1、新能源的開發及利用 高效光伏電池研究與發展 第一部分 光伏技術背景 太陽能等新能源為太陽能等新能源為21世紀世界經濟展望世紀世界經濟展望中最具決定性影響的五大技術領域之一，而中最具決定性影響的五大技術領域之一，而太陽能光伏發電又是其中最受矚目的項目之太陽能光伏發電又是其中最受矚目的項目之一。一。 目前晶體硅太陽電池組件已出現供不應目前晶體硅太陽電池組件已出現供不應求的短缺局面。為滿足日益增長的市場需求，求的短缺局面。為滿足日益增長的市場需求，除已有企業要發揮現有生產潛力之外，還要除已有企業要發揮現有生產潛力之外，還要積極研制開發多種高效、低成本的光伏電池，積極研制開發多種高效、低成本的光伏電池

2、，擴大我國太陽電池產業規模，提高技術經濟擴大我國太陽電池產業規模，提高技術經濟效益。效益。目標 提高效率，降低成本，擴大規模，推動提高效率，降低成本，擴大規模，推動我國光伏產業發展發展高效率、低成本多晶我國光伏產業發展發展高效率、低成本多晶硅太陽電池技術，攻關與引進相結合，建立硅太陽電池技術，攻關與引進相結合，建立一條年生產能力為兆瓦級的生產線。提高單一條年生產能力為兆瓦級的生產線。提高單晶硅太陽電池組件的效率，降低生產成本，晶硅太陽電池組件的效率，降低生產成本，發揮現有生產能力，滿足市場需求。發揮現有生產能力，滿足市場需求。 研究內容兆瓦級多晶硅太陽能電池組件生產線的建立兆瓦級多晶硅太陽能電

3、池組件生產線的建立主要技術經濟指標：主要技術經濟指標： 組件效率組件效率13 組件壽組件壽命命2025年年單晶硅太陽能電池組件生產線的技術改造主單晶硅太陽能電池組件生產線的技術改造主要技術經濟指標：要技術經濟指標： 組件效率組件效率1415 組件組件壽命壽命2025年年高效率、低成本新型太陽能電池的開發。高效率、低成本新型太陽能電池的開發。 第二部分太陽電池應用技術研究太陽電池應用技術研究 “光伏效應光伏效應”是當物體受到光照時是當物體受到光照時, 物體內物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢及電的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢及電流效應。單晶硅太陽電池利用光伏效應進行流效應。單晶硅太陽電

4、池利用光伏效應進行工作工作, 其中半導體材料的其中半導體材料的P2N 結把太陽輻射結把太陽輻射能直接轉換為電能能直接轉換為電能,接上負載后就有電流產生。接上負載后就有電流產生。 太陽能發電系統由太陽能電池組、太陽能太陽能發電系統由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流交流220V或或110V，還需要配置逆變器。其，還需要配置逆變器。其組織結構圖如下：組織結構圖如下：太陽能光伏發電原理太陽能光伏發電原理 太陽能電池發電的主要原理是半導體的太陽能電池發電的主要原理是半導體的光電效應。硅原子有光電效應。硅原子有4個電子，如果在純硅中個電子

5、，如果在純硅中摻入有摻入有5個電子的原子如磷原子，就成為帶負個電子的原子如磷原子，就成為帶負電的電的N型半導體；若在純硅中摻入有型半導體；若在純硅中摻入有3個電子個電子的原子如硼原子，形成帶正電的的原子如硼原子，形成帶正電的P型半導體。型半導體。當當P型和型和N型結合在一起時，接觸面就會形成型結合在一起時，接觸面就會形成電勢差，成為太陽能電池。當太陽光照射到電勢差，成為太陽能電池。當太陽光照射到P-N結后，空穴由結后，空穴由N極區往極區往P極區移動，電子極區移動，電子由由P極區向極區向N極區移動，形成電流。極區移動，形成電流。 太陽能發電系統太陽能電池組太陽能電池組太陽能控制器太陽能控制器蓄電

