太陽能電池畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目錄 </b></p><p>　　摘 要………………………………………………………………………………（2）</p><p>　　前 言………………………………………………………………………………（4）</p><p>　　第1 章 太陽能電池基本原理、分類及其材料…………………………（6）</p>

2、<p>　　第1.1節(jié) 太陽能電池的基本原理 ………………………………………（6）</p><p>　　第1.2節(jié) 太陽能電池的分類 ………………………………………………（6）</p><p>　　第1.3節(jié) 太陽能電池的材料 ………………………………………………（8）</p><p>　　第2章 不同類型太陽能伏電池的性能 …………………………………（

3、10）</p><p>　　第 2.1節(jié) 單晶硅電池性能 ………………………………………………（10）</p><p>　　第 2.2節(jié) 多晶硅電池性能 ………………………………………………（10）</p><p>　　第 2.3節(jié) 多晶硅薄膜電池性能 …………………………………………（10）</p><p>　　第 2.4節(jié) 非晶硅薄膜

4、電池性能 …………………………………………（10）</p><p>　　第 2.5節(jié)III-V族化合物及CIS電池性能 ……………………………（11）</p><p>　　第3章 太陽能電池特性實驗研究 ………………………………………（12）</p><p>　　第3.1節(jié) 太陽能電池的伏安特性………………………………………（12）</p><

5、p>　　第3.2節(jié) 太陽能電池的照度特性 ………………………………………（13）</p><p>　　第3.3節(jié) 太陽能電池的負載特性 ………………………………………（15）</p><p>　　結 論 …………………………………………………………………………（17）</p><p><b>　　太陽能電池</b></p>

6、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著全球煤炭、石油等不可再生能源的減少，以及由這些燃料燃燒帶來的溫室效應。我們需要發(fā)現(xiàn)一種新型的能源，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力。太陽能電池將起到不可替代的作用，而且它清潔環(huán)保。</p><p>　　太陽能電池利用半導體的光電效應，稱為量子效應，是一種具有半永久性的發(fā)電現(xiàn)象。太陽能取之不盡

7、，且是清潔能源的，沒有噪聲，而且不排放二氧化碳。構成太陽能電池的材料主要是硅，在地球上是第二多的化學元素，資源豐富。電池產(chǎn)品發(fā)電量可大可小，從1W到1MW，效率基本不變。 </p><p>　　硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應用中居主導地位。硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。本文詳細介紹了幾類不同材料的電池的性能，并通過實驗對光伏電池的伏安特性、照度特性、負載特性進

8、行了研究。</p><p>　　關鍵詞：太陽能電池、單晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜</p><p>　　作 者：蔣明鋒</p><p><b>　　指導老師：趙勛杰</b></p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the decr

9、ease of renewable energy ,for example coal , petroleum etc,and the Greenhouse effect that these fuel combustions bring. We should find a kind of new energy, development solar energy resources, looking for economy develop

10、ment of new motive. Solar Cells will have can't act for of function , and it is clean and environmental protection.</p><p>　　Solar cells that is a kind of semi-permanent power generation phenomenon using

11、 semiconductor photoelectric effect , and called quantum effect . Inexhaustible solar energy is clean energy. There is no noise, and not emissions of carbon dioxide. Constitute the main material for solar cells is silico

12、n and . It is the second largest number of chemical elements in the earth, and rich in resources. Products is flexible in the amount of battery power, it is from 1W to 1MW. The efficiency remain basica</p><p&

13、gt;　　The development of silicon solar cells is the most mature, and it is dominant in the application. Silicon solar cells is to consist of Monocrystalline silicon solar cells,polycrystalline silicon solar cells and amo

14、rphous silicon thin-film solar cells. This paper studies the performance of solar cell-related features and experimental studies.</p><p>　　Keywords: Solar Cells , Monocrystalline Silicon , Polycrystalline Si

15、licon , Amorphous Silicon thin-film</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　據(jù)Dataquest的統(tǒng)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(guī)模地進行太陽能電池的研制開發(fā),積極生產(chǎn)各種相關的節(jié)能新產(chǎn)品。1998年,全世界生產(chǎn)的太陽能電池,其總的發(fā)電量

