太陽能電池與組件 |
| Solar Cell and module |
硅太陽能電池 |
硅太陽能電池采用硅晶體薄片制作，片厚約0.2mm，硅晶體薄片的尺寸一般為156mm×156mm（6英寸）或125mm×125mm（5英寸）。圖1是單晶硅與多晶硅晶體薄片的照片（照片來自網(wǎng)絡(luò)），左圖是6英寸的單晶硅片，右圖是5英寸的多晶硅片。 |
圖1--單晶硅與多晶硅片 |
| 在硅晶體薄片表面制作PN結(jié)，在上下表面做電極構(gòu)成太陽能電池。圖2是硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖，該圖顯示的僅是硅太陽能電池的一小塊截體。電池主體是PN結(jié)，為了防止硅晶體薄片對太陽光產(chǎn)生反射，把上表面制成無反射的絨面；為進一步減小反射，在上面還要敷一層透明的減反射膜；在電池上表面有電極線與N型半導(dǎo)體連接，在電池下表面有電極線與P型半導(dǎo)體連接。為了清晰顯示層次，圖中對N型半導(dǎo)體、絨面、減反射膜的厚度進行了放大，實際是很薄的。 |
圖2--硅太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖 |
制作太陽能電池的硅晶體為摻雜3價硼的P型半導(dǎo)體，主要制作流程是： 1. 拋光清洗 對硅片表面進行化學(xué)拋光并進行清洗。我們把朝向太陽的一面稱為上表面，把背向太陽的一面稱為下表面。 2. 制作絨面 光滑的硅晶體薄片表面會反射掉部分太陽光，見圖3左圖，為了防止對太陽光產(chǎn)生反射，要在薄片上表面用化學(xué)腐蝕生成凸凹面，凸凹面好像無數(shù)的金字塔排列在一起，使太陽光盡量射入硅晶體，見圖3右圖。只是這些金字塔非常細(xì)微，高約10μm，可使硅晶體薄片上表面反射大大減少，較全面的吸收太陽光。 |
圖3--金字塔絨面減少太陽光的反射 |
3. 擴散制結(jié) 在P型硅晶體薄片的絨面上表面擴散5價的磷，在絨面下生成0.3至0.5μm深的N型半導(dǎo)體，這樣，在硅晶體薄片的上表面是N型半導(dǎo)體，在硅晶體薄片的下表面是P型半導(dǎo)體，交界面附近就是PN結(jié)，見圖4。 4. 刻蝕去邊 為防止上下表面短路，必須把硅晶體薄片周邊因制結(jié)生成的擴散層去除。同時還要去除在硅片表面因擴散生成的磷硅玻璃與氧化物殘跡。 5. 制作減反射膜 雖有絨面，但仍有經(jīng)過二次或三次反射出去的太陽光，為進一步減少對光線的反射，還要在上表面沉積一層減反射薄膜，成分主要是和Si3N4（氮化硅）或TiO2（氧化鈦），生成藍色透明薄膜，膜厚為75nm至80nm，見圖4。 |
圖4--硅太陽電池的上表面結(jié)構(gòu)示意圖 |
6. 制作上下電極 在上下表面制作連接外電路的電極，上電極要盡量減少對射入光線的遮擋，使用多根細(xì)線（柵線）把電流匯集到較粗的引出線（主線），上電極線主要采用銀漿絲網(wǎng)印刷的方法制作。下電極用銀鋁漿絲網(wǎng)印刷寬的母線，然后再在整片上印一層鋁漿做反射層，把穿透過來的光子反射回去。 為了使銀、鋁漿電極與硅材料完全緊密接觸，還需通過燒結(jié)過程，燒結(jié)使雙方材料表面的原子相互融入，特別是可以燒穿減反射膜，使上電極與硅半導(dǎo)體緊密接觸。 |
| 圖5是單片單晶硅太陽能電池與多晶硅太陽能電池圖片，電池片上橫的細(xì)線是柵線，豎的粗線是主線。 |
圖5--硅太陽電池片 |
太陽能電池的每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都要進行嚴(yán)格的質(zhì)量檢查，不讓有缺陷的產(chǎn)品進入下個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，太陽能電池最后一個環(huán)節(jié)是電氣性能性能檢測，也就是通過測量得到太陽能電池的伏安特性曲線。要測量主要參數(shù)是開路電壓、短路電流、最大功率點、最佳工作電壓、最佳工作電流、轉(zhuǎn)換效率等。最后根據(jù)外觀與所測參數(shù)對電池進行分級分類。 |
| 太陽能電池組件 |
單個硅太陽能電池片的輸出電壓約0.4伏，必須把若干太陽能電池片經(jīng)過串聯(lián)后才能達到可供使用的電壓，并聯(lián)后才能輸出較大的電流。多個太陽能電池片串并聯(lián)進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，太陽電池組件是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的基本組成單元。 圖6是一塊太陽能電池組件，也就是常說的太陽能電池板。 |
圖6--太陽電池組件 |
