硅太阳能电池.ppt

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1、太阳能电池的原理及应用Page 2n一 太阳能电池的重大意义n二 太阳能电池的分类n三 光伏储能系统简介n四 多晶硅太阳能电池制备工艺n五 太阳能电池的用途Page 3一 太阳能电池的重大意义n太阳能是太阳内的核聚变反应产生的能量,到达地球大气层的总辐射能量的多达173000Tw,太阳每秒钟照射到的能量相当于地球上500亿万吨煤的燃烧能量n太阳能是一次能源是可再生能源,资源丰富,可循环使用,对环境无任何污染，太阳能发电有清洁,安全,使用寿命长,维修方便,资源枯竭和资源分布广泛的特点,太阳能发电被认为是二十一世纪最重要的新能源n太阳能电池的发明,为人类空间科学和技术发展提供了一个重要的能源来源，

2、从20世纪50年代至今,空间能源的太阳能电池,起着不可替代的作用。Page 4n据欧洲光伏工业协会EPIA预测,太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位,不但要替代部分常规能源,而且将成为世界能源供应的主体，预计到2030年,可再生能源在总能源结构中将占到30%以上,而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年,可再生能源将占总能耗的50%以上,太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;到21世纪末,可再生能源在能源结构中将占到80%以上,太阳能发电将占到60%以上Page 5二 太阳能电池的分类n太阳能电池是利用半导体材料的光生伏特达应制成的，太阳能电池材

3、料主要有：半导体材料，化合物材料，纳米材料等。从半导体材料使用的形态来看,有晶片、薄膜、外延片。太阳能电池按其材料形态分可以分成块状太阳能电池和薄膜太阳能电池二大类。Page 61 块状太阳能电池n块状太阳能电池一般指晶体硅太阳能电池,是目前市场上的主导产品。晶体硅太阳能电池以硅半导体材料的光生伏特效应进行工作。一般采用 pn 结的结构基础上,在 n 型结上面制作金属栅线,作为正面电极。在整个背面制作金属膜,作为背面欧姆接触电极，形成晶体硅太阳能电池。整个表面上一般再覆盖一层减反射膜或在硅表面制作绒面用来减少光的反射。晶体硅太阳能电池主要有以下几种：Page 71.1 单晶硅太阳能电池n 自太

4、阳能电池发明以来，单晶硅太阳能电池开发的历史最长。在硅太阳能电池中转化效率最高，转化效率的理论值为 24%-26%,从航天器到住宅、街灯等领域得到广泛的应用。n 目前，单晶硅太阳能电池工业规模生产的光电转换效率为 17%左右。虽然单晶硅太阳能电池的转化效率高，但是制作单晶硅太阳能电池需要消耗大量的高纯硅材料,工艺复杂,电耗很大,成本比较高，且太阳能电池组件的平面利用率低。Page 81.2、多晶硅太阳能电池n 多晶硅材料是由单晶硅颗粒聚集而成。多晶硅太阳能电池的转化效率的理论值为 20%，实际生产的转化效率为 12%-14%。多晶硅太阳能电池的原料比较丰富，制作容易。其工艺过程是选择电阻率为

5、100-300CM 的多晶块料或单晶硅头尾料,经破碎、腐蚀、用去离子水冲洗呈中性、并烘干。然后用石英坩埚装好多晶硅料,加入适量硼硅,放人浇铸炉,在真空状态中加热熔化。最后注入石墨铸模中,待慢慢凝固冷却后,得到多晶硅锭。这样可以将多晶硅铸造成制作太阳能电池片所需要的形状,可提高材制利用率和方便组装。制做多晶硅太阳能电池工艺简单、节约电耗、成本低,可靠性高，得到广泛应用。Page 92 薄膜太阳能电池n 1976 年，卡尔松和路昂斯宣告了非晶硅薄膜太阳能电池的诞生，薄膜太阳能电池问世，如今，薄膜太阳能电池已经发展迅速，包括硅薄膜型太阳能电池(多晶硅、非晶硅)、化合物半导体薄膜型太阳能电池(III-