6、池（組）蓄電池（組）逆變器逆變器 太陽能應用多樣化 光伏幕墻（屋頂）是將傳統幕墻（屋頂）與光電轉換技光伏幕墻（屋頂）是將傳統幕墻（屋頂）與光電轉換技術相結合的一種新型建筑。換句話說，主要是利用太陽能發術相結合的一種新型建筑。換句話說，主要是利用太陽能發電的一種新型、綠色的能源技術。光伏與建筑相結合的進一電的一種新型、綠色的能源技術。光伏與建筑相結合的進一步目標，是將光伏器件與建筑材料集成化。步目標，是將光伏器件與建筑材料集成化。 光伏建筑幕墻（屋頂）光伏建筑幕墻（屋頂）的有機結合稱為光伏建的有機結合稱為光伏建筑一體化筑一體化光伏建筑幕墻光伏建筑幕墻 光伏建筑一體化光伏建筑一體化 光伏屋頂一體化

7、光伏屋頂一體化光伏屋頂一體化框圖光伏屋頂一體化框圖太陽能電池板太陽能電池的制作 制作時，多晶硅經過鑄錠、破錠、切片等程序制作時，多晶硅經過鑄錠、破錠、切片等程序后，制作成待加工的硅片。在硅片上摻雜和擴散微后，制作成待加工的硅片。在硅片上摻雜和擴散微量的硼、磷等，就形成量的硼、磷等，就形成P-N結。然后采用絲網印刷，結。然后采用絲網印刷，將精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經過燒結，將精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經過燒結，同時制成背電極，并在有柵線的面涂一層防反射涂同時制成背電極，并在有柵線的面涂一層防反射涂層，電池片就至此制成。電池片排列組合成電池組層，電池片就至此制成。電池片排列組合成電池

8、組件，就組成了大的電路板。一般在組件四周包鋁框，件，就組成了大的電路板。一般在組件四周包鋁框，正面覆蓋玻璃，反面安裝電極。有了電池組件和其正面覆蓋玻璃，反面安裝電極。有了電池組件和其他輔助設備，就可以組成發電系統。為了將直流電他輔助設備，就可以組成發電系統。為了將直流電轉化交流電，需要安裝電流轉換器。發電后可用蓄轉化交流電，需要安裝電流轉換器。發電后可用蓄電池存儲，也可輸入公共電網。發電系統成本中，電池存儲，也可輸入公共電網。發電系統成本中，電池組件約占電池組件約占50%，電流轉換器、安裝費、其他輔，電流轉換器、安裝費、其他輔助部件以及其他費用占另外助部件以及其他費用占另外50%。 太陽能電池

9、板 太陽能電池板是由多個應用單元串、并太陽能電池板是由多個應用單元串、并聯成的太陽電池板和方陣支架組成聯成的太陽電池板和方陣支架組成,是太陽能是太陽能發電系統中的核心部分，也是太陽能發電系發電系統中的核心部分，也是太陽能發電系統中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻統中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起射能力轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能電池板的質量來，或推動負載工作。太陽能電池板的質量和成本將直接決定整個系統的質量和成本。和成本將直接決定整個系統的質量和成本。 太陽能控制器 太陽能控制器的作用是能按要求給出穩太陽能控制器的作用是

10、能按要求給出穩定的電壓和電流定的電壓和電流, 蓄電池過充電或過放電時可蓄電池過充電或過放電時可以報警或切斷線路、或轉換到另一組蓄電池以報警或切斷線路、或轉換到另一組蓄電池上工作，對蓄電池起到過充電保護、過放電上工作，對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償的功能。其他附加功制器還應具備溫度補償的功能。其他附加功能如光控開關、時控開關都應當是控制器的能如光控開關、時控開關都應當是控制器的可選項。可選項。 蓄電池 一般為鉛酸電池，小微型系統中，一般為鉛酸電池，小微型系統中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電也可用鎳氫