太陽電池組件的主要生產(chǎn)過程如下。 1. 電池分選 為提高電池片的利用率，將性能一致或相近的電池片組合在一起，應(yīng)根據(jù)其性能參數(shù)進行分類；電池測試即通過測試電池片的輸出參數(shù)（電流和電壓）的大小對其進行分類。 2. 電池片的焊接 匯流帶為鍍錫的銅帶，使用電烙鐵和焊錫絲將匯流帶焊接到電池上面（負(fù)極）的主線上，伸出的匯流帶將與后面的電池片的背面電極相連。 通過背面焊接將N張片電池串接在一起形成一個電池串，稱為串焊，使用電烙鐵和焊錫絲將單片焊接好的電池的上面電極（負(fù)極）的伸出端焊接到下一個電池的下電極（正極）上，見圖7上圖，圖7下圖是以焊好的3個電池片。圖7中各零件相互間的尺寸比例與實際有較大差別，僅為示意圖。 |
圖7--電池片的焊接 |
將串接在一起的整個電池串的正負(fù)極焊接出引線，并檢驗整個電池串的特性，修理有問題的電池串。 3. 疊層 太陽能電池組件的種類較多，按照封裝材料和工藝的不同與用途的不同，封裝方式也不同，下面介紹的是普通硅太陽能電池的常用封裝方式。 在電池串的上面采用鋼化玻璃封裝，有很高的強度與很好的透光性，可有效地保護電池片；電池片的下面采用有良好絕緣性能、能抗紫外線抗環(huán)境侵蝕的熱塑聚氯乙烯復(fù)合膜（TPT）做背面:三者之間采用熱融膠粘膜（EVA）進行粘接，EVA透光率高，并有柔韌、耐沖擊、耐腐蝕，在熱壓下熔融固化后有很好的粘合性。封裝的層次見圖8. |
圖8--太陽能電池組件疊層結(jié)構(gòu) |
將電池串、鋼化玻璃和切割好的EVA 、TPT背板按照一定的層次敷設(shè)好，敷設(shè)時保證電池串與玻璃等材料的相對位置，調(diào)整好電池間的距離，準(zhǔn)備層壓。 4、組件層壓 將敷設(shè)好的電池組件放入層壓機內(nèi)，通過抽真空將組件內(nèi)的空氣抽出，然后加熱使EVA熔化將電池、玻璃和TPT背板粘接在一起；最后冷卻取出組件。層壓工藝是太陽能電池組件生產(chǎn)的關(guān)鍵一步，層壓溫度和層壓時間根據(jù)EVA的性質(zhì)決定。 層壓時EVA熔化后由于壓力而向外延伸固化形成毛邊，所以層壓完畢應(yīng)將其切除。 7、裝框 類似與給玻璃裝一個鏡框；給玻璃組件裝鋁框，增加組件的強度，進一步的密封電池組件，延長電池的使用壽命。邊框和玻璃組件的縫隙用硅酮樹脂填充，各邊框間用角鍵連接。
在組件背面引線處粘接一個接線盒，以利于電池與其他設(shè)備或電池間的連接。 圖9是封裝好的單晶硅太陽能電池組件正面與反面，圖10是封裝好的多晶硅太陽能電池組件正面與反面，在反面可看到電池接線盒。 |
圖9--單晶硅太陽能電池組件正面與反面（照片來自網(wǎng)絡(luò)） |
圖10--多晶硅太陽能電池組件正面與反面（照片來自網(wǎng)絡(luò)） |
太陽能電池組件也就是常說的太陽能電池板，作為太陽能發(fā)電場用的尺寸較大，大的可達2米長1米寬，一般為1.5m長，0.8m左右。也可根據(jù)需要做成不同尺寸、不同電壓、不同形狀的組件，見圖11。 |
圖11--多種尺寸的太陽能電池組件（照片來自網(wǎng)絡(luò)） |
9、組件測試 測試的目的是對電池的輸出功率進行標(biāo)定，測試其輸出特性，確定組件的質(zhì)量等級。在標(biāo)準(zhǔn)光照條件（輻照度1000W/m²）下的輸出電壓一般為30至50伏，短路電流約10安培。
在實際應(yīng)用中，若干電池組件安裝在同一個支架上，串并連接后輸出，通常把這些組合在一起的太陽能電池稱為太陽能電池陣列（方陣）。 圖12是太陽能電池與太陽能電池組件的圖形符號，符號是普通電池符號加個圓圈，極性與普通電池一樣，圖12下方是太陽能電池組件或陣列的常用畫法。 |
圖12--太陽電池與組件的圖形符號
| 半導(dǎo)體光電子元器件 | | Optoelectronic devices | 利用半導(dǎo)體光-電子（或電-光子）轉(zhuǎn)換效應(yīng)制成的各種功能器件稱為半導(dǎo)體光電子器件，半導(dǎo)體光電子器件有多種形式，這里僅介紹利用光電導(dǎo)效應(yīng)與光生伏特效應(yīng)制作的器件。 | | 光敏電阻 | 某些半導(dǎo)體材料在光照射時，透到材料內(nèi)部的光子能量足夠大，一些電子吸收光子的能量，從原來的束縛態(tài)變成導(dǎo)電的自由態(tài)，這時在外電場的作用下，流過半導(dǎo)體的電流會增大，即半導(dǎo)體的電導(dǎo)會增大，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)效應(yīng)。 光敏電阻就是具有光電導(dǎo)效應(yīng)的電阻器件，該器件的電阻隨光照加強而減小，圖1就是光敏電阻器件結(jié)構(gòu)圖。上圖是光敏電阻芯片的俯視圖，下圖是芯片的剖面圖，為看清楚，圖中半導(dǎo)體光敏層與金屬電極層加厚許多倍。 | 