6、V 族化合物(GaAs、InP 等)、II-VI族化合物(Cds 系)和磷化锌(Zn3P2等)、新材料薄膜型太阳能电池(聚合物薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池)，下面将分别做一下介绍:Page 102.1 多晶硅薄膜太阳能电池n从 70 年代人们就已经开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜,由于生长条件一直处于摸索阶段，现在已经能制备较好的纳米多晶硅薄膜太阳能电池。目前制备多晶硅薄膜太阳能电池多采用低压化学气相沉积法(LPCVD),液相外延法(LPPE)和溅射沉积法。n纳米多晶硅薄膜太阳能电池可以在廉价衬底上制备，且无效率衰减问题，转化效率比非晶硅薄膜太阳能电池高，成本低，所以具有市场发展潜力。Pa

7、ge 112.2 非晶硅薄膜太阳能电池n早在上个世界 70 年代初，Carlson 等人用辉光放电分解甲烷的方法实现了氢化非晶硅薄膜的淀积，正式开始了对非晶硅太阳能电池的研究。制备非晶硅薄膜太阳能电池的方法有 PECVD 法、反应溅射法等，反应原料气体为 H2 稀释的 SiH4，衬底主要为玻璃及不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结非晶硅薄膜太阳能电池和叠层非晶硅薄膜太阳能电池。目前单结非晶硅薄膜太阳能电池的最高转化效率为 13.2%非晶硅太阳能电池具有成本低、重量轻等优点，目前已经在计算机、钟表等行业广泛应用，具有发展潜力。Page 122.3 染料敏化薄膜太阳能电池

8、n 染料敏化薄膜太阳能电池的原理是 TiO2表面吸附一层对可见光具有良好的吸收性能的染料光敏化剂后,染料分子在可见光的作用下,通过吸收光能而跃迁到激发态,通过染料分子和 TiO2表面的相互作用,电子跃迁到较低能级的导带,进入 TiO2导带的电子被导电电极薄膜收集,通过外回路,回到反电极产生光电流。染料敏化薄膜太阳能电池的优点在于成本低廉、工艺简单和性能稳定。其转换效率稳定在 10%以上,寿命能达到 20 年以上。Page 13太阳能电池工作原理太阳光照射到太阳能电池或半导体表面时,半导体内部N区和P区中原子的价电子受到太阳光子冲击,当获取的能量超过禁带宽度E时,价电子脱离共价键束缚从价带激发到

9、导带由此在材料内部产生很多非平衡状态的电子一空穴对,这时在PN结附近生成的载流子直接到达空间电荷区由于内电场的存在,电子在电场作用下进入N区,空穴则进入P区,造成P区空穴过剩,N区电子过剩由此,在它们的作用下PN结附近形成光电场光电场有两个作用:抵消势垒电场和使P区带正电,N区带负电,从而在N区和P区之间的薄层产生电动势,即产生“光生电压”,这就是“光生伏打效应”Page 14三 光伏储能系统简介n光伏储能系统主要应用于以下几个方面:在太空中,太阳能电池最早的应用领域是作为人造卫星的电源,多采用单晶硅电池,1971年我国首次将其应用于东方红2号卫星上以及后来的神州5号载人飞船的供电;在边远地区

10、发挥巨大作用,我国西北地区地广人稀,特别是供电困难地区,光伏储能系统解决当地的生产和生活实际用电;在沿海地区,例如长三角地区和广东等沿海地区建立试点示范区,实现大规模并网发电,并取得了预期效果,缓解电力供应紧张;在交通系统的应用,在远离电网供应的区域,用于紧急电话,监视器,信号灯,标志牌等例如一些大城市交通系统,现在太阳能信号灯已经得到大力推广;光伏屋顶和太阳能建筑在住宅和大型建筑物的项部安装太阳能电池,也是非常方便,经济,同时又节省大量能源,效果很好,是今后大力推广应用的一个方向;在其它方面的应用;例如我国第一家光伏/追日发电系统在北京奥运会沙滩排球场馆正式并网发电,它最大的特点是可以远程遥

