電子元器件知識大全：太陽能電池的原理

什么是太陽能電池

太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。

太陽能電池的原理

太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。

一、太陽能發電方式太陽能發電有兩種方式，一種是光—熱—電轉換方式，另一種是光—電直接轉換方式。
（1）光—熱—電轉換方式通過利用太陽輻射產生的熱能發電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣，再驅動汽輪機發電。前一個過程是光—熱轉換過程；后一個過程是熱—電轉換過程，與普通的火力發電一樣.太陽能熱發電的缺點是效率很低而成本很高，估計它的投資至少要比普通火電站貴5～10倍.一座1000MW的太陽能熱電站需要投資20～25億美元，平均1kW的投資為2000～2500美元。因此，目前只能小規模地應用于特殊的場合，而大規模利用在經濟上很不合算，還不能與普通的火電站或特種相競爭。

（2）光—電直接轉換方式該方式是利用光電效應，將太陽輻射能直接轉換成電能，光—電轉換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產生電流。當許多個電池串聯或并聯起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優點.太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發電、核能發電相比，太陽能電池不會引起環境污染；太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法比擬的

太陽能電池產業現狀

現階段以光電效應工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學效應工作的濕式太陽能電池則還處于萌芽階段。

全球太陽能電池產業現狀

據Dataquest的統計資料顯示,目前全世界共有136個國家投入普及應用太陽能電池的熱潮中,其中有95個國家正在大規模地進行太陽能電池的研制開發,積極生產各種相關的節能新產品。1998年,全世界生產的太陽能電池,其總的發電量達1000兆瓦,1999年達2850兆瓦。2000年,全球有將近4600家廠商向市場提供光電池和以光電池為電源的產品。

目前,許多國家正在制訂中長期太陽能開發計劃,準備在21世紀大規模開發太陽能，美國能源部推出的是國家光伏計劃,日本推出的是陽光計劃。NREL光伏計劃是美國國家光伏計劃的一項重要的內容，該計劃在單晶硅和高級器件、薄膜光伏技術、pVMaT、光伏組件以及系統性能和工程、光伏應用和市場開發等5個領域開展研究工作。

美國還推出了"太陽能路燈計劃",旨在讓美國一部分城市的路燈都改為由太陽能供電,根據計劃,每盞路燈每年可節電800度。

日本也正在實施太陽能"7萬套工程計劃"，日本準備普及的太陽能住宅發電系統,主要是裝設在住宅屋頂上的太陽能電池發電設備,家庭用剩余的電量還可以賣給電力公司。一個標準家庭可安裝一部發電3000瓦的系統。歐洲則將研究開發太陽能電池列入著名的"尤里卡"高科技計劃，推出了"10萬套工程計劃"。這些以普及應用光電池為主要內容的"太陽能工程"計劃是目前推動太陽能光電池產業大發展的重要動力之一。

日本、韓國以及歐洲地區總共8個國家最近決定攜手合作,在亞洲內陸及非洲沙漠地區建設世界上規模最大的太陽能發電站,他們的目標是將占全球陸地面積約1/4的沙漠地區的長時間日照資源有效地利用起來,為30萬用戶提供100萬千瓦的電能。計劃將從2001年開始，花4年時間完成。

目前,美國和日本在世界光伏市場上占有最大的市場份額。美國擁有世界上最大的光伏發電廠,其功率為7MW,日本也建成了發電功率達1MW的光伏發電廠。全世界總共有23萬座光伏發電設備,以色列、澳大利亞、新西蘭居于領先地位。

20世紀90年代以來,全球太陽能電池行業以每年15%的增幅持續不斷地發展。據Dataquest發布的最新統計和預測報告顯示,美國、日本和西歐工業發達國家在研究開發太陽能方面的總投資,1998年達570億美元;1999年646億美元;2000年700億美元;2001年將達820億美元;2002年有望突破1000億美元。

我國太陽能電池產業現狀

我國對太陽能電池的研究開發工作高度重視,早在七五期間,非晶硅半導體的研究工作已經列入國家重大課題;八五和九五期間,我國把研究開發的重點放在大面積太陽能電池等方面。2003年10月，國家發改委、科技部制定出未來5年太陽能資源開發計劃，發改委"光明工程"將籌資100億元用于推進太陽能發電技術的應用，計劃到2005年全國太陽能發電系統總裝機容量達到300兆瓦。
2002年，國家有關部委啟動了"西部省區無電鄉通電計劃"，通過太陽能和小型風力發電解決西部七省區無電鄉的用電問題。這一項目的啟動大大刺激了太陽能發電產業，國內建起了幾條太陽能電池的封裝線，使太陽能電池的年生產量迅速增加。我國目前已有10條太陽能電池生產線,年生產能力約為4.5MW,其中8條生產線是從國外引進的,在這8條生產線當中,有6條單晶硅太陽能電池生產線,2條非晶硅太陽能電池生產線。據專家預測,目前我國光伏市場需求量為每年5MW,2001～2010年,年需求量將達10MW,從2011年開始,我國光伏市場年需求量將大于20MW。

