∞，Rs→0），則由上式可得：負(fù)載R短路時(shí)，即Vj=0（忽略串聯(lián)電阻），Isc=Iph；

負(fù)載R→∞時(shí)，輸出電流趨近于0，

開路電壓Voc的大小由下式?jīng)Q定：Voc?=

(A0kT/q)ln(Iph

/I0+1)813.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.2太陽電池等效電路太陽電池的電流?電壓關(guān)系a—暗電流?電壓關(guān)系曲線；b—光照下電流?電壓關(guān)系曲線；c—變換坐標(biāo)得到太陽電池電流?電壓關(guān)系曲線823.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.3太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)太陽電池的伏安特性曲線：當(dāng)負(fù)載R從0變到無窮大時(shí)，負(fù)載兩端的電壓V和流過的電流I之間的關(guān)系曲線太陽電池的伏安特性曲線1.伏安特性曲線833.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.3太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)在一定的太陽輻照度和工作溫度的條件下，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻RL到某一值Rm時(shí)，在曲線上得到一點(diǎn)M，對(duì)應(yīng)的工作電流Im和工作電壓Vm的乘積為最大，即Pm=ImVm=Pmax則稱M點(diǎn)為該太陽電池的最佳工作點(diǎn)（或最大功率點(diǎn)）太陽電池的伏安特性曲線2.最大功率點(diǎn)843.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.3太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)在一定的太陽輻照度和工作溫度的條件下，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻RL到某一值Rm時(shí)，在曲線上得到一點(diǎn)M，對(duì)應(yīng)的工作電流Im和工作電壓Vm的乘積為最大，即Pm=ImVm=Pmax則稱M點(diǎn)為該太陽電池的最佳工作點(diǎn)（或最大功率點(diǎn)）太陽電池的伏安特性曲線2.最大功率點(diǎn)853.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.3太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)

在一定的溫度和輻照度條件下，太陽電池在空載（開路）情況下的端電壓，也就是伏安特性曲線與橫坐標(biāo)相交的一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓通常用Voc來表示。3.開路電壓（Voc）4.短路電流（Isc）

在一定的溫度和輻照度條件下，太陽電池在端電壓為零時(shí)的輸出電流，也就是伏安特性曲線與縱坐標(biāo)相交的一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流，通常用Isc來表示。863.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.3太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)定義為太陽電池的最大功率與開路電壓和短路電流的乘積之比，通常用FF來表示：5.填充因子（曲線因子）IscVoc是太陽電池的極限輸出功率，ImVm是太陽電池的最大輸出功率填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，F(xiàn)F越大，太陽電池的最大輸出功率越接近于極限輸出功率，性能越好。873.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.3太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)6.轉(zhuǎn)換效率（h）太陽電池的轉(zhuǎn)換效率

受光照太陽電池的最大功率與入射到該太陽電池上的全部輻射功率的百分比:Vm和Im分別為最大輸出功率點(diǎn)的電壓和電流；At為包括柵線面積在內(nèi)的太陽電池總面積（也稱全面積）；Pin為單位面積入射光的功率h

=?VmIm/(At·Pin)88【例3-1】某一尺寸為158.75cm×158.75cm的方形單晶硅太陽電池，測(cè)得其最大功率為5.7W，則該電池的轉(zhuǎn)換效率是多少？解：根據(jù)式h

=?VmIm/(At·Pin),有h

=Vm

Im/(At·Pin)

=

5.7/(158.75×158.75×10-4×1000)

=

22.62%3.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.3太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)893.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.3太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)7.短路電流溫度系數(shù)（a）在溫度變化時(shí)，太陽電池的輸出電流會(huì)產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，溫度每變化1℃，太陽電池短路電流的變化值稱為短路電流溫度系數(shù)，通常用表示a表示。I0為

25℃時(shí)的短路電流。對(duì)于一般晶硅太陽電池：a

=

+(0.06～0.1)%/℃，這表示溫度升高時(shí)，短路電流略有上升Isc

=?I0(1+aDT)903.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.3太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)8.開路電壓溫度系數(shù)（b）Voc

=?V0(1+bDT)

