太阳能光伏技术与工程应用（一）
提 要 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。 关键词 太阳能 太阳能电池方阵 蓄电池 控制器 逆变器
1太阳能资源特点
1.1储量的“无限性”
太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳每秒钟放射的能量大约是1.6×1023kW，其中到达地球的能量高达8×1013kW，相当于6×109t标准煤。按此计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×1013千亿t，是目前世界主要能源探明储量的一万倍〔2〕。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球的时间可以说是无限的。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。
1.2存在的普遍性
虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。
1.3利用的清洁性
太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。
1.4利用的经济性
可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。 如果说20世纪是石油世纪的话，那么21世纪则是可再生能源的世纪， 太阳能的世纪。
2二十一世纪世纪太阳能利用发展趋势
近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。包括太阳能在内的可再生能源在下世纪将会以前所未有的速度发展，逐步成为人类的基础能源之一。据预测，到下世纪中叶，可在生能源在世界能源结构中将占到50%以上。2002年全世界并没有因为美国太阳能行业的收缩而放慢发展速度，相反象日本、欧洲等国家却是加快发展的一年；中国太阳电池项目在这一年一下子增加了许多，如上海航天科技、武汉、深圳等，中国太阳能产业的生产能力也在这一年得到了发展壮大。以现有的基础来看，单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池仍是我国目前产业化发展的主要产品。在过去的100年间，人们对各种太阳能利用方式进行了广泛的探索，逐步明确了发展方向，初步得到一些利用。70年代以后，世界各国加大了对太阳能研究开发的投入，太阳能热水、太阳能建筑、太阳能光伏发电等利用项目发展速度加快，规模逐渐扩大。但从总体而言，目前太阳能利用的规模还不大，技术尚不完善，商品化程度较低，需要继续努力。21世纪是人类大规模利用太阳能的世纪，这是不以任何人的意志为转移的历史发展必然结果。
3太阳能电池发电原理与特性
3.1太阳能电池发电原理
太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象.能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅， 非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现已晶体硅为例描述光发电过程。 P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。如下图所示。
用文字图描述如下：
当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。光伏电源系统的组成：
a） 直流负载系统
b） 交流负载系统.
3.2太阳电池基本性质
a） 光电转换效率η％:评估太阳电池好坏的重要因素。 目前：实验室η≈24％，产业化：η≈15％。 b）单体电池电压V：0.4V---0.6V 由材料物理特性决定。 c）填充因子FF％：评估太阳电池负载能力的重要因素。
几何意义用I-V曲线图来表示：
阴影部分为负载面积，填充因子的数学表达形式：
FF=(Im*Vm)/(Isc*Voc)
其中：Isc--短路电流, Voc--开路电压, Im--最佳工作电流, Vm--最佳工作电压;
d）标准光强与环境温度 地面：AM1.5光谱,1000W/m2,t=25℃; e）温度对电池性质的影响 。 例如：在标准状况下，AM1.5光强， t=25℃ 某电池板输出功率测得为100Wp，如果电池温度升高至45℃时，则电池板输出功率就不到100Wp.
