光伏电池技术进展及性能测试优秀PPT.ppt

光伏电池技术进展及性能测试第1页，本讲稿共36页1 1、光伏电池的发展历史、光伏电池的发展历史、光伏电池的发展历史、光伏电池的发展历史2 2、光伏电池的工作原理、光伏电池的工作原理、光伏电池的工作原理、光伏电池的工作原理3 3、光伏电池的性能测试及分类、光伏电池的性能测试及分类、光伏电池的性能测试及分类、光伏电池的性能测试及分类4 4、光伏电池的发展前景、光伏电池的发展前景、光伏电池的发展前景、光伏电池的发展前景目录目录目录目录光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第2页，本讲稿共36页1839年光伏电池发展史1883年1954年1974年1990年2000年法国物理学家Alexandre-Edmond Becquerel发现光伏效应美国科学家Charles制造出第一个光伏电池贝尔实验室研制出硅制光伏电池能量转换效率达到6%Haynos等人利用硅的非等方性蚀刻特性提高光伏电池效率到17%人们开始将光伏电池发电与民间发电相结合世界太阳能电池总产量达287MW，光伏产业仍以每年30以上的增长速度发展光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第3页，本讲稿共36页光伏电池的工作原理光伏电池的工作原理光伏电池的工作原理光伏电池的工作原理1、硅原子结构及能带理论硅原子结构及能带理论2、光电效应理论、光电效应理论3、P-N结理论结理论4、光伏电池原理、光伏电池原理光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第4页，本讲稿共36页n n为什么光伏电池能把光转换成电？在此以光伏电池中使用最多的晶体硅半导体为例来说明它的工作原理。n n根据爱因斯坦的光量子理论，光具有粒子性，光子可以看成带有能量的粒子，光照射到硅晶体表面，形成共价键的价电子会被激发而成为完全自由的电子，电子离开的地方形成一个空位，即空穴。原理简介原理简介原理简介原理简介光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第5页，本讲稿共36页n n当太阳光照射到电池表面时，首先光子会通过反射防止膜，然后照射到硅表面，这些光子的能量被转移到N型硅层的导带电子，使它脱离轨道而产生大量的自由电子。这些电子的移动又产生了光电流，也就是在P-N结上产生电位差。如果用导线将光伏电池与一个负载连接起来，形成一个回路，就会有电流通过负载，这就是光伏电池的发电原理。光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第6页，本讲稿共36页硅的原子结构及能带理论硅的原子结构及能带理论光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第7页，本讲稿共36页光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第8页，本讲稿共36页光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第9页，本讲稿共36页价带：价电子集中的能量区域价带：价电子集中的能量区域禁带禁带:位于价带的上方，是电子不能进入的位于价带的上方，是电子不能进入的 区域区域导带：没有电子存在的空轨道导带：没有电子存在的空轨道禁带宽度：价带到导带的能量宽度禁带宽度：价带到导带的能量宽度 当照到半导体上光的光子能量大于禁带当照到半导体上光的光子能量大于禁带宽度时，价带的电子被激发到导带，电子离宽度时，价带的电子被激发到导带，电子离开后留下的空位形成空穴，电子和空穴形成开后留下的空位形成空穴，电子和空穴形成光伏电池的电流。光伏电池的电流。半导体能带理论半导体能带理论半导体能带理论半导体能带理论光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第10页，本讲稿共36页 光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。光电效应与1887年由德国物理学家赫兹发现，而正确的理论解释由爱因斯坦提出。1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，并因此而获得1921年诺贝尔物理学奖。光电效应分为：内光电效应和外光电效应 内光电效应是被光子激发的载流子（电子或空穴）仍然在物质内部，产生光生伏特效应的现象。外光电效应是被光子激发的电子逸出物质表面，形成真空中电子的现象。光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光电效应光电效应光电效应光电效应第11页，本讲稿共36页光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试P-NP-N结理论结理论结理论结理论第12页，本讲稿共36页P-N结的光生伏特效应：当光照射到P-N结表面时，由于内建电场的作用，光生电子拉向N区，光生空穴拉向P区，相当于P-N结上加上一个正电压。如果将P-N结短路，就会产生光电流。光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第13页，本讲稿共36页吸收光子，产生电子空 穴对；电子空穴对被内建电场分离在P-N结两端产生电动势；将P-N结用导线连接起来，形成电流；在光伏电池两端连接负载，实现光能向电能的转换。光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池发电原理光伏电池发电原理光伏电池发电原理光伏电池发电原理第14页，本讲稿共36页n n光伏电池的结构：以掺杂少量硼原子的光伏电池的结构：以掺杂少量硼原子的P P型硅作为基板，然后采用高温热扩散把浓型硅作为基板，然后采用高温热扩散把浓度略高于硼的磷掺入度略高于硼的磷掺入P P型基板内，形成型基板内，形成P-NP-N结。在结。在N N型硅上装一层反射防止膜，以型硅上装一层反射防止膜，以有效减少太阳光在硅表面的反射损失。此外，在电池的正面和背面必须接上电极。