其中，V0為25℃時(shí)的開路電壓。對(duì)于一般晶硅太陽電池：b

=-(0.3～0.4)%/℃，這表示溫度升高時(shí)，開路電壓會(huì)下降在溫度變化時(shí)，太陽電池的輸出電壓也會(huì)產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，溫度每變化1℃，太陽電池開路電壓的變化值稱為開路電壓溫度系數(shù)，通常用b表示。913.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.3太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)9．最大功率溫度系數(shù)在溫度變化時(shí)，太陽電池的輸出功率要產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，溫度每變化1℃，太陽電池輸出功率的變化值稱為功率溫度系數(shù)，通常用g表示。由于Isc=I0(1+aDT

)，Voc=V0(1+bDT)，因此理論最大功率為:Pmax

=?IscVoc=I0V0(1+aDT)(1+bDT)

=?I0V0[1+(a

+b

)

DT+a

bDT2]忽略平方項(xiàng)，得Pmax

=?P0[1+(a+b

)

DT]=P0(1+gDT)923.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.3太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)10．太陽輻照度的影響開路電壓Voc：當(dāng)輻照度較弱時(shí)，開路電壓與入射光譜輻照度呈近似線性變化；

在太陽輻照度較強(qiáng)時(shí),開路電壓與入射光譜輻照度呈對(duì)數(shù)關(guān)系變化短路電流Isc：在入射光的輻照度比標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（1000W/m2）不是大很多的情況下，太陽電池的短路電流Isc與入射光的輻照度成正比關(guān)系最大功率點(diǎn)：太陽電池的最大功率點(diǎn)也會(huì)隨著太陽輻照度的變化而變化933.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.3太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)某光伏組件在不同溫度下的伏安特性曲線某光伏組件在不同輻照度下的伏安特性曲線943.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.4影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素Voc隨Eg的增大而增大，Isc隨Eg的增大而減小存在一個(gè)最佳禁帶寬度，使效率達(dá)到最高半導(dǎo)體禁帶寬度與太陽電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系1.禁帶寬度953.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.4影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素少子壽命長(zhǎng)短的關(guān)鍵是在材料制備和電池生產(chǎn)過程中，要避免形成復(fù)合中心2.溫度溫度主要對(duì)Voc起作用，Voc隨著溫度降低而減小，轉(zhuǎn)換效率h也隨之下降太陽電池的溫度敏感性還取決于開路電壓的大小，即電池的電壓越大，受溫度的影響就越小。3.少子壽命少數(shù)載流子的復(fù)合壽命又稱少子壽命少子壽命越長(zhǎng)，Isc越大；減小暗電流并增大Voc963.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.4影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素4.光強(qiáng)入射光的強(qiáng)度影響太陽電池的參數(shù)，包括短路電流、開路電壓、填充因子、轉(zhuǎn)換效率及并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻等一個(gè)太陽就相當(dāng)于AM1.5大氣質(zhì)量下的標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)，即1kW/m2聚光可以提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率973.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.4影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素重?fù)诫s效應(yīng)：隨著摻雜濃度增加，有效摻雜濃度趨向飽和，甚至?xí)陆?，特別是在高摻雜濃度下壽命還會(huì)縮短重?fù)诫s效應(yīng)5.摻雜濃度及剖面分布摻雜濃度越高，Voc越大983.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.4影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素BSF晶硅太陽電池的鋁背場(chǎng)就是在電池的背面形成了一層p+層，在p/p+結(jié)處的電場(chǎng)妨礙電子朝背表面流動(dòng)，繼而降低了背面的復(fù)合速率背表面場(chǎng)電池原理圖6.表面復(fù)合速率低表面復(fù)合速率有助于提高Isc，并由于I0的減小而使Voc改善993.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.4影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素串聯(lián)電阻的組成7．串聯(lián)和并聯(lián)電阻串聯(lián)電阻Rs主要由半導(dǎo)體材料的體電阻、金屬電極與半導(dǎo)體材料的接觸電阻、擴(kuò)散層薄層電阻及金屬電極本身的電阻四部分組成并聯(lián)電阻Rsh也稱旁路電阻、漏電阻或結(jié)電阻；它由p-n結(jié)的非理想性及工藝缺陷、結(jié)附近雜質(zhì)造成，引起局部短路。1003.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.4影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素串聯(lián)和并聯(lián)電阻對(duì)太陽電池輸出特性的影響7．串聯(lián)和并聯(lián)電阻

