光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試.ppt

1、光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,匯報(bào)人： 2013.4.24,目錄,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,1839年,光伏電池發(fā)展史,1883年,1954年,1974年,1990年,2000年,法國(guó)物理學(xué)家Alexandre-Edmond Becquerel發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng),美國(guó)科學(xué)家Charles制造出第一個(gè)光伏電池,貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出硅制光伏電池能量轉(zhuǎn)換效率 達(dá)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(kāi)始將光伏電池發(fā)電與民間發(fā)電 相結(jié)合,世界太陽(yáng)能電池總產(chǎn)量達(dá)287MW， 光伏產(chǎn)業(yè)仍以每年30以上的增 長(zhǎng)速度發(fā)展,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,光伏電池的工作原理,1、硅原

2、子結(jié)構(gòu)及能帶理論,2、光電效應(yīng)理論,3、P-N結(jié)理論,4、光伏電池原理,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,為什么光伏電池能把光轉(zhuǎn)換成電？在此以光伏電池中使用最多的晶體硅半導(dǎo)體為例來(lái)說(shuō)明它的工作原理。 根據(jù)愛(ài)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(jià)鍵的價(jià)電子會(huì)被激發(fā)而成為完全自由的電子，電子離開(kāi)的地方形成一個(gè)空位，即空穴。,原理簡(jiǎn)介,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,當(dāng)太陽(yáng)光照射到電池表面時(shí)，首先光子會(huì)通過(guò)反射防止膜，然后照射到硅表面，這些光子的能量被轉(zhuǎn)移到N型硅層的導(dǎo)帶電子，使它脫離軌道而產(chǎn)生大量的自由電子。這些電子的移動(dòng)又產(chǎn)生了光電流，也就是在P-N結(jié)上

3、產(chǎn)生電位差。如果用導(dǎo)線將光伏電池與一個(gè)負(fù)載連接起來(lái)，形成一個(gè)回路，就會(huì)有電流通過(guò)負(fù)載，這就是光伏電池的發(fā)電原理。,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,硅的原子結(jié)構(gòu)及能帶理論,硅是地球上儲(chǔ)量第二大元素，硅基電池是目前光伏界研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，硅的原子序數(shù)為14，它的最外層電子軌道上，有4個(gè)電子環(huán)繞原子核運(yùn)行，每個(gè)硅的4個(gè)最外層電子，分別和4個(gè)鄰近的硅原子中的最外層電子兩兩成對(duì)，形成共價(jià)鍵。在常溫下，硅具有完整的共價(jià)結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)絕緣體特性；在高溫下，共價(jià)鍵被打破，呈現(xiàn)導(dǎo)電特性。,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,硅原子結(jié)構(gòu),光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,P型半導(dǎo)體（左）和N型半導(dǎo)體（右）原子結(jié)構(gòu),光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能

4、測(cè)試,價(jià)帶：價(jià)電子集中的能量區(qū)域 禁帶:位于價(jià)帶的上方，是電子不能進(jìn)入的 區(qū)域 導(dǎo)帶：沒(méi)有電子存在的空軌道 禁帶寬度：價(jià)帶到導(dǎo)帶的能量寬度 當(dāng)照到半導(dǎo)體上光的光子能量大于禁帶寬度時(shí)，價(jià)帶的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，電子離開(kāi)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(dǎo)體能帶理論,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個(gè)重要而神奇的現(xiàn)象，在光的照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來(lái)而形成電流，即光生電。光電效應(yīng)與1887年由德國(guó)物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)，而正確的理論解釋由愛(ài)因斯坦提出。1905年，愛(ài)因斯坦提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，并因此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,光電效應(yīng)

5、分為：內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng)是被光子激發(fā)的載流子（電子或空穴）仍然在物質(zhì)內(nèi)部，產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的現(xiàn)象。 外光電效應(yīng)是被光子激發(fā)的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中電子的現(xiàn)象。,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,光電效應(yīng),光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,P-N結(jié)理論,P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)光照射到P-N結(jié)表面時(shí)，由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用，光生電子拉向N區(qū)，光生空穴拉向P區(qū)，相當(dāng)于P-N結(jié)上加上一個(gè)正電壓。如果將P-N結(jié)短路，就會(huì)產(chǎn)生光電流。,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,吸收光子，產(chǎn)生電子空 穴對(duì)； 電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離在P-N結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)； 將P-N結(jié)用導(dǎo)線連接起來(lái)，形成電流； 在光伏電池兩端

6、連接負(fù)載，實(shí)現(xiàn)光能向電能的轉(zhuǎn)換。,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,光伏電池發(fā)電原理,光伏電池的結(jié)構(gòu)：以摻雜少量硼原子的P型硅作為基板，然后采用高溫?zé)釘U(kuò)散把濃度略高于硼的磷摻入P型基板內(nèi)，形成P-N結(jié)。在N型硅上裝一層反射防止膜，以有效減少太陽(yáng)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(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,柵型結(jié)構(gòu)作用：減少接觸電阻，增大光照面積。,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,光伏電池性能測(cè)試,要提取光伏電池的重要測(cè)試參數(shù)，需要進(jìn)行各種電氣測(cè)量工作。 這些測(cè)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,PV電池的直流電流-電壓（I-V）測(cè)量,光伏電池技

