授人以渔 能力为本毕业设计(论文)薄膜电池技术在光伏建筑中的应用学院 交通运输学院年级 2011 级班专业 光伏发电技术及应用学号 201102010120学生姓名 龙涛指导老师 曾新一2014 年 1 月四川科技职业学院毕业设计(论文) 第 I 页摘 要硅太阳电池的应用日趋广泛, 但昂贵的原材料成为发展的瓶颈.硅原料虽然不稀缺，但提纯难度太大，价格居高不下。薄膜型太阳能电池由于使用材料较少，就每一模块的成本而言比起堆积型太阳能电池有着明显的减少，制造程序上所需的能量也较堆积型太阳能电池来的小它同时也拥有整合型式的连接模块，如此一来便可省下了独立模块所需在固定和内部连接的成本。一旦薄膜电池效率达到业主能接受的范围，硅电池很难生存。未来薄膜型太阳能电池将可能会取代现今一般常用硅太阳能电池，而成为市场主流。光伏电站本来位置偏僻，不会太介意多占点空间来弥补转换效率上的不足。而且在全年的发电量中，薄膜电池要高于晶硅电池单晶硅电池虽然效率高 13%17%。关键词：薄膜电池；年发电量；市场洗牌四川科技职业学院毕业设计(论文) 第 II 页目 录第一章绪论 .11.1 薄膜太阳能电池迎来发展机遇 .11.2 薄膜太阳能电池的工作原理 .2第二章光伏系统的设计基础 .5第三章薄膜太阳能电池在建筑上的设计 .83.1 蓄电池及其容量的计算 .83.2 控制器 .113.3 逆变器 .133.4 薄膜太阳能组件方阵的计算 .15第四章薄膜电池在建筑上的运用优点解读 .164.1 薄膜电池内外市场洗牌在所难免 .16 4.2 光伏建筑一体化 .174.3 薄膜电池的年发电量高于晶硅电池 .184.4 薄膜电池运用于建筑的优点 .18第五章薄膜电池在建筑上的运用困难 .20结论 .21致谢 .24参考文献 .25四川科技职业学院毕业设计(论文) 第 1 页第一章 绪 论1.1薄膜太阳能电池迎来发展机遇在国内光伏电池分为两大阵营：晶硅电池和薄膜电池。而后，晶硅电池占据了主要市场，薄膜电池相对弱势。据业内人士介绍，两者差距主要在成本和转换率方面，晶硅电池转换率可达14%16%，但成本比薄膜要高30%多;而薄膜电池虽然低价，但转换率只有6%8%，比晶硅电池要低得多。本次规划意见稿的出台，对薄膜电池而言或是一次新的发展机遇。规划意见稿在“十二五”发展重点中，提出重点发展非晶与微晶相结合的叠层和多结薄膜电池，鼓励企业研发5.5代以上大面积高效率硅薄膜电池等。“多晶硅不如前几年乐观，但中国各地还在不断地上新项目，装机量依然可以坚持到明年年底。 ”接受记者采访的新奥有关人士已在新能源行业从业多年，该人士力挺薄膜电池，他也认为，薄膜是太阳能电池板的方向。 “但是技术要想成熟，至少还得810年。 ”他最后说。随着太阳能光伏产业的发展，各种鼓励措施相继出台，各地对光伏建筑的补贴增高，各地发展光伏建筑的热情不断升高，促进光伏建筑一体化市场的发展。据了解，目前中国有480亿平方米建筑米面积，而且这一数据还在不断的攀升。如果在其中的10%建立光伏系统发电将形成500GW 的太阳能市场。而对于欧美的“双反”政策，薄膜电池迎来了发展的机遇，尽管行业标杆无锡尚德宣布破产重组后，整个产业被一种凝重的悲观氛围所笼罩，但晶硅电池之外的晶硅、碲化镉等薄膜电池未受“双反”政策影响四川科技职业学院毕业设计(论文) 第 2 页1.2薄膜电池的工作原理和过程非晶硅(a-Si)太阳电池是在玻璃(glass)衬底上沉积透明导电膜(TCO)，然后依次用等离子体反应沉积 p 型、i 型、n 型三层 a-Si，接着再蒸镀金属电极铝(Al).光从玻璃面入射，电池电流从透明导电膜和铝引出，其结构可表示为glass/TCO/pin/Al，还可以用不锈钢片、塑料等作衬底。如图1-1图1-1 薄膜电池结构非晶硅光伏电池 非晶硅在可见光谱范围内有着比晶体硅更高的吸收系数，因此，可以大大降低光吸收层的厚度（1um）。为了有效的抑制光生载流子的复合，非晶硅光电池一般采用 p-i-n 结构，其中 i 层为本征层，为光敏感层，而两侧的 p-n 结产生内电场帮助电荷有效分离。目前，i 层一般采用 PECVD 法生长，这种方法可以在大面积沉积，可以在透明导电玻璃或者柔性衬底上沉积。目前，这种电池的最大问题是效率低，实验室得到的最高转换效率为13%，大面积的光伏模块的效率在4%8%，制约其效率低的主要原因是 Staebler-Wronski 效应即光致衰减效应。即当光伏模块工作超过1000小时的时候其效率就会下降到一个很低的效率。主要的原因是在薄膜内部产生的新的缺陷成为载流子的符合中心，从而使效率降低。通过类似晶体硅薄膜电池的方法，采用多层或 tandem 结构可以有效的消除 SW 效应，因为，采用这种改进之后可以大大增强 i 层的内电场，从而使载流子能够有效的分离。非晶硅光伏电池的优点在于沉积温度低，从而可以使用价格低廉的衬底；可以很容易跟屋顶或其他结构四川科技职业学院毕业设计(论文) 第 3 页复合；制作过程耗能低材料用料少；对环境无任何污染。