串聯(lián)電阻Rs值增大使得電池I-V曲線之電壓隨電流增大而減小。并聯(lián)電阻Rsh值減小使得電池I-V曲線之電流隨電壓增大而減小1013.3開發(fā)利用太陽能的重要意義

3.3.4影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素8．光的吸收太陽電池正面的金屬柵線不能透過陽光，要使Isc最大，金屬柵線的遮光面積應(yīng)越小越好。同時(shí)為了降低Rs，一般將金屬柵線做成又密又細(xì)的結(jié)構(gòu)為了增強(qiáng)太陽光的吸收，降低反射率，通常采用折射率漸變的多涂層薄膜來獲得優(yōu)異的陷光效果102太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)第4章晶硅太陽電池的制造103第4章晶硅太陽電池的制造4.1硅材料的制備4.2硅錠的制備4.3硅片的制備4.4晶硅太陽電池的制造4.5高效晶硅太陽電池技術(shù)主要內(nèi)容104第4章晶硅太陽電池的制造晶硅太陽電池可分為：?jiǎn)尉Ч杼栯姵亍⒍嗑Ч杼栯姵?、?zhǔn)晶硅太陽電池。根據(jù)襯底硅片摻雜的類型可分為：p型晶硅太陽電池和n型晶硅太陽電池。硅材料到晶硅太陽電池主要流程是：多晶硅料→硅錠（棒）→硅片→電池→太陽電池。晶硅光伏組件產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D

1054.1硅材料的制備4.1.1金屬硅的制備金屬硅又稱工業(yè)硅，是由硅石（SiO2≥99.2%）和碳質(zhì)還原劑在電弧爐內(nèi)經(jīng)高溫反應(yīng)冶煉而成的產(chǎn)品。金屬硅中主成分硅元素的含量在98%左右，外觀是灰褐色具有金屬光澤、硬而脆的硅塊。用碳還原二氧化硅得到金屬硅時(shí)，有很多中間態(tài)物質(zhì)產(chǎn)生，其主反應(yīng)方程式為：反應(yīng)物之間化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，爐子底部溫度超過2000℃，主要反應(yīng)如下：在爐子中部，溫度為1500～1700℃，主要反應(yīng)為：在爐子頂部，溫度低于1500℃，以逆向反應(yīng)占主導(dǎo)地位：1064.1硅材料的制備4.1.1金屬硅的制備碳化硅的生成、分解和一氧化硅的凝結(jié)以料層內(nèi)各區(qū)維持溫度分布不變?yōu)橄葲Q條件。碳化硅的生成很容易，但要求高溫、快速反應(yīng)，否則會(huì)沉積到爐底，因此必須保持中心反應(yīng)區(qū)溫度的穩(wěn)定性。在冶煉操作中，爐料的下沉要合適，如過勤，爐內(nèi)溫度區(qū)穩(wěn)定性差，對(duì)冶煉不利。一氧化硅是重要的中間產(chǎn)物，在冶煉中要盡量把一氧化硅留在料層中，防止生成的一氧化硅逸出爐口損失。在冶煉過程中，主要反應(yīng)是在熔池底部料層中完成。

電弧爐制備金屬硅示意圖1074.1硅材料的制備4.1.1金屬硅的制備金屬硅的生產(chǎn)流程為：①原料硅石經(jīng)過洗選、篩分并干燥后，根據(jù)所用還原劑的種類，分別按不同的比例配料，用計(jì)算機(jī)程序控制各料比例，通過送料過程進(jìn)行混勻，進(jìn)入電弧爐內(nèi)；②在電極上通入電流，加熱爐內(nèi)的物料，達(dá)到1800℃以上的高溫，硅在爐內(nèi)被還原出來，呈液態(tài)，通過出硅口排放，鑄成硅錠。1084.1硅材料的制備