11、電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發出的電能儲存起來，到電池板所發出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。需要的時候再釋放出來。 逆變器 在很多場合，都需要提供在很多場合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由于太陽能的直接輸的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能。為能向向 220VAC的電器提供電能，需要將太陽能的電器提供電能，需要將太陽能發電系統所發出的直流電能轉換成交流電能，發電系統所發出的直流電能轉換成交流電能，因此需要使用因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場合，逆

12、變器。在某些場合，需要使用多種電壓的負載時，也要用到需要使用多種電壓的負載時，也要用到DC-DC逆變器，如將逆變器，如將24VDC的電能轉換成的電能轉換成5VDC的電能（注意，不是簡單的降壓）。的電能（注意，不是簡單的降壓）。 光伏系統配套蓄電池的選擇光伏系統配套蓄電池的選擇 正確地選用作為儲能裝置的蓄電池正確地選用作為儲能裝置的蓄電池, 對于光伏系統的設對于光伏系統的設計則非常關鍵。因為蓄電池在光伏系統應用中計則非常關鍵。因為蓄電池在光伏系統應用中, 很難達到預很難達到預期壽命的事例并不鮮見。在幾種可作為光伏系統選擇配套對期壽命的事例并不鮮見。在幾種可作為光伏系統選擇配套對象的蓄電池體系中象

13、的蓄電池體系中, 鋰離子蓄電池價格實在太高鋰離子蓄電池價格實在太高, 且單體大容且單體大容量技術并未完全成熟量技術并未完全成熟, 且存在一些安全性問題且存在一些安全性問題; 鎳氫電池和鎳鎳氫電池和鎳鎘電池價格較高鎘電池價格較高, 并有一定的記憶效應并有一定的記憶效應, 不利于容量恢復不利于容量恢復; 而而鉛酸蓄電池價格低、單體電壓高、性能穩定、使用溫度范圍鉛酸蓄電池價格低、單體電壓高、性能穩定、使用溫度范圍寬寬, 應成為光伏系統配套蓄電池的首選。在鉛酸蓄電池體系應成為光伏系統配套蓄電池的首選。在鉛酸蓄電池體系中中, 開口式電池使用過程中需經常加酸加水維護開口式電池使用過程中需經常加酸加水維護,

14、 不利于無人不利于無人職守職守, 還會對系統的其他同室設備造成腐蝕影響還會對系統的其他同室設備造成腐蝕影響; 固定型閥控固定型閥控電池電池(GFM) 適合于通信、電力等系統作為備用電源使用適合于通信、電力等系統作為備用電源使用, 存存在循環壽命不足、充電時間較長的缺點在循環壽命不足、充電時間較長的缺點; 而高能閥控電池而高能閥控電池( GFMG) 是閥控電池是閥控電池( GFM) 的最新改進產品的最新改進產品, 質量輕、壽命質量輕、壽命長、充電快長、充電快, 代表了當今鉛酸蓄電池的最高水平。代表了當今鉛酸蓄電池的最高水平。高能電池高能電池(GFMG) 高能電池是普通閥控電池的改進產品高能電池是

15、普通閥控電池的改進產品, 涵涵蓋了閥控電池的所有優點。由于采用了新材蓋了閥控電池的所有優點。由于采用了新材料、新結構和新工藝等一系列先進電池技術料、新結構和新工藝等一系列先進電池技術, 使之具有高于閥控電池的如下卓越性能使之具有高于閥控電池的如下卓越性能:質量輕、體積小質量輕、體積小放電功率大、充電接受能力強放電功率大、充電接受能力強循環壽命長循環壽命長失水少失水少耐過放電性能好耐過放電性能好電池組電壓更均衡電池組電壓更均衡 采用美國進口控制閥和專利密封膠采用美國進口控制閥和專利密封膠 高能閥控鉛酸蓄電池高能閥控鉛酸蓄電池( GFMG) 是太陽能是太陽能光伏系統的最佳配套蓄電池。光伏系統的最佳

