光伏技术1-2.ppt

各国各国HDI与人均年电力量之间的关系与人均年电力量之间的关系Ref.1.1.能源是社会发展水平的标志Ref.Benka S.Phys.Today,2002,38:39.1.2.社会发展要求新能源由人类能源演化看能源变革的前瞻性由人类能源演化看能源变革的前瞻性Ref.Ref.赵玉文，天津：南开大学，2007.温室效应随年度增长温室效应随年度增长(a)CO2排放随年度增长趋势；排放随年度增长趋势；(b)全球气候变暖年度增长趋势全球气候变暖年度增长趋势Ref.温室气体排放Ref.政府间有关气候变化讨论会（IPCC）2001年综合报告。剑桥，纽约：剑桥大学出版社，2001.各国排放各国排放CO2趋势趋势 比较比较Ref.温室气体排放Ref.世界能源展望 2006，IEA碳关税碳关税漫画，来自互联网化石燃料使用带来的大气环境污染问题化石燃料使用带来的大气环境污染问题柴静雾霾深度调查：穹顶之下柴静雾霾深度调查：穹顶之下http:/ Ref.Ref.United Nations Development Programms(UNDP).World Energy Assessment,New York,2000.单位：1998年全球总能源年需求量，约10 18 JSource:Solarwirtschaft.de,WBGU 2003200020102020203020402040203021002050Other renewables 其它再生能源Solarthermal(only thermal)热能Solar electricity(PV and solarthermal power stations)太阳能发电（光伏和太阳能热电厂）Wind 风Biomass 生物Hydro 水Nuclear 核能Gas 气体Coal 煤炭Oil 石油Changes in the worldwide energy mix through 2100,global primary consumption到 2100年全球再生能源的变化Solar power has the biggest potential in renewable energy 太阳能在可再生能源方面最具有潜力太阳能在可再生能源方面最具有潜力Annual energy consumption年能源消费 EJ/aPrognosis of the German advisory council on global environmental change 德国咨询委员会关于全球变化情况的预见 光伏发电是最适合人类应用的可再生能源！光伏发电是最适合人类应用的可再生能源！太阳能利用光热发电：受地域限制光伏发电：不受地域限制，利用光伏效应1.4.光伏发电：人类能源的希望1.5.光伏发电的重要意义：优化能源结构 保护环境构建绿色、低碳构建绿色、低碳和环保的地球和环保的地球2.2.光伏技术光伏技术应用应用沙漠光伏电站韩国三星电子太阳能手机(Blue Earth)（左）日本夏普(Sharp)太阳能手机SH002（右）2009年发布“太阳驱动”号是年月首飞成功的“太阳驱动”号飞机的升级版，是目前全球体积最大的太阳能飞机。“太阳驱动”号重约吨，翼展达米，堪比波音客机的翼展尺寸。其最大飞行高度为米，最高时速是公里。“太阳驱动”号的机身和机翼均采用极轻的碳纤维材料，机翼上装有约万块超薄高效的太阳能电池板，可为机载电动机供电。在白天飞行时，该飞机还能将多余的太阳能电力储备到高性能蓄电池中供夜间飞行，实现不用一滴燃油昼夜飞行。