太阳能组件之太阳能电池组件(课时二)

太阳能组件太阳能电池目录一、太阳能电池定义二、太阳能电池工作原理三、太阳能电池的分类简介四、太阳能电池方阵五、太阳能电池基本特性六、太阳能电池性能参数七、太阳能电池伏安特性曲线八、单晶硅、多晶硅、非晶硅区别九、太阳能电池装换效率计算方法十、太阳能电池样品展示一、太阳能电池定义太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流。太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，photo光，voltaics伏特，缩写为PV），简称光伏。二、太阳能电池工作原理太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。参见下图：三、太阳能电池的分类简介太阳能电池按结晶状态可分为：结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，结晶系薄膜式又分为：单结晶形和多结晶形。太阳能电池根据所用材料的不同，可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。具体参见下表：太阳能电池按材料分类及效率表硅基半导体电池单硅晶电池多晶硅电池非晶硅（无定形硅）薄膜电池实验室中效率为25.0%实验室中效率为20.4%实验室中效率为10.1%多元化合物薄膜太阳能电池CdTe薄膜电池(碲化镉薄膜太阳能电池)CIGS薄膜电池(铜铟镓硒薄膜太阳能电池)砷化镓（GaAs）III-V化合物电池实验室中效率为19.6%实验室中效率为16.7 %实验室中效率为28 %纳米晶电池纳米TiO2晶体化学能太阳能电池光电效率稳定在10%以上染料敏化薄膜电池(DSCs)实验室中效率为8.95％有机薄膜电池activelayer的太阳能电池，分为：小分子有机太阳能电池高分子太阳能电池实验室中效率为7.6%有机聚合物电池实验室中效率为10.6%塑料电池技术还不成熟，还在发展中四、太阳能电池方阵太阳能电池单体是光电转换的最小单元尺寸一般为4cm2到100cm2不等太阳能电池单体的工作电压约为0.5V工作电流约为20－25mA/cm2,一般不能单独作为电源使用。将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米，将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率。单体组件方阵五、太阳能电池基本特性太阳能电池的基本特性有极性、性能参数、伏安特性三个基本特性。具体解释如下1、太阳能电池的极性硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构，P+和N+，表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型;N和P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。2、太阳电池的性能参数太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。3太阳能电池的伏安特性P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。当电池暴露于太阳光谱时，能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg，大于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此，在太阳能电池的设计和制造过程中，必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。六、太阳能电池性能参数1、开路电压开路电压UOC：即将太阳能电池置于100mW/cm2的光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。2、短路电流短路电流ISC：就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。3、最大输出功率太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号Pm表示。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号Um和Im表示。4、填充因子太阳能电池的另一个重要参数是填充因子FF，他是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。FF是衡量太阳能电池输出特性的重要指标，是代表太阳能电池在带最佳负载时，能输出的最大功率的特性，其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。FF的值始终小于l。实际上，由于受串联电阻和并联电阻的影响，实际太阳能电池填充因子的值要低于上式所给出的理想值。串、并联电阻对填充因子有较大影响。串联电阻越大，短路电流下降越多，填充因子也随之减少的越多;并联电阻越小，这部分电流就越大，开路电压就下降的越多，填充因子随之也下降的越多。5、转换效率太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，他与电池的结构、结特性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。七、太阳能电池伏安特性曲线伏安特性曲线也称为Ⅴ－Ⅰ特性曲线，如图所示。Ⅴ－Ⅰ特性曲线可根据下图所示的电路装置进行测量。Ⅴ－Ⅰ特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即V＝0，此时的电流称为短路电流Isc；如果电路开路即I＝0，此时的电压称为开路电压Voc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P＝V*I。I:电流Isc:短路电流Im:最大工作电流V:电压Voc:开路电压Vm:最大工作电压太阳能电池的电流－电压特性曲线ⅠVPmVmImIscVoc当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至零，即电压达到开路电压Voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。在组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im（又称为最大工作电流）；该点的功率，称为最大功率Pm。随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高1℃每片电池的电压减少5mV，相当于在最大功率点的典型温度系数为－0.4%/℃。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1℃，则最大功率减少0.4%。所以，太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不会输出很大功率。由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：光谱辐照度1000W/m2大气质量系数AM1.5太阳电池温度25℃在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为Wp(peakwatt)。在很多情下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。八、单晶硅、多晶硅、非晶硅区别项目单晶硅多晶硅非晶硅简表观表观为金属灰色的准方片四个角有接近圆形的倒角，表面都是一致的单晶硅相对多晶硅要黑一点。表观为深蓝色的方片直角的正方形或长方形表面能看到晶粒的形状表面没有晶体硅的特征表面多为薄膜式硅纯度达到99.9999％，99.9999999％商业太阳能级的单晶硅棒材料性能指标有所放宽切片厚度200uM~350uM一般片厚约0.3毫米220uM~350uM有的厂家已经能生产180uM同功率体积体积大长生电流也大(很适合发电!!)体积中等长生电流也比单晶硅小体积小长生电流比较小方向性差(必须指向光源).好(无须直接指向光源).好(无需直接指向光源).单片功率2.78W4.09W项目单晶硅多晶硅非晶硅简单片电压0.45~0.6V1平米面积功率约150W约120W市场占有率70%20%~25%5%~10%尺寸普遍125MM*125MM普遍156MM*156MM单晶硅圆片按其直径分为2英寸、3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸、18英寸光电转换效率一般：15%商品化：10~20%实验室：25％40uM厚度：20%用于宇宙空间站的还有高达50%以上的太阳能电池板转化效率略高于多晶硅0.2~0.3个百分点一般：12%商品化：10~16%实验室：20.4％一般：8%商品化：6~10%实验室：10.1%左右项目单晶硅多晶硅非晶硅简优势电池转换效率高，稳定性好电池转换效率略低于单晶硅太阳能电池，电池成本低（生产相同片数的单晶电池和多晶电池，多晶电池功率远远高于单晶电池，因此生产成本低。）价格便宜（单晶体式的价格比非晶体式的昂贵两三倍以上）在阴天的情况下非晶体式反而与晶体式能够收集到差不多一样多的太阳能，用途任何需要电源的场合而多半用于弱光电源，如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机等方面九、太阳能电池装换效率计算方法例：单晶电池片面积125mmX125mm，功率2.5W数量150片的电池方阵板，效率是多少？解：公式：装换效率=单片功率/面积*1000*100%电池方阵板面积是:14858平方毫米效率=2.5W/14858平方毫米X1000X100%=0.00016826X1000X100%=0.16826X100%=16.826%十、太阳能电池样品展示单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池各种规格的光伏板