4.1.2高純多晶硅的制備高純多晶硅原生料是硅產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈中的一個(gè)極為重要的中間產(chǎn)品，是制造直拉單晶硅和鑄造多晶硅的原料，光伏行業(yè)中常說的高純多晶硅是指純度高于7個(gè)9（7N，99.99999%）的多晶硅。高純多晶硅料生產(chǎn)技術(shù)改良西門子法以生產(chǎn)棒狀多晶硅為主硅烷流化床法以生產(chǎn)顆粒狀多晶硅為主棒狀和顆粒狀多晶硅兩種料在鑄錠或拉晶過程中配合使用，可增加裝料量，有利于降低硅錠制造成本。1094.1硅材料的制備4.1.2.1高純多晶硅的制備——改良西門子法改良西門子優(yōu)點(diǎn)在西門子法的基礎(chǔ)上增加了尾氣回收和四氯化硅氫化工藝的改良西門子法應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的閉路循環(huán)，既可以避免副產(chǎn)品直接排放污染環(huán)境，又可以實(shí)現(xiàn)尾氣的循環(huán)利用，大大降低了生產(chǎn)成本。改良西門子法工藝流程圖1104.1硅材料的制備4.1.2.1高純多晶硅的制備——改良西門子法1.三氯氫硅的合成三氯氫硅合成示意圖金屬硅與高純HCl氣體在流化床反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)，生成SiHCl3，其化學(xué)反應(yīng)式為：