有效减少太阳光在硅表面的反射损失。此外，在电池的正面和背面必须接上电极。光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试栅型结构作用：减少接触电阻，增大光照面积。第15页，本讲稿共36页光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池性能测试光伏电池性能测试 要提取光伏电池的重要测试参数，需要进行各种电气测量工作。这些测量通常包含直流电流和电压、电容以及脉冲I-V。光伏电池等效电路图第16页，本讲稿共36页PVPV电池的直流电流电池的直流电流-电压（电压（I-V）测量）测量 光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试I-V图通常表示太阳能电池产生的电流与电压的函数关系。电池能够产生的最大功率出现在最大电流和电压点，曲线下方的面积表示不同电压下电池能够产生的最大输出功率。我们可以利用基本的测量工具（例如安培计和电压源），或者集成了电源和测量功能的仪器生成这种I-V曲线图。第17页，本讲稿共36页光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试电容测量 C-V测量测得的是待测电池的电容与所加载的直流电压的函数关系。根据所需测量的电池参数，我们可以测出电容与直流电压、频率、时间或交流电压的关系。电池的电容与器件的面积直接相关，因此对测量而言具有较大面积的器件将具有较大的电容。短路电流：理想情况下等于光生电流，受温度、光强、面 积的影响，单晶硅光伏电池短路电流34mA左右，多晶硅光伏电池短路电流32mA左右。开路电压：影响因素包括光强、温度、材料特性等，晶体硅光伏电池开路电压约为600mV。第18页，本讲稿共36页光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试电阻率与霍尔电压的测量电阻率与霍尔电压的测量脉冲式脉冲式I-V测量测量总体效率的测量参数总体效率的测量参数 能量转换效率最大功率点填充因数量子效率其它参数测量第19页，本讲稿共36页n n最大功率点：最大功率点：其中，其中，与与 分别为在最大输出功率时的电流和电压分别为在最大输出功率时的电流和电压n n能量转化效率：能量转化效率：式中，式中，为标准条件下的日照辐射量；为标准条件下的日照辐射量；为光伏电池的面积。为光伏电池的面积。用来制作光伏电池的材料种类是决定能量转化效率的一个重要因素，目前用来制作光伏电池的材料种类是决定能量转化效率的一个重要因素，目前各种光伏电池的最高转化效率为：单晶硅各种光伏电池的最高转化效率为：单晶硅24.7%24.7%，多晶硅，多晶硅19.8%19.8%，非晶，非晶硅硅14.5%14.5%，砷化镓，砷化镓25.7%25.7%，硒化镓铟铜，硒化镓铟铜18.8%18.8%。光伏电池的转换效率最高在光伏电池的转换效率最高在30%30%左右，理论转换效率在带隙为左右，理论转换效率在带隙为1.4eV1.4eV附近达到最大。附近达到最大。光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第20页，本讲稿共36页n n填充系数（填充系数（FF)FF)：定义光伏电池整体行为的参数，表达式：定义光伏电池整体行为的参数，表达式：填充因数（填充因数（FFFF）是将）是将PVPV电池的电池的I-VI-V特性与理想电池特性与理想电池I-VI-V特性进行比较的一种特性进行比较的一种方式。理想情况下，它应该等于方式。理想情况下，它应该等于1 1，但在实际的，但在实际的PVPV电池中，它一般是小于电池中，它一般是小于1 1的。的。要提高能量转换效率，则要同时增大开率电压、短路电流（即光电要提高能量转换效率，则要同时增大开率电压、短路电流（即光电流）及填充系数（即减少串联电阻和漏电流）。流）及填充系数（即减少串联电阻和漏电流）。光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第21页，本讲稿共36页n n量子效率 量子效率表示当光线照射到光伏电池表面时，有多少量子效率表示当光线照射到光伏电池表面时，有多少比率的光子可以有效的转换为电子比率的光子可以有效的转换为电子-空穴对（及电流）。通空穴对（及电流）。通常是在不同波长范围内，测量组件在每个光子能量下的效率。常是在不同波长范围内，测量组件在每个光子能量下的效率。光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试硅光伏电池包括单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池、非晶硅光伏电池。单晶硅光伏电池在实验室中转换效率达到25%，而规模生产的单晶硅光伏电池转换效率为17%。多晶硅光伏电池的实验室最高转换效率为18%，而规模生产的多晶硅光伏电池转换效率为16%。（价格低廉）第22页，本讲稿共36页按材料按材料分类分类硅光伏硅光伏电池电池敏化纳米晶敏化纳米晶光伏电池光伏电池有机化合物有机化合物光伏电池光伏电池塑料塑料光伏电池光伏电池无机化合物无机化合物半导体半导体光伏电池光伏电池光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池的分类光伏电池的分类光伏电池的分类光伏电池的分类第23页，本讲稿共36页光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试按结构分类按品种分类同质结光伏电池异质结光伏电池肖特基光伏电池单晶硅光伏电池多晶硅光伏电池非晶硅光伏电池铜铟锡光伏电池砷化镓光伏电池聚合物光伏电池第24页，本讲稿共36页光伏电池的应用 上世纪上世纪上世纪上世纪60606060年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。光入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。光入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。