全球最大太阳能飞机首次环球飞行：飞经中国全球最大太阳能飞机首次环球飞行：飞经中国光伏建筑一体化（BIPV）英国曼彻斯特英国曼彻斯特CIS大楼，外覆价值大楼，外覆价值550万英镑万英镑太阳能太阳能PV板板 2005/11月开始供电月开始供电薄膜太阳能电池板屋顶薄膜太阳能电池板屋顶BIPV系统概念中国馆和主题馆 BIPV应用BIPV示范工程（1）虹虹桥项桥项目目总计总计安安装了装了23910块块太阳太阳能能电电池板池板,年均年均发发电电可达可达630万度。万度。据据测测算算,此此项项目每目每年可以减排二氧年可以减排二氧化碳化碳6600多吨多吨,节节约标约标煤煤2254吨。吨。每年每年发发出的出的电电量量,可供可供1.2万万户户居民居民使用一年使用一年BIPV示范工程（2）上海太阳能工程技术研究中心兆瓦级光伏建筑一体化（BIPV）示范楼（效果图）位于上海闵行区紫竹科技园BIPV示范工程（3）上海太阳能工程技术研究中心建成后照片可以扔进洗衣机的可以扔进洗衣机的Solar Shirt柔性太阳能电池的应用柔性太阳能电池的应用：太阳能发电衣太阳能发电衣手机充电手机充电太阳能动力汽车：太阳能动力汽车：不插电无限行驶不插电无限行驶李克强总理点赞三三年年内内实实现现量量产产？“钢铁侠钢铁侠”也要造也要造太阳能动力汽车？太阳能动力汽车？特斯拉特斯拉CEO马斯克宣布太阳能战略马斯克宣布太阳能战略太阳能公路太阳能公路2014年 荷兰 100米 Solar Road2016年，法国计划5年内铺设1000公里长太阳能公路，可供500万人（法国人口8%）用电.世界上第一条太阳能公路世界上第一条太阳能公路美国：智能化的太阳能公路 开铺！多功能多功能：太阳能公路发电、提供路面照明与交通指示、提供智能交通的路面探测、电烘干路面的积雪、最重要的是能够给电动汽车提供无线充电波粒二相性波粒二相性（波动性，粒子性）（波动性，粒子性）光电应用二相性光电应用二相性传递信息传递信息传递能量传递能量振幅、频率、偏振、相位光子光子电子电子信息技术信息技术(IT)产业产业光电产业光电产业3.光伏电池发展简史 1839年，法国贝克勒尔（Becquerel）首次 发现电解液中光伏效应（photovoltaic effect）实验现象：光照下，电解液中镀银的白金电级之间产生光生电压（18201891）1877年，英国的Adams和Day首次在固体Se中发现光伏效应。1894年，美国Fritts首次制备出第一个大面积（30cm2）太阳电池（Au/Se/Metal结构）。1895年，观察到了Cu-Cu2O薄膜结构的光伏效应。早期的光伏电池主要利用半导体和金属形成的肖特基势垒，起到把入射光转换为直流电的作用。从左到右是晶体硅光伏电池的发明人皮尔森、切宾和富勒（美国贝尔实验室）p-n结型光伏电池出现！1954年，一次开启房间灯光时，偶然发现单晶硅pn结会产生光生电压。优点：Si的导电性要比Se好，转换效率是Se的4倍。原因：p-n结具有比肖特基势垒更好的整流作用和光伏效应 制备出转换效率6%的单晶硅光伏电池。开创了光伏电池新时代！1960年代，Shockley等系统阐述了以pn结为基础的光伏电池工作原理。20世纪70年代，为了降低生产成本，开始发展多晶硅、非晶硅、CIGS、CdTe等新型半导体材料；以及叠层电池结构 20世纪50-60年代，由于成本很高，晶体硅光伏电池只能应用于航天领域William Shockley晶体管之父诺贝尔物理学奖得主J(V)=Jsc J0exp(qV/kBT)-1 20世纪80年代光伏发展的特点：1.各种电池效率不断刷新。单晶硅 20%，多晶硅 14.5%，砷化镓 22.5%2.一批太阳能电池设备的公司成立，推动了产业化。3.大容量实用电站纷纷建立。20世纪90年代，1996年，瑞士诺桑Gratzel 的染料敏化电池效率突破11%。1998年，美国NREL的CuInSe2薄膜电池效率达19%。1999年，M.Green研究组单晶硅电池效率达24.7%。