11、控,随太阳做二维旋转,是目前世界上转换效率最高的光伏发电系统,太阳能灯、太阳能计算器,光伏通信等都说明光伏储能系统的优势和发展巨大的潜力光伏储能系统是未来获取能源的重要方式,Page 15光伏储能系统作用特点n储能系统作用主要有:电力调峰,解决用电矛盾;为用户提供高供电可靠性;可再生能源优化,推动可再生能源开发应用;电力系统稳定控制,提高电网安全性。n在独立的光伏系统中,系统产生的电能不可能一直满足用电负载需求,所以通常需要储能装置进行能量调节在光伏储能系统中蓄电池主要作用是:l)储存能量；2)蓄电池对光伏储能系统的工作电压具有钳位作用；3)提供启动电流；Page 16光伏储能系统的分类和结构

12、n光伏储能系统分类n按照光伏储能系统的运行方式主要可分为离网运行和联网运行。n离网光伏储能系统是不与公共电网相连接的,又称为独立光伏储能系统,主要应用于无电地区和一些特殊处所提供基本生活用电和提供电源。n联网光伏储能系统是与公共电网相联接的,它是进入大规模商业化发电阶段成为电力工业组成部分之一,是当今世界太阳能光伏技术发展主流。Page 17光伏储能系统基本本结构 一般来说,离网光伏储能系统主要由太阳能电池方阵、蓄电池、控制器、直流-交流逆变器、用电负载等组成。联网光伏储能系统根据是否配置贮能装置,可分为有储能装置和无储能装置联网光伏储能系统配置少量蓄电池的,称为有储能系统;不配置蓄电池的,称

13、为无储能系统Page 18太阳能电池板n太阳能电池单体是光电转换的最小单元,由于太阳能电池单体工作电压和电流很小,所以不能单独作为电源使用通过导线连接的太阳能电池密封的物理单元是太阳能电池组件,可单独作为电源它具有一定防腐、防风、防雹和防雨等能力,广泛应用于各个领域中太阳能电池组件再经过串并联并装在支架上,就构成了太阳能电池板,可满足负载所输出功率。n太阳能电池的标准数量是36或40个,而一个太阳能电池单体产生大约0.45V电压,这意味着1个太阳能电池组件大约能产生16V电压,正好能为1个额定电压为12v蓄电池进行有效充电一般设置10Kv的方阵大约需要70一80m2面积。Page 19控制器n

14、 控制器是对蓄电池充放电条件加以规定和控制,并按照负载需求控制太阳能电池板和蓄电池对负载的电能输出,它是整个系统的核心控制部分,保证系统能正常，可靠地工作,延长系统部件(特别是蓄电池)使用寿命。n 控制器一般应具备以下功能:信号检测,对光伏发电储能系统装置状况和参数进行检测,为系统进行判断、控制和保护等提供依据;对蓄电池进行最优充电控制,防止蓄电池过充和过放,保护蓄电池,延长蓄电池使用寿命;在某些情况下需要由控制器来保护光伏储能系统中连接的用电设备.除此之外,在温差较大地方,合格的控制器还应具备温度补偿功能和一些附加功能。Page 20四种常用蓄电池的特性Page 21逆变器n逆变器的实质是大

15、容量的电压逆变器,它是连接储能电池和电网之间的接口电路,实现了电池直流和交流电网之间的双向能量传递。n很多场合,都需要提供22OV!110V的交流电.太阳能电池直接输出电压一般为12V!24V和48V的直流电,所以为了向220V的交流负载提供电能,需要将太阳能光伏发电系统所发出的直流电转换成交流电,则需要使用DC-AC逆变器Page 22蓄电池n光伏储能系统的输入能量极不稳定,所以需要配置蓄电池系统才能正常工作太阳能电池产生直流电先进入蓄电池储存,蓄电池的特性影响着系统的工作效率和特性。n目前光伏储能系统常用的是铅酸蓄电池,对于较高要求的系统,通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池，深放电吸液式铅