16、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(chǎn)品?！　∧壳?許多國家正在制訂中長期太陽能開發(fā)計劃,準備在21世紀大規(guī)模開發(fā)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(tǒng)性能和工程、光伏應用和市場開發(fā)等5個領域開展研究工作。　 美

17、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(jù)計劃,每盞路燈每年可節(jié)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(fā)電系統(tǒng),主要是裝設在住宅屋頂上的太陽能電池發(fā)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(fā)電3000瓦的系統(tǒng)。歐洲則將研究</p><p>　　晶硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)鏈包括

18、硅材料制造、生產(chǎn)線設備制造、硅錠/硅片制造、電池制造、組件制造、戶用系統(tǒng)或聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)制造、應用市場。對于目前以晶硅太陽能電池為主的我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)來說，產(chǎn)業(yè)鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)是硅材料制造和國內市場應用這兩頭，也就是有的專家所說的“兩頭在外”的問題。面對上述問題，必須發(fā)揮各方面的力量，總攬產(chǎn)業(yè)發(fā)展的全局，協(xié)調發(fā)展、統(tǒng)籌兼顧，充分調動一切積極因素，妥善處理各種關系，建立健全相對完善的產(chǎn)業(yè)鏈，并使產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)之間達到并保持平衡、協(xié)調，打破材料和

19、市場兩頭在外的格局，才能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。</p><p>　　第一章 太陽能電池基本原理、分類及其材料</p><p>　　1.1 太陽能電池的基本原理</p><p>　　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(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，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?！　√柲馨l(fā)電

20、方式太陽能發(fā)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(chǎn)生的熱能發(fā)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汽，再驅動汽輪機發(fā)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(fā)電一樣。太陽能熱發(fā)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

21、的投資為2000～2500美元。因此，目前只能小規(guī)模地應用于特殊的場合，而大規(guī)模利用在經(jīng)濟上很不合算，還不能與普通的火電站或核電站相競爭?！。?）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</p><p>　　1.2 太陽能電池的分

22、類</p><p>　　太陽能電池按結晶狀態(tài)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?！　“床牧峡煞譃楣璞∧ば?、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 (Zn 3 p 2 )等。　　太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽

23、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、有機太陽能電池，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應用中居主導地位?！　。?）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?！　尉Ч杼柲茈姵剞D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24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為15%。在大規(guī)模應用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主

24、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(jié)省硅材料，發(fā)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(chǎn)品?！　《嗑Ч璞∧ぬ柲茈姵嘏c單晶硅比</p><p>　　1.3 太陽能電池的材料</p><p>　　目前太陽能電池的種類一般有三種材料的種類，即非晶硅、單晶硅和多晶硅。</p><p>　　非晶硅電池是早期產(chǎn)品，具有成本低、產(chǎn)量高等

25、特點。光電的轉換效率一般為8%左右，所以價格低廉，現(xiàn)在已經(jīng)基本被淘汰。</p><p>　　單晶硅和多晶硅電池是一種將硅礦石采用燒結、拉晶、制極等工藝，再按照相關的工藝要求進行切割成適當?shù)男∑?，?jīng)焊接線連接在一起形成組片，由于它的基片很薄，所以小功率的電池還需要再安裝在絕緣基板上使用，而大功率的采用強化玻璃將片基層壓于絕緣基板內，最后加上鋁合金框架進行保護所制成的平板電池。</p><p>

26、;　　單晶硅電池與多晶硅電池的不同處在于多晶硅的表面有大面積的冰花狀花紋，而單晶硅電池則是細小的顆粒，在它們的表面都鍍有一層藍色或紫色的抗反光膜。單晶硅轉換效率一般在10%～15%，而多晶硅的轉換效率在12%～16%。</p><p>　　太陽能電池的一個單片為一個PN結。單片電池的開路電壓在0.45V～0.6V之間,一般情況下電壓為0.5V,電池串聯(lián)的片數(shù)越多電壓越高;單片電池的電流取決于單個PN結實際受光面積