目前國內太陽能硅生產企業主要有洛陽單晶硅廠、河北寧晉單晶硅基地和四川峨眉半導體材料廠等廠商，其中河北寧晉單晶硅基地是世界最大的太陽能單晶硅生產基地，占世界太陽能單晶硅市場份額的25％左右。

在太陽能電池材料下游市場，目前國內生產太陽能電池的企業主要有保定英利新能源、無錫尚德、開封太陽能電池廠、云南半導體器件廠、秦皇島華美光伏電子、浙江中意太陽能、寧波太陽能電源、京瓷（天津）太陽能等公司，總計年產能在120MW以上。

太陽能電池及太陽能發電前景簡析

目前,太陽能電池的應用已從特種領域、航天領域進入工業、商業、農業、通信、家用電器以及公用設施等部門，尤其可以分散地在邊遠地區、高山、沙漠、海島和農村使用，以節省造價很貴的輸電線路。

但是在目前階段，它的成本還很高，發出1kW電需要投資上萬美元，因此大規模使用仍然受到經濟上的限制。
但是，從長遠來看，隨著太陽能電池制造技術的改進以及新的光—電轉換裝置的發明，各國對環境的保護和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍將是利用太陽輻射能比較切實可行的方法，可為人類未來大規模地利用太陽能開辟廣闊的前景。

太陽能電池的分類

太陽能電池按結晶狀態可分為結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式(以下表示為a-)兩大類，而前者又分為單結晶形和多結晶形。
按材料可分為硅薄膜形、化合物半導體薄膜形和有機膜形，而化合物半導體薄膜形又分為非結晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs,Inp等)、ⅡⅥ族(Cds系)和磷化鋅(Zn3p2)等。
太陽能電池根據所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池四大類，其中硅太陽能電池是目前發展最成熟的，在應用中居主導地位。

（1）硅太陽能電池

硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。

單晶硅太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為23%,規模生產時的效率為15%。在大規模應用和工業生產中仍占據主導地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節省硅材料，發展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產品。

多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉換效率為18%,工業規模生產的轉換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據主導地位。

非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉換效率較高，便于大規模生產，有極大的潛力。但受制于其材料引發的光電效率衰退效應，穩定性不高，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩定性問題及提高轉換率問題，那么，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發展產品之一。

（2）多元化合物薄膜太陽能電池

多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。

硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規模生產，但由于鎘有劇毒，會對環境造成嚴重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產品。
砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池的轉換效率可達28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強,對熱不敏感，適合于制造高效單結電池。但是GaAs材料的價格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。
銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉換，不存在光致衰退問題，轉換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優點，將成為今后發展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發展又必然受到限制。
（3）聚合物多層修飾電極型太陽能電池
以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優勢，從而對大規模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發展成為具有實用意義的產品，還有待于進一步研究探索。
（4）納米晶太陽能電池

納米TIO2晶體化學能太陽能電池是新近發展的，優點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩定的性能。其光電效率穩定在10％以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5～1/10．壽命能達到2O年以上。

但由于此類電池的研究和開發剛剛起步，估計不久的將來會逐步走上市場。

太陽能電池（組件）生產工藝

組件線又叫封裝線，封裝是太陽能電池生產中的關鍵步驟，沒有良好的封裝工藝，多好的電池也生產不出好的組件板。電池的封裝不僅可以使電池的壽命得到保證，而且還增強了電池的抗擊強度。產品的高質量和高壽命是贏得可客戶滿意的關鍵，所以組件板的封裝質量非常重要。

流程：

1、電池檢測——2、正面焊接—檢驗—3、背面串接—檢驗—4、敷設（玻璃清洗、材料切割、玻璃預處理、敷設）——5、層壓——6、去毛邊（去邊、清洗）——7、裝邊框（涂膠、裝角鍵、沖孔、裝框、擦洗余膠）——8、焊接接線盒——9、高壓測試——10、組件測試—外觀檢驗—11、包裝入庫
組件高效和高壽命如何保證：
1、高轉換效率、高質量的電池片；
2、高質量的原材料，例如：高的交聯度的EVA、高粘結強度的封裝劑（中性硅酮樹脂膠）、高透光率高強度的鋼化玻璃等；
3、合理的封裝工藝
4、員工嚴謹的工作作風；

由于太陽電池屬于高科技產品，生產過程中一些細節問題，一些不起眼問題如應該戴手套而不戴、應該均勻的涂刷試劑而潦草完事等都是影響產品質量的大敵，所以除了制定合理的制作工藝外，員工的認真和嚴謹是非常重要的。

太陽電池組裝工藝簡介：

工藝簡介：在這里只簡單的介紹一下工藝的作用，給大家一個感性的認識.