16、酸蓄电池等。Page 23n锂离子电池能量密度高,是锡镍电池的2-3倍,负荷特性好,充电接受能力很好，电池单电压高达3.6V,是锡镍电池3倍,并且没有记忆效应,不需要周期性治疗性充放电,质量轻,使用方便。n但是，为保证电池的安全性,就必须采取防护措施,避免出现金属锂,例如每个单体电池都必须配有充放电保护电路,充电电压不得高于4.2V,放电电压不得低于2.5V,监控电池温度不得超过规定值等;其次是该电池的容量衰减速度是不容忽视的,并且在2-3年之后,电池就会失效,因而电池贮存温度不能超过15,其过程中要补充充电。Page 24四 多晶硅太阳能电池制备工艺.n由晶体硅太阳能电池的结构和原理可知，多

17、晶硅太阳能电池的常规制备流程n如下：一次清洗（制绒）扩散（形成 pn 结）湿法刻蚀（去背结）PECVD（镀氮化硅）丝网印刷（形成电极和背场）烧结（形成欧姆接触）测试（获得电性能）。Page 25一次清洗工序的原理n多晶硅太阳能电池制备流程中的一次清洗工序，主要目的是去除硅片表面的脏污和机械损伤层，在硅片表面形成绒面结构（俗称制绒），增强太阳能电池的陷光作用。n多晶硅太阳能电池采取酸制绒工艺。酸制绒体系主要由 HNO3和 HF 组成，具体的反应方程式如下：n3Si+4 HNO33SiO2+2H2O+4NO nSiO2+6HFH2(SiF6)+2H2On其中，HNO3作为强氧化剂，将 Si 氧化成

18、致密不溶于水的 SiO2附着在硅片表面上，阻止 HNO3与 Si 的进一步反应。但 SiO2可以与溶液中的 HF 发生反应，生成可溶于水的络合物 H2(SiF6)，导致 SiO2层被破坏，此时，HNO3与 Si 再次发生化学反应，硅片表面不断的被腐蚀，最终形成连续致密的“虫孔状”结构。Page 26n 此方法不需要采用特定的反应装置、工艺简单、制造成本低，而且制备出的多晶硅绒面反射率低，可以与双层减反射膜相比。但此方法为纯化学反应，反应的稳定性不易控制，而且影响制绒效果的因素众多，比如滚轮速度、反应温度、硅片掺杂水平以及原始硅片的表面状况等。Page 27 扩散原理n扩散实际上就是物质分子从高

19、浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀分布的现象。太阳能电池制备流程中的扩散工序，就是在 P 型衬底上扩散一层 N 型杂质，进而形成太阳能电池的心脏-pn 结。多晶硅太阳能电池的扩散方式有很多种，比如三氯氧磷（POCl3）液态源扩散、喷涂磷酸水溶液后链式扩散、丝网印刷磷浆料后链式扩散等。Page 28扩散工艺参数n扩散工序采用的设备是捷佳伟创扩散炉 DS300A，它是在 48 所和 centrotherm扩散炉的基础上改进得来的。n喷淋扩散。传统 48 所扩散设备是在炉尾通源，炉口排废，而捷佳伟创设备是在石英管内的上部安装一个喷淋管，直接将源喷在硅片上。相对于 48 所设备，此种扩散工艺调节更加简

20、单，重复性好，无需考虑温度补偿浓度梯度问题。同时，每个硅片所接触的磷源会更加均匀，进而提高方块电阻均匀性。Page 29n其中，t（s）代表每一步工艺运行的时间，T1、T2、T3、T4、T5 代表炉口至炉尾每个温区的温度，大氮为通入炉管内氮气的流量，小氮为通入炉管内 POCl3的流量，干氧为通入炉管内氧气的流量。第 1、2 步为进炉以及升温稳定过程，第 3 步为氧化过程，目的是在硅片表面形成一层极薄的氧化层，用来减缓扩散速度，避免硅片表面死层的形成。同时提高硅片表面方块电阻的均匀性，使工艺可控。第 4 步为低温扩散过程，第 5、6、7 步为边升温边通源扩散过程，虽然这些步骤中温度以及气流量并没

