【光伏技术】太阳电池分类及光伏组件设计选择及I-V曲线

  　硅材料太阳电池：

　　①单晶硅太阳电池：以纯度为99.999%的单晶硅棒为原料制作而成，工硅材料太阳电池艺复杂，电耗很大。目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为15%左右，实验室可达25%，其理论最高效率为32%左右。

　　②多晶硅太阳电池：按结构可分为两种，一种是块状(bulk)，多半是用含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。制作工艺与单晶硅太阳电池相似，但材料制造简便，成本较低。另一种是薄膜状(thin-film),多采用化学气相沉积法(CVD)和液相外延法(LPPE)、溅射沉积法制备。多晶硅薄膜电池成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池。多晶硅太阳电池目前光电转换效率12%左右，实验室可达19.8%。

　　③非晶硅太阳电池：于1976年出现，硅材料消耗少，电耗低，常用辉光放电法、反应溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法和热分解硅烷法制备。其光电转换效率较低，为10%左右，实验室可达14.5%。

　　多元化合物薄膜电池：

　　①砷化镓(GA)化合物薄膜太池：砷化镓属于ⅢⅤ化合物半导体材料，能隙(bandgap，又叫禁带宽度forbiddenbandwidth)为1.4eV，并且耐高温性强，最高转换效率可达30%。砷化镓系列太阳能电池包括单晶GaAs、多晶GaAs、镓铝砷-GaAs异质结、金属-半导体GaAs、金属-绝缘体-半导体GaAs、GaSb（锑化镓）、GaInP等。

　　②硫化镉(CdS)和碲化镉(CdTe)化合物薄膜电池：效率在10%以上。

　　③铜铟硒(CuInSe2，CIS)和铜铟镓硒(CuInxGa1-xSe2，CIGS)化合物薄膜电池：CIS材料的能降为1.1eV，是良好的太阳能电池半导体材料，价格低廉、性能良好，目前光电转换效率约在15%左右。

　　多元化合物薄膜电池

　　单层有机太阳电池

　　单层有机太阳电池又叫肖特基(Schottky)型太阳电池:

　　两个电极之间夹着一层有机材料，电极一般都是ITO和低功函数金属Al、Ca、Mg，其内建电场源于两个电极的功函数差异或者金属-有机染料接触而形成的肖特基势垒。其性能强烈依赖于电极的性能，并且有机物的绝缘本性，只有当激子扩散到电极和材料接触处激子才可能分离，而扩散长度很短(10nm左右)使得产生的激子容易复合。

　　双层（Bilayer）异质结有机太阳电池

　　有机给体-受体异质结有机太阳电池:

　　当光与给体分子相互作用时，受激发的电子给体吸收光子，其最已占轨道HOMO上的一个电子跃迁到最低未占轨道LUMO，形成激子，通常由于给体(p-型)LUMO的电离势比受体(n-型)LUMO的电离势低，电子就有给体转移到受体，从而完成电子的转移，实现激子的分离。激子分离后产生的电子和空穴向相反的方向运动，被收集在相应的电极上，形成光电压。C.W.Tang于1986年第一次提出了双层有机太阳电池的概念。

　　混合异质结有机电池：

　　异质结电池中D-A界面处的激子分离最有效，但激子典型的扩散长度在10nm范围内，因此光激发层应尽量薄；而为了尽可能多的吸收光，又要求薄膜厚度应超过100nm。将施主材料和受主材料混合分布在同一层中，大大增加了施主/受主界面的面积，使激子能够运动非常短的距离就可以得到有效分离，这种结构叫分散式(混合或本体异质结BulkHeterojuntion,BHJ)异质结。1994年将10：1(wt)的MEH-PPV和C60混合溶液制旋涂在ITO玻璃上支撑了第一个分散式聚合物异质结PV电池。

　　染料敏化太阳能电池

　　染料敏化太阳能电池模拟光和作用制作的，一般由多孔纳米TiO2薄膜组成的光阳极、镀铂对电极、染料敏化剂联(吡啶钌络合物)和电解质溶液(一般是I3./I.)组成。吸附在纳米TiO2表面上的染料光敏化剂在可见光的作用下，电子通过吸收太阳光能而从基态跃迁到激发态。染料的激发态能级略高于TiO2导带能级，电子会注入到TiO2导带，被导电层收集后通过外回路回到对电极，产生光电流。被氧化的染料分子被电解质溶液中的I.还原为基态，电解质中产生的I3.又被电子还原为I.，从而构成了一个电化学循环。1991年瑞士的M.Gr.tzel教授制作了第一个染料敏化太阳电池，其转换效率达到7.9%，目前这种电池的转换效率可达11%以上，而其成本仅为硅太阳电池的1/5。

　　叠层（tandem）太阳能电池

　　太阳光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按隙大到序外叠合起来让波长能从小的顺从向里，最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用，这就有可能最大限度的将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池，可以大大提高性能和稳定性。

　　世界主要太阳电池新记录

　　中国太阳电池实验室最高效率

　　组件的制作和生产

　　光伏组件的封装方式

    光伏组件的层压

　　标准组件就是安装组件时应该本着用尽量小的成本取得最大的能量效率的目的。通常采用玻璃膜锻压EVA封装，可以提供固定的规模和输出，有含铝框和不含铝框两种标准组件。

　　光伏组件的设计选择

　　1.大量的标准和特殊组件应市场要求而生产，对于标准化的组件，设计者可以根据电池的类型尺寸和边框结构进行选择。根据应用，也有大量范围的特殊组件供选择。

　　2.这两种组件已经作为最终产品市场化，设计者只能选择，但是不能影响它们的外观。

　　3.相反的，定制组件可以按定制要求来组装。

　　4.光伏组件的两个主要因素就是太阳电池和玻璃（或薄膜），给设计者提供了多种的设计可能。在是否能安装在屋顶或高空玻璃上，封装材料起到核心的角色。

　　5.除开电池和它们的安装，用不同玻璃的产品可以互相连接起来以得到多功能组件，然后做出相应的调整方法以满足建筑结构的需要。

　　串联组件和并联组件

　　一些太阳能电池为了取得更大的能量而内部联结。这里，有两类可能：系列串联和平行电池联结。

　　组件光强参数特性

　　光伏组件的电路输出和I-V曲线取决于温度和光强，所以组件运转时常是部分负荷。白天期间的光强变化要大于温度，这种变化影响组件的电流因为电流受到光强的直接影响，当光强下降到一半时，电路输出也下降了一半。相对的，改变光强电压保持相对的恒定。

　　光伏组件的温度特性

　　组件电压更多的受组件温度的影响，根据标准150W得到的额定电压在夏天的时候可以达到10V，在冬天的时候超过10V，组件电压的改变取决于系统电压和整个光伏系统的设计。

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