从以上这些优点可以看出，非晶硅电池对于光伏技术的民用化具有很大的应用前景CdTe薄膜电池 （这里以 CdTe薄膜电池为例）CdTe 是一种直接带隙半导体，1um 厚的 CdTe 就几乎可以吸收所有的可见光，禁带宽度为1.45ev 与理论优化值非常接近。由于 CdTe 是二元化合物，因此在材料合成上要比 CIS 类电池容易的多。典型的该种光伏电池的结构由 n 型的 CdS 和 p 型的CdTe 构成，采用价格低廉的透明导电玻璃作为衬底，为了减少光的损耗，CdS 的厚度非常的薄，载流子主要由 CdTe 层产生。因此，在他们的界面位置决定着整个模块的效率、稳定性等问题。目前，实验室获得的最高效率为18%左右，产业化的模块维持在9%左右。Cd 的毒性依然是人们争论的一点。CdTe 是一种非常稳定的化合物，本身没有毒性，但合成 CdTe 的过程中会对环境造成潜在的危害。因此，CdTe 电池被广泛应用的前景不是很大。载流子的产生光伏太阳能电池简单来说，它实际上是一个半导体二极管。半导体材料吸收入射光产生电子与空穴对。而入射光的光子能量必须大于半导体的禁带宽度。因此，光生电流的密度 Jsc 跟半导体的禁带宽度成反比，半导体的禁带宽度越宽光生电流的密度 Jsc 越小。而转移到每对电子空穴的能量与半导体的禁带宽度成正比。因此，要取得最大的能量转换效率存在一个“最优化”禁带宽度（1.1ev），在这个条件下，大概有一半的入射光能量能够转换成电流。而这个条件只是理想情况下的理论值，而实际当中光学器件造成的能量损失，以及传输过程中的能量消耗使实际获得的效率远远低于理论极限。而且半导体也不能吸收所有入射光的能量，特别是间接禁带半导体，它对光的吸收系数很低。因此，具有高吸收系数的直接带隙半导体适合制作光伏太阳能电池。载流子的分离 第一步产生的电子空穴对，在内部电场的作用下分别向两个电极移动，电子移动到阳极，空穴传输到阴极。此时，在两个电极之间产生开路电压 Voc 因此，我们可以得到一个 IV 曲线如右图所示。黄色部分表明的是最大输出功率，而最大输出功率与 IV 曲线与坐标轴包围的面积的比值称为填充因子：四川科技职业学院毕业设计(论文) 第 4 页FF（fill factor）。FF、Voc 和 Jsc 是评价光伏电池性能的最重要的三个参数。开路电流理论上可以达到 Egap/q ，但实际当中由于载流子的复合以及热动力学方面的考虑，差不多只能达到 Egap/2q。而 FF 的值跟半导体的禁带宽度也存在一定的关系，在理想情况下，FF 与禁带宽度成正比。因此，在考虑 FF、Voc 和 Jsc 之后，可以得到一个半导体带隙宽度的最优值：1.5 eV，在这种情况下所得到的光电转换效率的理论极限为30。四川科技职业学院毕业设计(论文) 第 5 页第2章光伏系统的设计基础光伏系统由以下三部分组成：太阳电池组件、充放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄能和辅助发电设备。光伏系统具有以下的特点：1.没有转动部件，不产生噪音；2.没有空气污染、不排放废水；3.没有燃烧过程，不需要燃料；4.维修保养简单，维护费用低；5.运行可靠性、稳定性好；而作为关键部件的太阳电池使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达到25年以上；根据需要很容易扩大发电规模。电池或其它蓄能和辅助发电设备。光伏系统中的几个主要部件：光伏组件方阵：由太阳电池组件（也称光伏电池组件）按照系统需求串、并联而 成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系统的核心部件。蓄电池：将太阳电池组件产生的电能储存起来，当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。控制器：它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。随着太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势，如 AES 公司的 SPP 和 SMD 系列的控制器就集成了上述三种功能。逆变器：在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设备，将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。四川科技职业学院毕业设计(论文) 第 6 页小型太阳能供电系统（Small DC）该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。其主要用途是一般的户用系统，负载为各种民用的直流产品以