圖1--光敏電阻結(jié)構(gòu)圖 | 用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體物質(zhì),在陶瓷或玻璃基板上均勻地敷上一層薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，作為半導(dǎo)體光敏層。在光敏層上面有兩個金屬電極，電極是蒸鍍的金或其他金屬薄膜，電極呈梳狀，梳齒交錯排列，兩梳齒極間有間隙，露出光敏層，彎曲的間隙加長了兩電極的寬度，以提高靈敏度，兩電極連接兩根金屬引出線（引腳）。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層透明膜，膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大，并起到防潮等保護作用，金屬薄膜電極通過引出線接入電路。 圖2是光敏電阻器件芯片與外觀圖，左圖是光敏電阻管芯的結(jié)構(gòu)圖，右圖是封裝好的光敏電阻。 | 
圖2--光敏電阻器件芯片與外觀圖 | | 圖3是光敏電阻的實驗電路圖與圖形符號。 在實驗中，沒有光照在光敏電阻時，電流表讀數(shù)為0，隨光照加強，光敏電阻阻值減小，電流表讀數(shù)加大。光敏電阻的文字符號是RL或RG或R。 | 
圖3--光敏電阻的圖形符號 | 圖4是光敏電阻的一個應(yīng)用電路圖，當(dāng)環(huán)境光亮度下降時，該電路可啟動繼電器接通照明電路。由RP、RL組成的分壓電路與R1、R2組成的分壓電路輸入運算放大器A進行比較，當(dāng)環(huán)境光亮度下降到設(shè)定值時，光敏電阻RL阻值上升，分壓點電壓高于R2上的電壓，放大器A輸出低電位，三極管Q導(dǎo)通，繼電器K的常開觸點閉合，照明燈點亮。調(diào)整可變電阻RP可改變設(shè)定值。 | 
圖4--暗激發(fā)光控電路 | | 光敏二極管 | 某些由PN結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體材料在無光照時，半導(dǎo)體PN結(jié)內(nèi)部存在自有電場。當(dāng)光照射在PN結(jié)及其附近時，在能量足夠大的光子作用下，在結(jié)區(qū)及其附近會產(chǎn)生少數(shù)載流子（電子與空穴對）。載流子在結(jié)區(qū)外時，靠擴散進入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)中時，則因電場E的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)。結(jié)果使N區(qū)帶負(fù)電荷，P區(qū)帶正電荷，產(chǎn)生附加電動勢，此電動勢稱為光生電動勢，此現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。更多有關(guān)內(nèi)容參見“光伏電池原理”課件，在此不再介紹。 在本課件介紹的是采用光生伏特效應(yīng)制造的光電子器件，圖5是根據(jù)不同用途制造的不同外形、不同安裝方式的光伏電池，這些光電子器件不是用來發(fā)電的，僅是作為對光的檢測元件使用，通常稱它們?yōu)楣怆姸䴓O管或光敏二極管。圖6左邊上方是光電二極管的圖形符號，僅用在檢測或控制電路中；圖6左邊下方是光伏電池的符號，表示太陽電池或太陽電池組件，也可用在檢測或控制電路中。 | 
圖5--多種規(guī)格的光電二極管（圖片來自網(wǎng)絡(luò)） | | 由于光伏電池輸出電流相對于光照強度有好的線性，特別是短路電流，采用運算放大器可以把短路電流變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓D6右圖是光電二極管電流電壓轉(zhuǎn)換電路，通過對輸出電壓的檢測就可以得到光照強度。有關(guān)運算放大器的工作原理這里不介紹了，請另找參考資料。 | 
圖6--光電二極管電流電壓轉(zhuǎn)換電路 | 在太陽能設(shè)備跟蹤系統(tǒng)中常用4象限光電池對太陽方位進行檢測，圖7是不同外形與規(guī)格的4象限光電池。 | 
圖7--4象限光電池（圖片來自網(wǎng)絡(luò)） | 4象限光電池一般是圓形光伏電池片構(gòu)成，圓形光伏電池片被分割成4個獨立的扇形，圖8左圖是電池片結(jié)構(gòu)，D1、D2、D3、D4是4個獨立的光電池。圖8右圖是4個電池片用4個運算放大器分別進行電流/電壓轉(zhuǎn)換的電路示意圖。 有一些4象限光電池器件附帶放大器，把4個電池片的電流分別轉(zhuǎn)換成電壓輸出，使用非常方便。圖9就是這種4象限光電池器件的照片，稱為4象限帶前放探測器。 | 
圖8--4象限光電池片與放大器 | 
圖9--4象限帶前放探測器（圖片來自網(wǎng)絡(luò)） |
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