該過程同時(shí)還發(fā)生以下副反應(yīng)：

上述反應(yīng)要加熱到300℃才能進(jìn)行，為放熱反應(yīng)。能量如不能及時(shí)導(dǎo)出，溫度升高后反而影響產(chǎn)率。所得SiHCl3的產(chǎn)物中還包含SiCl4、SiH2Cl2等氯化物雜質(zhì)，需要進(jìn)一步純化。1114.1硅材料的制備4.1.2.1高純多晶硅的制備——改良西門子法2.三氯氫硅的精餾提純精餾：利用三氯氫硅與氯化物、氫化物雜質(zhì)的蒸汽壓、沸點(diǎn)的不同，達(dá)到提純除雜的目的。精餾在精餾塔中實(shí)現(xiàn)，經(jīng)多級(jí)精餾，三氯氫硅的純度可達(dá)9N以上。三氯氫硅合成產(chǎn)物中含有的雜質(zhì)氯化物的蒸汽壓比三氯氫硅的蒸汽壓小很多，這些金屬氯化物屬于高沸點(diǎn)組分，精餾時(shí)較易分離。硼和磷是精餾中較難分離的雜質(zhì)元素，磷元素主要在高沸點(diǎn)組分中，而硼元素主要在低沸點(diǎn)組分中。1124.1硅材料的制備4.1.2.1高純多晶硅的制備——改良西門子法3.三氯氫硅的還原高純的三氯氫硅氣體在不銹鋼鐘罩式反應(yīng)器中與氫氣進(jìn)行還原反應(yīng)。將多晶硅沉積在通電加熱至1100℃的倒U形硅芯上，形成硅棒。其化學(xué)反應(yīng)式為：硅芯為直徑5～10mm、高度2.8～3.5m的硅棒，經(jīng)過反應(yīng)生成的硅棒直徑可達(dá)到150～200mm。硅棒經(jīng)破碎后即為原生多晶硅產(chǎn)品。1134.1硅材料的制備4.1.2.1高純多晶硅的制備——改良西門子法3.三氯氫硅的還原目前，多采用40對(duì)棒、45對(duì)棒、48對(duì)棒及72對(duì)棒。約有20%～30%的SiHCl3轉(zhuǎn)化成多晶硅。剩余的SiHCl3和H2、HCl、SiCl4等在反應(yīng)器中進(jìn)行冷凝分離，得到SiHCl3和SiCl4，SiHCl3返回到整個(gè)反應(yīng)中，SiCl4則經(jīng)過后續(xù)的氫化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為SiHCl3，重新回到多晶硅的生產(chǎn)流程中。西門子法反應(yīng)器示意圖1144.1硅材料的制備4.1.2.1高純多晶硅的制備——改良西門子法4.四氯化硅的氫化冷氫化的反應(yīng)溫度為500～550℃，轉(zhuǎn)化率可達(dá)25%以上，能耗低。反應(yīng)后的氣體經(jīng)過干法回收系統(tǒng)得到SiHCl3，經(jīng)過精餾，可再次成為原料。115四氯化硅是主要副產(chǎn)物每生產(chǎn)1kg多晶硅會(huì)產(chǎn)生8～10kg的四氯化硅氫化主要采用冷氫化的方式冷氫化反應(yīng)方程式為：4.1硅材料的制備4.1.2.2高純多晶硅的制備——硅烷流化床法流化床法以SiCl4、H2、HCl和工業(yè)硅為原料在高溫高壓流化床（沸騰床）內(nèi)生成SiHCl3，將SiHCl3再進(jìn)一步歧化加氫反應(yīng)生成SiH2Cl2，繼而生成硅烷氣。制得的硅烷氣通入加有小顆粒硅粉的流化床內(nèi)進(jìn)行連續(xù)熱分解反應(yīng)，生成粒狀多晶硅產(chǎn)品。多晶硅沉積在流化床中飄浮的小顆粒硅珠上。這些硅珠在硅烷和氫氣的氣流中懸浮在流化床反應(yīng)區(qū)中。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，硅料逐漸長(zhǎng)大，沉落在流化床底部，通過出口被收集成為顆粒狀多晶硅。1164.1硅材料的制備4.1.2.2高純多晶硅的制備——硅烷流化床法流化床反應(yīng)爐示意圖流化床反應(yīng)爐通常具有管狀結(jié)構(gòu)，通過對(duì)反應(yīng)室壁進(jìn)行電加熱，控制反應(yīng)室內(nèi)的溫度。硅烷和氫氣從底部通入反應(yīng)器，與此同時(shí)從反應(yīng)器的頂部或中部連續(xù)加載小顆粒的硅籽晶。當(dāng)向上的氣流產(chǎn)生的浮力與硅籽晶重力相等時(shí)，籽晶顆粒就可以懸浮起來，表現(xiàn)為流體。硅烷氣體在工作溫度下轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硅，并沉積在籽晶顆粒表面。大量運(yùn)動(dòng)的籽晶顆粒提供了充足的反應(yīng)面積，有利于提高沉積效率。隨著密度和體積的增加，顆粒硅將無法維持流化態(tài)，在重力作用下降落，并從反應(yīng)器底部排出和收集。1174.1硅材料的制備4.1.2.2高純多晶硅的制備——硅烷流化床法硅烷流化床法優(yōu)點(diǎn)：1.硅烷分解溫度低2.分解能耗低3.可連續(xù)化生產(chǎn)4.顆粒硅產(chǎn)品無須破碎5.拉單晶硅棒時(shí)裝填密度大。流化床生產(chǎn)過程中可以連續(xù)進(jìn)料和排氣，并且硅籽晶和成品硅顆?？梢酝瑫r(shí)引入和排出，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。從安全、質(zhì)量、成本、環(huán)保、規(guī)?；a(chǎn)等關(guān)鍵要素分析，顆粒硅和棒狀硅技術(shù)互補(bǔ)、長(zhǎng)期共存。1184.2硅錠的制備4.2.1.1單晶硅棒的制備——直拉法（切克勞斯基法）直拉法的工作原理是：1.先將硅料裝填進(jìn)石英坩堝中，在稀有氣體（又稱惰性氣體）保護(hù)下加熱熔化，然后將具有特定晶體取向的單晶硅籽晶浸入熔體中。2.再以一定的速度將籽晶從熔體中拉出。晶體生長(zhǎng)過程中的提拉速度決定了單晶硅棒的直徑。3.晶體和坩堝反向旋轉(zhuǎn)可以使晶體均勻生長(zhǎng)以及雜質(zhì)濃度分布更加均勻。4.最后通過快速提拉，單晶硅棒直徑減小到零，晶體生長(zhǎng)結(jié)束。1194.2硅錠的制備4.2.1.1單晶硅棒的制備——直拉法典型的直拉單晶爐示意圖直拉單晶爐四部分：1.熱區(qū)（直拉單晶爐的核心）2.氣壓控制系統(tǒng)3.晶體旋轉(zhuǎn)和升降機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)4.單晶硅棒生長(zhǎng)控制系統(tǒng)此外，具有基于微處理器控制系統(tǒng)的直拉單晶爐，可以控制溫度、晶體直徑、轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)，自動(dòng)化程度高。1204.2硅錠的制備4.2.1.1單晶硅棒的制備——直拉法（CZ）直拉法生產(chǎn)流程示意圖1214.2硅錠的制備4.2.1.1單晶硅棒的制備——直拉法（1）熔化