7、術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,I-V圖通常表示太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的 電流與電壓的函數(shù)關(guān)系 。電池能 夠產(chǎn)生的最大功率出現(xiàn)在最大電 流和電壓點(diǎn)，曲線下方的面積表 示不同電壓下電池能夠產(chǎn)生的最 大輸出功率。我們可以利用基本 的測(cè)量工具（例如安培計(jì)和電壓 源），或者集成了電源和測(cè)量功 能的儀器生成這種I-V曲線圖 。,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,電容測(cè)量,C-V測(cè)量測(cè)得的是待測(cè)電池的電容與所加載的直流電壓的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)所需測(cè)量的電池參數(shù)，我們可以測(cè)出電容與直流電壓、頻率、時(shí)間或交流電壓的關(guān)系。電池的電容與器件的面積直接相關(guān)，因此對(duì)測(cè)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

8、度、光強(qiáng)、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(kāi)路電壓：影響因素包括光強(qiáng)、溫度、材料特性等，晶體硅光伏電池開(kāi)路電壓約為600mV。,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,電阻率與霍爾電壓的測(cè)量,脈沖式I-V測(cè)量,總體效率的測(cè)量參數(shù),能量轉(zhuǎn)換效率,最大功率點(diǎn),填充因數(shù),量子效率,其它參數(shù)測(cè)量,最大功率點(diǎn)： 其中， 與 分別為在最大輸出功率時(shí)的電流和電壓 能量轉(zhuǎn)化效率： 式中， 為標(biāo)準(zhǔn)條件下的日照輻射量； 為光伏電池的面積。 用來(lái)制作光伏電池的材料種類是決定能量轉(zhuǎn)化效率的一個(gè)重要因素，目前各種光伏電池的最高轉(zhuǎn)化效率為：?jiǎn)尉Ч?4.7%，多晶硅19.8%，非

9、晶硅14.5%，砷化鎵25.7%，硒化鎵銦銅18.8%。 光伏電池的轉(zhuǎn)換效率最高在30%左右，理論轉(zhuǎn)換效率在帶隙為1.4eV附近達(dá)到最大。,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,填充系數(shù)（FF)：定義光伏電池整體行為的參數(shù)，表達(dá)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(jìn)行比較的一種方式。理想情況下，它應(yīng)該等于1，但在實(shí)際的PV電池中，它一般是小于1的。 要提高能量轉(zhuǎn)換效率，則要同時(shí)增大開(kāi)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(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,量子效率 量子效率表示當(dāng)光線照射到光伏電池表面時(shí)，有多少比率的光子可以有效的轉(zhuǎn)換為電子-空穴對(duì)（及

10、電流）。通常是在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)，測(cè)量組件在每個(gè)光子能量下的效率。,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)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(shí)驗(yàn)室中轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25%，而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅光伏電池轉(zhuǎn)換效率為17%。 多晶硅光伏電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%，而規(guī)模生產(chǎn)的多晶硅光伏電池轉(zhuǎn)換效率為16%。（價(jià)格低廉）,按材料 分類,硅光伏 電池,敏化納米晶 光伏電池,有機(jī)化合物 光伏電池,塑料 光伏電池,無(wú)機(jī)化合物 半導(dǎo)體 光伏電池,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,光伏電池的分類,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,按結(jié)構(gòu)分類,按品種分類,同質(zhì)結(jié)光伏電池,異質(zhì)結(jié)光伏電池,肖特

11、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,光伏電池的應(yīng)用,上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽(yáng)電池應(yīng)用于空間技術(shù)通信衛(wèi)星供電，上世紀(jì)末，在人類不斷自我反省的過(guò)程中，對(duì)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(yīng)用，在眾多領(lǐng)域中也大顯身手。如：太陽(yáng)能庭院燈、太陽(yáng)能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨(dú)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(hù)、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標(biāo)、高速公路路標(biāo)等。歐美等先進(jìn)國(guó)家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠(yuǎn)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(jié)

12、合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì),光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,用戶光伏電源 1.小型電源10-100W不等，用于邊遠(yuǎn)無(wú)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(jī)等 光伏電源 光伏逆變器,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,2. 3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,3.光伏水泵：解決無(wú)電地區(qū)的深水井飲用、灌溉,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,交通領(lǐng)域 如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號(hào)燈、交通警示/標(biāo)志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無(wú)線電話亭、無(wú)人值守道班供電等。,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,通訊/通信領(lǐng)域 太陽(yáng)能無(wú)人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)

13、；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵GPS供電等。,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,石油、海洋、氣象領(lǐng)域 石油管道和水庫(kù)閘門陰極保護(hù)太陽(yáng)能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺(tái)生活及應(yīng)急電源、海洋檢測(cè)設(shè)備、氣象/水文觀測(cè)設(shè)備等 風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,海洋氣象監(jiān)測(cè)標(biāo),光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,家庭燈具電源 如庭院燈、路燈、手提燈、野營(yíng)燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,光伏電站 10KW-50MW獨(dú)立光伏電站、風(fēng)光（柴）互補(bǔ)電站、各種大型停車廠充電站等。,光伏電池技術(shù)進(jìn)展及性能測(cè)試,光伏發(fā)電在不久的將來(lái)將會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但將