21、有发生变化，但却分成几步，主要是为了改变升温或降温速率。第 8 步为氧化推进过程，第 9、10、11 步为吹氮冷却以及出炉过程。Page 30湿法刻蚀的原理n对于多晶硅太阳能电池来说，并联电阻（Rsh）是一个很重要的参数，Rsh 过小将会导致漏电流增大，影响电池最终的短路电流、填充因子以及转换效率。n正面无保护的湿法刻蚀方法将电池背面的 pn 结去除，以达到分离 pn 结的效果。其原理如下：n第一步：硅片表面氧化过程:氧化过程的激活，硅表面被硝酸氧化，生成一氧化氮或二氧化氮.氧化过程的延伸，生成物一氧化氮、二氧化氮进一步与水反应，得到的二级产物亚硝酸迅速将硅氧化成二氧化硅Page 31第二步：

22、二氧化硅溶解过程n氧化产物二氧化硅，将快速与混合液中的氢氟酸反应，生成六氟硅酸，可见，最终腐蚀掉的硅将以六氟硅酸的形式溶入溶液中。实际上，湿法刻蚀的工艺原理与一次清洗的工艺原理相同，只不过是通过控制混合液内 HF 和 HNO3的浓度比来形成制绒腐蚀或抛光腐蚀。Page 32等离子体增强化学气相沉积氮化硅薄膜的原理n等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）的工作原理为：在真空压力下，加在电极板上的射频（低频、微波等）电场，使反应室内气体发生辉光放电，在辉光发电区域产生大量的电子。电子由于受到外加电场的加速作用，其自身能量骤增，它可通过碰撞将自身能量传递给反应气体分子，从而使反应气体分子具有较高

23、的活性。这些活性分子覆盖在硅基底上，彼此间发生化学反应，制得所需的介质薄膜，产生的副产物被真空泵抽走。我们可以运用 PECVD 技术制作各种器件的钝化膜、减反射膜，还可用其制作扩散工艺的阻挡层.Page 33金属化工序的原理n金属化工序，就是在镀膜后硅片的正反两面印刷电极、背电场，经过烧结后使其能够很好的收集光生电流并顺利导出，实现电能与光能之间的高效转化。丝网印刷和高温快烧是构成金属化工序的主要组成部分。丝网印刷的原理，就是将带有图案的模板附着在丝网上，利用图案部分网孔透过浆料，而非图案部分不透浆料的特征来进行印刷。Page 34太阳能测试仪的原理n太阳能测试仪最初主要用来测量太阳能电池片的

24、电性能参数，但随着测试技术的发展，目前集成的太阳能电池测试系统还可以进行 EL 测试、外观测试。太阳能电池测试系统要求：能够根据测试时间控制太阳光模拟器的开关，通过采样电路、温度传感器和数据采集卡(DAQ)读取太阳能电池的即时电流、电压和相应的温度及光谱测量值等参量，经过计算机的数值运算处理，得到逼近标准测试条件下的 I 值和 V 值，从而绘出逼近标准测试条件下的 I/V 特性曲线。Page 35五 太阳能电池的应用Page 36Page 37LED灯照明系统Page 38n 早在 20 世纪 60 年代，人类就已经掌握了一种新型半导体光源一一LED的发光原理，并开始大量用于各种仪器仪表的指示光源。随着 20 世纪 90 年代固体物理学的高速发展和新半导体材料的突破性发现，近 10 年来LED技术取得了突飞猛进的发展。LED以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源和低功耗可直流驱动等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏和景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，如家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯和交通信号灯等。Page 39Page 40Page 41