光入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。光伏电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势伏电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势伏电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势伏电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势 光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第25页，本讲稿共36页n n用户光伏电源用户光伏电源用户光伏电源用户光伏电源1.1.1.1.小型电源小型电源小型电源小型电源10-100W10-100W10-100W10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海不等，用于边远无电地区如高原、海不等，用于边远无电地区如高原、海不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等收录机等收录机等收录机等 光伏电源光伏电源光伏电源光伏电源 光伏逆变器光伏逆变器光伏逆变器光伏逆变器光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第26页，本讲稿共36页2.3-5KW2.3-5KW2.3-5KW2.3-5KW家庭屋顶并网发电系统；家庭屋顶并网发电系统；家庭屋顶并网发电系统；家庭屋顶并网发电系统；光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第27页，本讲稿共36页3.3.3.3.光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第28页，本讲稿共36页n n 交通领域交通领域交通领域交通领域 如航标灯、交通如航标灯、交通如航标灯、交通如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示铁路信号灯、交通警示铁路信号灯、交通警示铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、标志灯、路灯、标志灯、路灯、标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路高空障碍灯、高速公路高空障碍灯、高速公路高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班铁路无线电话亭、无人值守道班铁路无线电话亭、无人值守道班铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。供电等。供电等。供电等。光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第29页，本讲稿共36页n n通讯通讯/通信领域通信领域通信领域通信领域 太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯通讯通讯通讯/寻寻寻寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵兵兵兵GPSGPS供电等。供电等。光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第30页，本讲稿共36页n n石油、海洋、气象领域石油、海洋、气象领域石油、海洋、气象领域石油、海洋、气象领域 石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文水文水文水文观测设备等观测设备等观测设备等观测设备等 风云三号气象卫星的太阳能电池风云三号气象卫星的太阳能电池风云三号气象卫星的太阳能电池风云三号气象卫星的太阳能电池光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第31页，本讲稿共36页海洋气象监测标海洋气象监测标 光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第32页，本讲稿共36页n n家庭灯具电源家庭灯具电源如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。割胶灯、节能灯等。割胶灯、节能灯等。割胶灯、节能灯等。光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第33页，本讲稿共36页n n光伏电站光伏电站10KW-50MW10KW-50MW10KW-50MW10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。型停车厂充电站等。光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试第34页，本讲稿共36页uu光伏发电在不久的将来将会占据世界能源消费的重要光伏发电在不久的将来将会占据世界能源消费的重要席位，不但将替代部分常规能源，而且将成为能源供席位，不但将替代部分常规能源，而且将成为能源供应的主体。应的主体。uu预计到预计到2030年，光伏发电在世界总电力供应中的比例将占10%以上；预计到以上；预计到20402040年，光伏发电在世年，光伏发电在世界总电力供应中的比例将占界总电力供应中的比例将占20%20%以上；以上；2121世纪末，世纪末，光伏发电将占光伏发电将占60%以上。uu这些数字足以显示出光伏产业的发展前景及在能源领域的重要地位，由此可见，光伏电池市场前景广阔。光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池技术进展及性能测试光伏电池发展前景光伏电池发展前景光伏电池发展前景光伏电池发展前景第35页，本讲稿共36页2013.4.24汇报人汇报人:第36页，本讲稿共36页