石英坩堝中放入多晶硅原料及摻雜雜質(zhì)，雜質(zhì)的種類依晶體硅的n型或p型而定，雜質(zhì)種類有硼、磷、銻、砷等。將多晶硅原料加入石英坩堝后，關(guān)閉單晶爐并抽真空，充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍，然后打開石墨加熱器電源，加熱至熔化溫度（1420℃以上），將多晶硅原料熔化。這一階段重點(diǎn)要控制坩堝內(nèi)的溫度梯度，不能驟然升溫，否則會(huì)造成坩堝破裂。（2）引晶

硅料全部熔化后，熔體必須有一定的穩(wěn)定時(shí)間，以達(dá)到熔體溫度和熔體流動(dòng)的穩(wěn)定。待熔體穩(wěn)定后，降下籽晶至離液面3～8mm距離，使籽晶預(yù)熱，以減少籽晶與熔硅的溫度差，從而減少籽晶與熔硅接觸時(shí)，在籽晶中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。當(dāng)二者溫度相等或接近時(shí)，將籽晶輕輕浸入熔硅，使頭部首先少量溶解，然后和硅熔體形成一個(gè)固液界面，該過程即為引晶。1224.2硅錠的制備4.2.1.1單晶硅棒的制備——直拉法（3）縮頸

由于籽晶與硅熔體接觸時(shí)的熱應(yīng)力，會(huì)使籽晶產(chǎn)生位錯(cuò)，這些位錯(cuò)必須利用縮頸生長(zhǎng)使之消失?？s頸生長(zhǎng)是使籽晶適當(dāng)回熔一部分，然后通過加大提拉速度，使得籽晶的直徑盡可能縮小，長(zhǎng)出的晶體直徑縮小到3～4mm，長(zhǎng)度30～50mm。由于位錯(cuò)線與生長(zhǎng)軸成一個(gè)交角，只要縮頸足夠長(zhǎng)，位錯(cuò)便能長(zhǎng)出晶體表面，產(chǎn)生零位錯(cuò)的晶體。在這種條件下，冷卻過程中熱應(yīng)力很小，不會(huì)產(chǎn)生新的應(yīng)力位錯(cuò)。在籽晶能承受晶錠重量的前提下，細(xì)頸應(yīng)盡可能細(xì)長(zhǎng)，一般長(zhǎng)度和直徑之比應(yīng)達(dá)到10∶1。（4）放肩

在縮頸完成后，需降低溫度與拉速，使得晶體的直徑逐漸增大到所需尺寸。目前拉晶工藝幾乎都采用平放肩工藝，即肩部夾角接近180°，這種方法降低了晶棒頭部的原料損失。當(dāng)放肩直徑接近預(yù)定目標(biāo)時(shí)，提高拉速，晶體逐漸進(jìn)入等徑生長(zhǎng)。1234.2硅錠的制備4.2.1.1單晶硅棒的制備——直拉法（5）等徑在等徑生長(zhǎng)階段，不僅要控制好晶體的直徑，更為重要的是保持晶體的無位錯(cuò)生長(zhǎng)。晶體內(nèi)總是存在著熱應(yīng)力，實(shí)踐表明，晶體在生長(zhǎng)過程中等溫面不可能保持絕對(duì)的平面，這樣就存在徑向溫度梯度，形成熱應(yīng)力，晶體中軸向溫度分布往往具有指數(shù)函數(shù)的形式，因而也必然會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)這些熱應(yīng)力超過了硅的臨界應(yīng)力時(shí)，晶體中將產(chǎn)生位錯(cuò)。（6）收尾