3.3太阳光强度与波长的关系
太阳能热利用时一般与波长关系不大，但作为太阳能电池，属于量子领域的能量变换技术，即光子的获能就与波长有很大关系。例如，太阳能电池是由硅材料（或其它材料）制成，受光后产生的能量与电子的最小振动值有关，即决定于振动值的波长大小。过分大的波长将不能进行能量交换；太短的波长只能转换为热能，因此太阳能的光伏变换与波长之间存在一个感度特性，我们称之为光感度特性。不同材料有不同的感度特性，例如，单晶硅太阳能电池就优于多晶硅，但要取得理想光感度特性是不太容易的。有关资料显示，紫外线所占比例只有8%，但波长短，电子振动值高，产生能量大；而红外线占全部能量的46%，可转化热能，故又称热线。
4太阳能电池的种类与特点
4.1太阳能电池
电池行业是２１世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。太阳能电池是一种近年发展起来的新型的电池。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”。当前，太阳能电池的开发应用已逐步走向商业化、产业化；小功率小面积的太阳能电池在一些国家已大批量生产，并得到广泛应用；同时人们正在开发光电转换率高、成本低的太阳能电池；可以预见，太阳能电池很有可能成为替代煤和石油的重要能源之一，在人们的生产、生活中占有越来越重要的位置。
4.2太阳能电池的分类
太阳能电池主要包括：块（片）状、薄膜状。块（片）状分单晶硅、多晶硅、其它。薄膜状分非晶硅、化合物、其它。
4.3多晶硅及其他光电转换材料
以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳电池，铸造多晶硅太阳能电池，非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。单晶硅电池效率在11一15％之间；多晶硅电池效率在10一14％之间；非晶体电池效率在4一6％之间。单晶硅材料制造要经过如下过程：石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割。硅主要以siO2形式存在于石英和砂子中。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高；非晶硅太阳电池则具有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害；由于硅材料占太阳电池成本中的绝大部分，降低硅材料的成本是光伏应用的关键。浇铸多晶硅技术是降低成本的重要途径之一，该技术省去了昂贵的单晶拉制过程，也能用较低纯度的硅作投炉料，材料及电能消耗方面都较省。铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定得转换的效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池则现在还只能处在研发阶段。目前，铸造多晶硅太阳能电池已经取代直拉单晶硅成为最主要的光伏材料。
从固体物理学上讲，硅材料并不是最理想的光伏材料，这主要是因为硅是间接能带半导体材料，其光吸收系数较低，所以研究其他光伏材料成为一种趋势。其中，碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CuInSe2)被认识是两种非常有前途的光伏材料，而且目前已经取得一定的进展，但是距离大规模生产，并与晶体硅太阳电池抗衡需要大量的工作去做。
4.4非晶硅太阳电池
非晶硅薄膜太阳能电池是指用非晶硅材料及其合金制造的太阳能电池，也称为无定形硅（简称a一Si）薄膜太阳电池，非晶硅薄膜太阳能电池已成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。
无定形材料第一次在光电子器件领域崭露头角是在1950年。除无定形硅外，还有无定形硒（a一Se）和无定形三硫化锑（a一SbS3）。在80年代中期，世界上太阳电他的总销售量中非晶硅占有40％，出现非晶硅、多晶硅和单晶硅三足鼎立之势。
4.5多晶薄膜与薄膜太阳电池
最有效的办法是不采用由硅原料、硅锭、硅片到太阳电池的工艺路线，而采用直接由原材料到太阳电池的工艺路线，即发展薄膜太阳电他的技术。
作为单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳电池，其中包括非晶硅薄膜太阳电池，硒铟铜和碲化镉薄膜电池，多晶硅薄膜太阳电池。在这几种薄膜电池中，最成熟的产品当数非晶硅薄膜太阳电池，其主要优点是成本低，制备方便，但也存在严重的缺点，即非晶硅电池的不稳定性，其光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，另外非晶硅薄膜太阳电池的效率也较低。因此，多晶硅薄膜电池被认为是最有可能替代单晶硅电池和非晶硅薄膜电池的下一代太阳电池。
多晶硅薄膜太阳电池的研究概况
多晶硅薄膜太阳电池的研究重点有两个方面，其一是电池衬底的选择，其二是制备电池的工艺和方法，但无论是哪一方面的研究都应满足制备多晶硅薄膜电池的一些基本要求：
（１）低成本 （材料和工艺）
（２）高效率
（３）易于产业化
对于衬底的选择必须满足以下一些条件：
（１）低成本
（２）导电（或绝缘，依结构设计而定）
（３）热膨胀系数与硅匹配
（４）非毒性
（５）有一定机械强度
比较合适的衬底材料为一些硅或铝的的化合物，如SiC，Si3N4，SiO2，Si，Al2O3，SiAlON，Al等，从目前的文献看有以下一些衬底:
（１）单晶硅
（２）多晶硅
（３）石墨包SiC
（４）SiSiC
（５）玻璃碳
（６）SiO2膜
目前，制备多晶硅薄膜的工艺方法主要有以下几种：
（１）化学气相沉积法（ＣＶＤ法）
（２）等离子体增强化学气相沉积法（ＰＥＣＶＤ法）
（３）液相外延法（ＬＰＥ）
（４）等离子体溅射沉积法
总之，多晶硅薄膜太阳电池已成为目前世界上光伏领域中最活跃的研究方向，人们期待研究工作获得突破，以大大降低太阳电池的成本，为解决能源和环境问题作出贡献。