27、,其短路電流一般為15～30mA/平方厘米，面積越大或并聯(lián)的片數(shù)越多則電流越大。 太陽能電池的最大功率Pmax=開路電壓×短路電流，這是它們的理想功率，而平時大家衡量太陽能電池的是額定功率Pm。實際中額定功率是小于最大功率的，主要是由于太陽能電池的輸出效率u只有70%左右。在使用中由于受光強度的不同，所以不同時刻的功率也是不同的，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)它的實際平均功率P=0.7Pm。如果太陽能電池要直接帶動負載，并且要使負載長期

28、穩(wěn)定的工作，則負載的額定功率為Pr=0.7Pm。如果按照負載的功率選擇太陽能電池的功率則電池的功率為：Pm=1.43Pr。就是說太陽能電池的功率要是負載功率的1.43倍。 在選擇太陽能電池的功率時,應合理選擇負載的耗電功率,這樣才能使發(fā)電功率與耗電功率處于一種平衡狀態(tài)。當然太陽能電池的發(fā)電功率也會受到季節(jié)、氣候、地理環(huán)境和光照時間等多方面因素的制約。</p><p>　　第二章 不同類型太陽能光伏電池的性

29、能</p><p>　　2.1 單晶硅電池性能</p><p>　　未來3～5年內（2006～2010年），太陽能級單晶硅仍是太陽能電池最重要的來源，雖然單晶硅太陽能電池成本較高，但是由于具有較高轉化率的優(yōu)勢，仍然占有一部分市場，并且在一段時間內還處于增長狀態(tài)，需要技術水平也較低?！　∪欢?，太陽能級單晶硅技術目前已經(jīng)較成熟，技術水平再提高的空間較小，同時，由于受單晶硅材料價格及相對繁瑣的

30、電池工藝影響，致使單晶硅成本價格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。因此，可以預計單晶硅太陽能電池的長遠發(fā)展前景并不樂觀，但未來一段時期內，仍有較大的發(fā)展空間。</p><p>　　2.2 多晶硅電池性能</p><p>　　與單晶硅太陽能電池相比，多晶硅電池成本低，但也存在明顯缺陷。晶粒界面和晶格錯位，造成多晶硅電池光電轉換效率一直無法突破20%的關口。而單晶硅電池早在20多年前

31、就已經(jīng)突破20％。然而，近年來多晶硅太陽能電池的技術水平提升很快，其電池轉換效率最高已經(jīng)達到17%以上，組件轉換效率可達15%以上，與單晶硅的差距正逐步減小。最近，德國弗勞恩霍夫協(xié)會發(fā)表公報說，目前該協(xié)會下屬的弗賴堡太陽能系統(tǒng)研究所經(jīng)過兩年攻關，成功開發(fā)出一種新技術，可以使多晶硅電池的晶格錯位等缺陷得到部分解決。其技術關鍵是在太陽能電池生產(chǎn)過程中選擇適當溫度，使多晶硅的電子性能得到提高，并同時形成高效率的太陽能電池結構。該所的研究人員已

32、經(jīng)找到了適當?shù)臏囟绕胶恻c，既保證太陽能電池高效率所需高溫，又兼顧這一溫度在材料可接受的范圍以及它在工業(yè)生產(chǎn)中的可行性。如果該技術能夠達到產(chǎn)業(yè)化應用，將進一步提高多晶硅太陽能電池產(chǎn)品的競爭力。</p><p>　　2.3 多晶硅薄膜電池性能</p><p>　　多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠少于單晶硅，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，其成本遠低于單晶硅電池，而效率又高于非晶

33、硅薄膜電池，因此，隨著薄膜生產(chǎn)技術的不斷完善和成熟，多晶硅薄膜電池將來可會在太陽能電池市場上占據(jù)主導地位。</p><p>　　2.4　非晶硅薄膜電池性能</p><p>　　非晶硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展。但是由于非晶硅的光學帶隙為1.7eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉換效率。此外，其光