等徑生長(zhǎng)結(jié)束之后，如果立刻將晶棒與液面分開，己經(jīng)生長(zhǎng)的無位錯(cuò)晶體受到熱沖擊，其熱應(yīng)力往往超過硅晶格的臨界應(yīng)力。這將使得晶棒出現(xiàn)位錯(cuò)與滑移線。為避免發(fā)生此問題，在拉晶結(jié)束時(shí)，應(yīng)逐步縮小晶體直徑直至最后縮小為一點(diǎn)，這一過程稱為收尾。生長(zhǎng)完的晶棒被升至上爐室，冷卻一段時(shí)間后取出，即完成一次生長(zhǎng)周期。1244.2硅錠的制備4.2.1.2單晶硅棒的制備——懸浮區(qū)熔法（FZ）懸浮區(qū)熔法示意圖1254.2硅錠的制備4.2.1.2單晶硅棒的制備——懸浮區(qū)熔法1.將圓柱形多晶硅棒用高頻感應(yīng)線圈在氬氣氣氛中加熱，使棒的底部和在其下部靠近的同軸固定的單晶硅籽晶間形成熔滴。2.利用硅熔體的表面張力和加熱線圈的磁托浮力大于硅熔體的重力和離心力的現(xiàn)象，使熔區(qū)懸浮于多晶硅棒與下方生長(zhǎng)出的單晶之間。3.接下來的流程與直拉單晶硅流程類似，先拉出一個(gè)直徑約3mm，長(zhǎng)約10～20mm的晶頸，然后放慢拉速，降低溫度放肩至預(yù)定直徑。4.在晶體生長(zhǎng)過程中，上方的多晶硅棒和下方的單晶硅棒旋轉(zhuǎn)方向相反；熔區(qū)隨感應(yīng)線圈向上移動(dòng)，直至晶體生長(zhǎng)完成。1264.2硅錠的制備4.2.1.2單晶硅棒的制備——懸浮區(qū)熔法區(qū)熔法主要用來生產(chǎn)對(duì)純度要求更高的晶體，可得到均勻的雜質(zhì)分布。區(qū)熔單晶硅由于在生產(chǎn)過程中不使用石英坩堝，氧含量和金屬雜質(zhì)含量都遠(yuǎn)小于直拉單晶硅，單晶硅的純度高，因此主要被用于制作電力電子器件、光敏二極管、射線探測(cè)器、紅外探測(cè)器等。區(qū)熔單晶硅的常規(guī)摻雜方法有硅芯摻雜、表面涂敷摻雜、氣相摻雜、中子嬗變摻雜等，以氣相摻雜最為常見。而利用中子嬗變摻雜可獲得摻雜濃度很均勻的區(qū)熔硅（簡(jiǎn)稱NTD硅）。區(qū)熔法生產(chǎn)單晶硅的尺寸受限于加熱線圈，目前可以實(shí)現(xiàn)的最大硅棒直徑為200mm。不同于直拉法對(duì)多晶硅原料的幾何形狀與尺寸的要求不高，區(qū)熔法對(duì)圓柱形多晶硅棒有嚴(yán)格的要求。此外，與直拉法設(shè)備相比，區(qū)熔爐成本較高。1274.2硅錠的制備4.2.1.3單晶硅棒的制備——磁控直拉法（MCZ）磁控直拉法可以通過外加磁場(chǎng)來控制硅熔體的強(qiáng)制對(duì)流，能夠降低熱對(duì)流造成的固液界面附近的溫度波動(dòng)以及晶體生長(zhǎng)速度變化，避免晶體中形成雜質(zhì)條紋和漩渦缺陷?？煽刂剖③釄迮c硅熔體的強(qiáng)相互作用，減少由坩堝進(jìn)入單晶硅中的雜質(zhì)，提升產(chǎn)品純度。磁控直拉法水平磁場(chǎng)作用下單晶硅拉制技術(shù)（HMCZ）垂直磁場(chǎng)作用下單晶硅拉制技術(shù)（VMCZ）水平磁場(chǎng)和垂直磁場(chǎng)相結(jié)合的，被稱為CUSP（切變）磁場(chǎng)作用下單晶硅拉制技術(shù)。