16、配套蓄電池。 高能高能( GFMG) 閥控閥控( GFM) 兩種電池的兩種電池的2種電性能對比曲線圖種電性能對比曲線圖:電池容量特性對比曲線電池容量特性對比曲線電池循環壽命對比曲線電池循環壽命對比曲線1 1高能閥控電池高能閥控電池; ; 2 2普通閥控電池普通閥控電池1 1高能閥控電池高能閥控電池; ; 2 2普通閥控電池普通閥控電池圖圖1圖圖2 質量輕、體積小質量輕、體積小 采用雙擠壓工藝制成的玻璃纖維同采用雙擠壓工藝制成的玻璃纖維同軸鉛絲編織的鉛網板柵軸鉛絲編織的鉛網板柵, 與閥控電池的與閥控電池的重力澆鑄板柵相比重力澆鑄板柵相比, 質量上減輕了質量上減輕了25 %30 % , 從而使高能

17、電池的體積比同從而使高能電池的體積比同容量閥控電池減小了容量閥控電池減小了20 %以上。給運以上。給運輸和安裝輸和安裝(以及地面承重以及地面承重) 帶來極大的便帶來極大的便利。利。放電功率大、充電接受能力強放電功率大、充電接受能力強 板柵網格間距小板柵網格間距小, , 活物質電子傳遞半徑短捷活物質電子傳遞半徑短捷, ,電流分布均勻電流分布均勻; ; 從而降低了電池內阻和極化現象從而降低了電池內阻和極化現象, ,電池熱效應也比閥控電池減小電池熱效應也比閥控電池減小40 %40 %50 % , 50 % , 保保證了電池大功率放電和較強的充電接受能力。證了電池大功率放電和較強的充電接受能力。 高能

18、電池的板柵是由純度高、晶型致密的高能電池的板柵是由純度高、晶型致密的鉛絲編織而成鉛絲編織而成, , 抗腐蝕性大大提高抗腐蝕性大大提高(40 %(40 %左右的左右的硫酸溶液中硫酸溶液中, , 純鉛的耐酸腐蝕性能高出合金鉛純鉛的耐酸腐蝕性能高出合金鉛303060 60 倍倍) , ) , 延長了電池的壽命。延長了電池的壽命。 循環壽命長循環壽命長 耐過放電性能好耐過放電性能好 高能電池在和膏配方及電液中加入了適量高能電池在和膏配方及電液中加入了適量特殊添加劑特殊添加劑, 大幅度抑制了電池長期處于放電態大幅度抑制了電池長期處于放電態及過放電時的硫酸鹽化和產生枝晶等問題及過放電時的硫酸鹽化和產生枝晶

19、等問題; 閥控閥控電池容量恢復性能測試后電池容量恢復性能測試后, 一般容量在一般容量在80 %左右左右, 而高能電池則可達到而高能電池則可達到90 %以上。以上。 電池組電壓更均衡電池組電壓更均衡 高能電池在生產流程中改造了傳統電池生高能電池在生產流程中改造了傳統電池生產中的固化、干燥和化成工序產中的固化、干燥和化成工序, 簡化了生產工藝簡化了生產工藝, 使同批次及各批次的產品性能互換性提高使同批次及各批次的產品性能互換性提高; 電池電池組電壓的更均衡有效抑制著落后電池的產生。組電壓的更均衡有效抑制著落后電池的產生。采用美國進口控制閥和專利密封膠采用美國進口控制閥和專利密封膠 密封技術和控制閥

20、都是保證閥控電池使密封技術和控制閥都是保證閥控電池使用壽命的關鍵。質量欠佳的控制閥或密封留用壽命的關鍵。質量欠佳的控制閥或密封留下微米級的微孔都將使電池的壽命降至預期下微米級的微孔都將使電池的壽命降至預期壽命的壽命的1/ 3 。高能電池放棄了保險系數較低。高能電池放棄了保險系數較低的熱封工藝和粘接脆性較大的環氧膠密封工的熱封工藝和粘接脆性較大的環氧膠密封工藝藝, 采用專利本體密封膠結合英國注膠機操作采用專利本體密封膠結合英國注膠機操作技術技術, 保證了電池即時期和久遠期的完全密封保證了電池即時期和久遠期的完全密封。采用的美國進口單向控制閥。采用的美國進口單向控制閥, 雖然成本高一雖然成本高一點