34、電效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退S-W效應，使得電池性能不穩(wěn)定。為了解決非晶硅薄膜電池的穩(wěn)定性問題，人們開始研究a－Si/a－Si疊層太陽能電池技術，能夠在一定程度上提高非晶硅薄膜電池的轉移效率，但該電池的穩(wěn)定性仍然不高，轉換效率的大輻提高仍有待時日，近年內要實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)可能性較小。2.5　III-V族化合物及CIS電池性能</p><p>　　作為太陽能電池的材料，III-V族化合物及C

35、IS等系由稀有元素所制備，盡管以它們制成的太陽能電池轉換效率很高，但從材料來源看，這類太陽能電池將來不可能占據(jù)主導地位。此外，這類電池材料中，有相當一部分屬于劇毒元素，如As、Cd等，從環(huán)保的角度看，這類產(chǎn)品也不可能在未來清潔能源市場上得到在規(guī)模的應用。而另兩類電池納米晶太陽能電池和聚合物修飾電極太陽能電池存在的問題是，它們的研究剛剛起步，技術不是很成熟，轉換效率還比較低，基本上還處于探索階段，短時間內不可能替代硅系太陽能電池。<

36、/p><p>　　第三章 太陽能電池特性實驗研究</p><p>　　3.1 太陽能電池的伏安特性</p><p>　　在硅光電池輸入光強度不變時，測量光電池的輸出電壓及電流隨負載電阻變化關系曲線稱為硅光電池的伏安特性。其特性曲線如下圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 硅光電池伏安特性</p><p>　　實驗原

37、理框圖如圖3.2所示。 </p><p>　　圖3.2 硅光電池的伏安特性測試原理圖</p><p>　　光電池的伏安特性表示為輸出電流和電壓隨負載電阻變化的曲線，即：在某一光照度下，取不同的負載電阻所測得的輸出電流或電壓。由于光電池在有光作用時就是一個電源，因而當電路中有這種器件時，無需外加電源。實驗數(shù)據(jù)列于表3-1。</p><p>　　表3-1硅光電池的伏安

38、特性實驗數(shù)據(jù)</p><p>　　根據(jù)表3-1的數(shù)據(jù)作出硅光電池的伏安特性曲線如圖3.3。 </p><p>　　圖3.3 硅光電池的伏安特性實驗曲線</p><p>　　3.2 太陽能電池照度特性</p><p>　　光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關系就是光照特性。如圖3.4所示即為硅光電池光生電流和光生電

39、壓與光照度的關系曲線。在不同的偏壓的作用下，硅光電池的光照特性也不同。</p><p>　　圖3.4 硅光電池的光照電流電壓特性</p><p>　　光電池的照度特性表示為輸出短路電流和開路電壓隨光照強度變化的曲線，即：在不同光照度下，所測得的輸出電流或電壓。由于光電池在有光作用時就是一個電源，因而當電路中有這種器件時，無需外加電源。</p><p>　　實驗裝置硅

40、光電池開路電壓原理框圖如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5硅光電池開路電壓特性測試</p><p>　　根據(jù)太陽能電池的原理框圖做出了相應的實驗，實驗數(shù)據(jù)如下表3-2：</p><p>　　表3-2 硅光電池開路電壓測試數(shù)據(jù)</p><p>　　實驗裝置硅光電池短路電流原理框圖如圖3.6所示 ：</p><p&g

41、t;　　圖3.6 硅光電池短路電流測試</p><p>　　根據(jù)太陽能電池的原理框圖做出了相應的實驗，實驗數(shù)據(jù)如表3-3。</p><p>　　表3-3硅光電池短路電流測試數(shù)據(jù)</p><p>　　根據(jù)表3-2和表3-3作出硅光電池的光照電流電壓特性圖3.6如下：</p><p>　　圖3.6硅光電池短路電流測試曲線</p>&

42、lt;p>　　3．3太陽能電池的負載特性</p><p>　　光電池作為電池使用如圖3.7所示。當負載很小時，電流較大而電壓較小；當負載很大時，電流較小而電壓較大。實驗時可改變負載電阻RL的值來測定硅光電池的負載特性。</p><p>　　圖3.7 硅光電池負載特性的測定</p><p>　　在線性測量中，光電池通常以電流形式使用，故短路電流與光照度（光能量