1、電池測試：由于電池片制作條件的隨機性，生產出來的電池性能不盡相同，所以為了有效的將性能一致或相近的電池組合在一起，所以應根據其性能參數進行分類；電池測試即通過測試電池的輸出參數（電流和電壓）的大小對其進行分類。以提高電池的利用率，做出質量合格的電池組件。
2、正面焊接：是將匯流帶焊接到電池正面（負極）的主柵線上，匯流帶為鍍錫的銅帶，我們使用的焊接機可以將焊帶以多點的形式點焊在主柵線上。焊接用的熱源為一個紅外燈（利用紅外線的熱效應）。焊帶的長度約為電池邊長的2倍。多出的焊帶在背面焊接時與后面的電池片的背面電極相連
3、背面串接：背面焊接是將36片電池串接在一起形成一個組件串，我們目前采用的工藝是手動的，電池的定位主要靠一個膜具板，上面有36個放置電池片的凹槽，槽的大小和電池的大小相對應，槽的位置已經設計好，不同規格的組件使用不同的模板，操作者使用電烙鐵和焊錫絲將“前面電池”的正面電極（負極）焊接到“后面電池”的背面電極（正極）上，這樣依次將36片串接在一起并在組件串的正負極焊接出引線。
4、層壓敷設：背面串接好且經過檢驗合格后，將組件串、玻璃和切割好的EVA、玻璃纖維、背板按照一定的層次敷設好，準備層壓。玻璃事先涂一層試劑（primer）以增加玻璃和EVA的粘接強度。敷設時保證電池串與玻璃等材料的相對位置，調整好電池間的距離，為層壓打好基礎。（敷設層次：由下向上：玻璃、EVA、電池、EVA、玻璃纖維、背板）。

5、組件層壓：將敷設好的電池放入層壓機內，通過抽真空將組件內的空氣抽出，然后加熱使EVA熔化將電池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷卻取出組件。層壓工藝是組件生產的關鍵一步，層壓溫度層壓時間根據EVA的性質決定。我們使用快速固化EVA時，層壓循環時間約為25分鐘。固化溫度為150℃。

6、修邊：層壓時EVA熔化后由于壓力而向外延伸固化形成毛邊，所以層壓完畢應將其切除

7、裝框：類似與給玻璃裝一個鏡框；給玻璃組件裝鋁框，增加組件的強度，進一步的密封電池組件，延長電池的使用壽命。邊框和玻璃組件的縫隙用硅酮樹脂填充。各邊框間用角鍵連接。
8、焊接接線盒：在組件背面引線處焊接一個盒子，以利于電池與其他設備或電池間的連接。
9、高壓測試：高壓測試是指在組件邊框和電極引線間施加一定的電壓，測試組件的耐壓性和絕緣強度，以保證組件在惡劣的自然條件（雷擊等）下不被損壞。
10、組件測試：測試的目的是對電池的輸出功率進行標定，測試其輸出特性，確定組件的質量等級。
太陽能電池陣列設計步驟１.計算負載24h消耗容量p。

p=H/V
V——負載額定電源

2.選定每天日照時數T(H)。

3.計算太陽能陣列工作電流。

Ip=p(1+Q)/T

Q——按陰雨期富余系數，Q=0.21～1.00

4.確定蓄電池浮充電壓VF。

鎘鎳(ＧＮ)和鉛酸(ＣＳ)蓄電池的單體浮充電壓分別為1.4～1.6V和2.2V。

5.太陽能電池溫度補償電壓VT。

VT=2.1/430(T-25)VF

6.計算太陽能電池陣列工作電壓Vp。
Vp=VF+VD+VT
其中VD=0.5～0.7
約等于VF

7.太陽電池陣列輸出功率ＷＰ?平板式太陽能電板。

Wp=Ip×Up

8.根據Vp、Wp在硅電池平板組合系列表格，確定標準規格的串聯塊數和并聯組數。