用磁控直拉法制成的單晶硅，氧含量低，性能較好，可避免制備的晶硅太陽電池光衰。但由于制作成本較高，且硅片面積不能太大等原因，未被普遍采用。1284.2硅錠的制備4.2.1.4單晶硅棒的制備——連續(xù)加料直拉法（CCZ）連續(xù)加料直拉法采用特殊直拉單晶爐，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)單晶拉制與加料熔化，具有連續(xù)投料、連續(xù)拉晶等特點(diǎn)，原料以大小均勻、表面潔凈的顆粒狀原料為佳。在晶體生長(zhǎng)的同時(shí)不斷地向石英坩堝中補(bǔ)充添加多晶原料，以此來保證石英坩堝中有恒定的硅熔體，致使硅熔體液面不變而處于穩(wěn)定狀態(tài)，減少電阻率的軸向偏析現(xiàn)象，并可以生長(zhǎng)出較長(zhǎng)的單晶硅棒以增加產(chǎn)量，提高了生產(chǎn)效率。連續(xù)加料直拉法具有以下優(yōu)勢(shì)：①生產(chǎn)效率高，在坩堝允許的壽命周期內(nèi)可以完成6～10根單晶硅棒的拉制，生產(chǎn)效率顯著提升；②生產(chǎn)成本低，可以有效降低拉晶時(shí)間、坩堝成本和能耗；③適用于n型硅棒，采用連續(xù)加料直拉法拉制的單晶硅棒氧含量更低且更均勻、金屬雜質(zhì)累積速度更慢，產(chǎn)品軸向電阻率分布均勻，其波動(dòng)可以控制在10％以內(nèi)。1294.2硅錠的制備4.2.2多晶硅錠的制備多晶硅錠的簡(jiǎn)易生產(chǎn)流程示意圖多晶硅錠的制備大多基于定向凝固技術(shù)，是在液固轉(zhuǎn)換過程中建立特定方向的溫度梯度，使熔融金屬或合金沿著熱流相反方向，定向生長(zhǎng)晶體的一種工藝。利用定向凝固原理鑄造多晶硅錠的方法有：布里奇曼法、熱交換法、電磁鑄造法等。1304.2硅錠的制備4.2.2.1多晶硅錠的制備——布里奇曼法布里奇曼法示意圖布里奇曼法是經(jīng)典的直接熔融定向凝固方法。1.將塊狀或顆粒狀多晶硅原料放入石英坩堝內(nèi)，在真空條件下加熱熔化，然后通過石英坩堝底部散熱，使熔體上下形成溫度梯度，實(shí)現(xiàn)晶體的生長(zhǎng)。2.坩堝底部開始凝固出現(xiàn)結(jié)晶時(shí)，上方硅熔體仍處于加熱區(qū)。隨著石英坩堝或加熱系統(tǒng)的移動(dòng)，固液界面垂直上移，產(chǎn)生柱狀多晶硅。1314.2硅錠的制備4.2.2.2多晶硅錠的制備——熱交換法熱交換法示意圖工藝特點(diǎn)主要是：1.石英坩堝和感應(yīng)加熱器在熔化及凝固全過程中均無相對(duì)位移。2.在坩堝工作臺(tái)底部要設(shè)置一熱開關(guān)，熔化時(shí)熱開關(guān)關(guān)閉，起隔熱作用。3.凝固開始時(shí)熱開關(guān)打開，增強(qiáng)坩堝底部散熱程度，建立熱場(chǎng)。4.熱交換法的長(zhǎng)晶速度受坩堝底部散熱強(qiáng)度控制，如用水冷，則受冷卻水流量（及進(jìn)出水溫差）所控制。1324.2硅錠的制備4.2.2.3多晶硅錠的制備——電磁鑄造法電磁鑄造法示意圖電磁鑄造法是一種利用電磁感應(yīng)加熱熔化硅原料，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的技術(shù)。工藝