43、）呈線性關系，是光電池的重要光照特性。實際使用時都接有負載電阻RL，輸出電流IL隨照度（光通量）的增加而非線性緩慢地增加，并且隨負載RL的增大線性范圍也越來越小。因此，在要求輸出的電流與光照度呈線性關系時，負載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在光照范圍內使用。光電池光照與負載特性曲線如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 硅光電池光照與負載特性曲線</p><p>　　光電池

44、的負載特性表示為輸出電流在不同負載電阻下隨光強度的變化曲線，即：在某一負載，取不同的光照強度所測得的輸出電流。由于光電池在有光作用時就是一個電源，因而當電路中有這種器件時，無需外加電源。根據(jù)太陽能電池的原理框圖做出了相應的實驗，實驗數(shù)據(jù)如表3-4。</p><p>　　表 3-4 硅光電池光照與負載特性測試數(shù)據(jù)</p><p>　　根據(jù)表3-4作出硅光電池光照與負載特性曲線圖3.9。&l

45、t;/p><p>　　圖3.9 硅光電池光照與負載特性測試曲線</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　本文對太陽能電池的理論進行了討論。我們從中可以知道太陽能是取之不盡用之不完而且環(huán)保清潔，在缺少交流電源供電的情況下更有不可替代的作用。太陽能電池和二次充電電池配合使用時可以組成一個獨立的不間斷直流供電系統(tǒng)，可以為一些比如

46、：報警器、草坪燈、庭院入侵報警探頭、交通信號燈、手機充電器、無法提供電源的自動控制設備等負載提供電能。</p><p>　　通過對太陽能電池的研究我們知道了它具有這樣的特點：</p><p>　?。?）按最惡劣的氣候條件設計：工作溫度：-30℃～ 95℃ ，相對濕度：0-100% ，最大 風速：>200公里/小時。</p><p>　?。?）太陽能光伏組件

47、具有非常好的輸出特性：短路電流溫度系數(shù)：2.0mA/℃ 開路電壓溫 度系數(shù)：-0.078V/℃。</p><p>　?。?）單晶硅太陽能電池具有很高的光電轉換效率，弱光性很強，只需要室外有陽光直接照射到的地方即可使用。</p><p>　　當前，在全球能源價格不斷攀升和溫室氣體減排的呼聲不斷增大的形勢下，太陽能電池作為重要的可再生替代能源，有強大競爭力，市場需求將進一步增加，

48、前景十分可觀。目前，全球太陽能電池生產(chǎn)企業(yè)主要集中在日、德、美等國家。我國還屬于后起之秀，但根據(jù)HarrisInteractive調查公司的一項關于替代能源趨勢的全球性研究顯示，中國大約有40%的企業(yè)已經(jīng)開始實施替代能源技術或正在采取積極措施來對各自業(yè)務的替代能源方案進行研究。</p><p>　　太陽能電池發(fā)展前景，太陽能光伏發(fā)電在不遠的將來會占據(jù)世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能

49、源供應的主體。預計到2030年，可再生能源在總能源結構中將占到30％以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應中的占比也將達到10％以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50％以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20％以上；到21世紀末，可再生能源在能源結構中將占到80％以上，太陽能發(fā)電將占到60％以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領域重要的戰(zhàn)略地位。由此可以看出，太陽能電池市場前景廣闊。</p>&l

50、t;p>　　目前太陽能電池主要包括晶體硅電池和薄膜電池兩種，它們各自的特點決定了它們在不同應用中擁有不可替代的地位。但是，未來10年晶體硅太陽能電池所占份額盡管會因薄膜太陽能電池的發(fā)展等原因而下降，但其主導地位仍不會根本改變；而薄膜電池如果能夠解決轉換效率不高、制備薄膜電池所用設備價格昂貴等問題，會有巨大的發(fā)展空間。</p><p><b>　　參考文獻</b></p>

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