21、點, 但因其先進的材料和獨特的結構但因其先進的材料和獨特的結構, 用于高用于高原地區的可靠性則比國產閥要高出許多。原地區的可靠性則比國產閥要高出許多。高效硅太陽能電池高效硅太陽能電池 為克服傳統的晶體硅太陽電池的缺點為克服傳統的晶體硅太陽電池的缺點,需對以下需對以下幾個方面進行更為深入的研究幾個方面進行更為深入的研究: (1)利用雙層減反射利用雙層減反射膜以及光陷阱作用減小太陽電池的表面反射膜以及光陷阱作用減小太陽電池的表面反射; (2)研研究半導體的復合機理究半導體的復合機理,加深對高摻雜區的理解加深對高摻雜區的理解,減小減小體內復合和表面復合。在早期的電池設計中體內復合和表面復合。在早期的

22、電池設計中,體復合體復合和金屬電極處的復合對電池的性能起了決定性的作和金屬電極處的復合對電池的性能起了決定性的作用用; (3)改進理論模型改進理論模型; (4)聚光電池聚光電池; (5)硅太陽電池硅太陽電池超薄化超薄化; (6)在硅襯底上制作級聯式太陽電池在硅襯底上制作級聯式太陽電池; (7)提提出新的結構。出新的結構。幾種新型高效硅太陽能電池幾種新型高效硅太陽能電池IBC背面叉指背面叉指(Interdigitated Backside-Contact)電池電池 這種電池是以輕摻雜的這種電池是以輕摻雜的p型硅作為基底型硅作為基底,它的兩個電極都它的兩個電極都在電池的背面在電池的背面,n型電極接

23、觸處摻磷型電極接觸處摻磷,p型電極接觸處摻硼。型電極接觸處摻硼。VMJ垂直多結垂直多結(Vertical Multi junction)和和EVMJ刻刻蝕垂直多結蝕垂直多結(Etched Vertical Multi Junction)電池電池 這種電池結構減少了從體區到收集結的路徑長度這種電池結構減少了從體區到收集結的路徑長度,因此因此減少了在體電阻上損失的電壓減少了在體電阻上損失的電壓,但是它同時也引進了較大的但是它同時也引進了較大的電極接觸處的復合。電極接觸處的復合。點接觸點接觸(Point Contact)電池電池 它通常用高電阻率的它通常用高電阻率的FZ硅基片制作硅基片制作,利用了鋁

24、背場的反利用了鋁背場的反射作用形成了有效的光陷阱射作用形成了有效的光陷阱,前后表面都采用前后表面都采用SiO2進行鈍化進行鈍化,背面鈍化層被腐蝕出一定分布的小孔背面鈍化層被腐蝕出一定分布的小孔,以形成點接觸電極以形成點接觸電極,從從而減小金屬于硅接觸處的復合。硼和磷分別擴散到各自的電而減小金屬于硅接觸處的復合。硼和磷分別擴散到各自的電極接觸處極接觸處,這樣又減少了高摻雜硅的面積這樣又減少了高摻雜硅的面積,減小了復合。在減小了復合。在100個太陽的情況下個太陽的情況下,這種電池的效率已超過了這種電池的效率已超過了27.5%,在一個在一個太陽的情況下太陽的情況下,則超過了則超過了22%。雙面雙面(Double-Sided)電池電池 雙面電池除了正面可以接受直射陽光以外雙面電池除了正面可以接受直射陽光以外,背面還可吸背面還可吸收來自地球的反射光。因為正反面金屬柵線覆蓋面積很小收來自地球的反射光。因為正反面金屬柵線覆蓋面積很小,容易讓紅外光透過容易讓紅外光透過,致使電池的工作溫度比較低致使電池的工作溫度比較低,因此雙面硅因此雙面