21世纪，M.Green 教授提出第三代（Third Generation）电池 设计理念近十年来，第一代和第二代电池效率增速缓慢目前电池效率难以大幅提高的原因在哪里？紫外波段太阳光难以吸收 能量大于电池吸收层带隙Eg的光子 可见光谱部分 能量小于电池吸收层带隙Eg的光子 红外光谱部分 21世纪，M.Green 教授提出第三代（Third Generation）电池 设计理念(a)M.Green 第三代电池(b)美国政府下一代电池目标:环保与低成本下的超高转换效率！光伏技术是什么？4.光伏效应21世纪最伟大物理学家Albert Einstein光电效应光伏效应光电效应与光伏效应比较半导体的光电效应半导体的光电效应5.电池片、组件和系统太阳能电池片太阳能电池组件（module）太阳能电池陈列中的旁路二极管和阻塞二极管太阳能发电系统电池组件和系统 课程内容u 光伏原理基础u 光伏电池的种类u 高转换效率技术u 光伏电池的特性u 光伏器件的测量u 光伏电池的基本特性1.伏安特性曲线(current-voltage characteristics curve)电流密度：功率密度：欧姆定律：该曲线表征一定光照和环境温度为T=300K的条件下，电流(J)和电压(V)的函数关系。伏安特性曲线 R1 R2 R3开路电压 VOC短路电流 JSC工作电压工作电流2.光伏电池的特点(a)化学电池 (b)光伏电池光伏电池与化学电池伏安特性比较.光伏电池是恒流源 化学电池是电压源.光伏电池功率随入 射光强增大而增加.光伏电池使用寿命长3.量子效率谱(quantum efficiency)(quantum efficiency)QE描述了不同能量的光子对短路电流I SC 的贡献。对整个入射光谱，则是短路电流的光谱响应。晶体硅的内量子效率谱Ref.外量子效率：内量子效率：每个光子对外电路提供一个电子的概率，它反映的是对短路电流有贡献的光生载流子密度与入射光子密度之比。被电池吸收的每个光子对外电路提供一个电子的概率，它反映的是对短路电流有贡献的光生载流子数与被电池吸收的光子数之比。Ref.McCann M,Raabe B,Jooss W.Radovan Kopecek and Peter Fath,4th WCPEC.外量子效率谱可以实验测量，通过对其积分可得到短路电流砷化镓太阳电池的量子效率和太阳光子通量的比较 分析量子效率谱可以了解材料质量、电池几何结构及工艺等与电池性能的关系一个p+n结电池的量子效率谱量子效率谱的重要作用太阳电池中p、n及SCR各层对量子效率谱的贡献4.光伏电池理论模型太阳能电池可视为一个大面积的平面二极管,在电压V下，具有整流特性Jdark(V)=J0exp(qV/kBT)-1Shockley diode equation:黑暗中光伏电池的伏安特性曲线光照下太阳能电池伏安特性曲线理想太阳能电池等效电路图J(V)=Jsc-J0exp(qV/kBT)-1Vph=Voc=(kBT/q)ln(Jsc/J0+1)光生电压：填充因子和转换效率FF=Pm/(JscVoc)=JmVm/(JscVoc)=Pm/(JscVoc)（Pm 为电池最大功率,Ps为太阳辐照度）=Pm/Ps=(JscVocFF)/Ps填充因子填充因子：转换效率转换效率：电流J(V)和功率P(V)的伏安特性曲线寄生电阻考虑寄生电阻的太阳能电池等效电路图接触电阻串联电阻Rs漏电电流分流电阻Rsh(a)串联电阻Rs对电压V的影响；(b)分流电阻Rsh对电流的影响寄生电阻Rs和Rsh对伏安特性J(V)的影响尽量减小串联电阻，提高分流电阻，从而提高电池转换效率。理想因子对于真实的太阳电池，暗电流Jdark对电压V的依赖较弱，利用理想因子m修正肖克莱方程，m在12之间考虑理想因子m后，带有寄生电阻的伏安特性公式修正为主要参考书籍：