光伏发电技术的原理与应用

光伏发电技术的原理及发展现状

1839年，法国的Edmond

Becquerel发现了“光伏效应”，即光照能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流。光伏电池是基于半导体P-N结接受太阳光照产生光伏效应，直接将光能转换成电能的能量转换器。1954年，美国Bell实验室的G.

Pearson等发明了单晶硅光伏电池，其原理如图1所示。

图1中，太阳光照射到光伏电池表面，其吸收具有一定能量的光子，在内部产生处于非平衡状态的电子一空穴对；在P-N结内建电场的作用下，电子、空穴分别被驱向N,P区，从而在P-N结附近形成与内建电场方向相反的光生电场；光生电场抵消P-N结内建电场后的多余部分使P,N区分别带正、负电，于是产生由N区指向P区的光生电动势；当外接负载后，则有电流从P区流出，经负载从N区流入光伏电池。

随着光伏产业的迅猛发展，具有半导体材料消耗少、易批量生产、低成本、对弱光转化率高、易实现光伏建筑一体化等优势的薄膜光伏电池成为第二代光伏电池研发的重点。进入21世纪，以提高光电转换效率、降低成本为目标的第三代光伏电池，如叠层、玻璃窗式、纳米光伏电池等研究方兴未艾。

镇江大成新能源科技有限公司 方荣

1 第一章

绪 论

能源是现代社会存在和发展的基石。随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长。随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越突显，且这种稀缺性也逐渐在能源商品的价格上反应出来。在化石能源供应日趋紧张的背景下，大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。我们对太阳能的利用大致可以分为光热转换和光电转换两种方式，其中，光电利用（光伏发电）是近些年来发展最快，也是最具经济潜力的能源开发领域。太阳能电池是光伏发电系统中的关键部分，包括硅系太阳电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅电池）和非硅系太阳能电池等。在晶体硅太阳能电池的产业链上分布着晶硅制备、硅片生产、电池制造、组件封装四个环节。

光伏发电系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器构成。光伏发电系统可分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统：独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要蓄电池来存储能量，在民用范围内主要用于边远的乡村，如家庭系统、村级太阳能光伏电站；在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统等。并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电网的补充。

在各国政府的扶持下，世界太阳能电池产量快速增长，1995-2005年间，全球太阳能电池产量增长了17倍。我们预计，2010年全球太阳能电池的年产量有望较2005年的年产量增长6.3倍，整个行业的销售收入有望增长3.5倍。

我国太阳能资源非常丰富，开发利用的潜力非常大。我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔，可以应用于并网发电、与建材结合、解决边远地区用电困难问题等。我国政府对太阳能发电产业也给予了充分的扶持，先后出台了一系列法律、政策，有力的支持了产业的发展。 镇江大成新能源科技有限公司 方荣

原理

1光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器 光伏发电2

三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以,光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器,下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源 无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。目前，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。

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光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。

“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。

光伏发电，其基本原理就是“光伏效应”。太阳能专家的任务就是要完成制造电压的工作。因为要制造电压，所以完成光电转化的太阳能电池是阳光发电的关键。

太阳能电池，通常称为光伏电池。目前的主要的太阳能电池是硅太阳能电池。用的硅是“提纯硅”，其纯度为“11个9”，比半导体或者说芯片硅片“只少两个9”；又因为提纯硅结晶后里头的成分不同，分为多晶硅和单晶硅；目前，单晶硅太阳能电池的光电转换率为15％左右，最高达到了24％，使用寿命一般可达15年，最高达25年，比转换率仅12％ 左右的多晶硅太阳能电池的综合性能价格比高。

光伏发电技术原理及应用

光伏发电技术是一种将太阳能转化为电能的可再生能源技术，它的原理基于光电效应。光电效应是指当光照射到特定材料表面时，光子的能量被电子吸收后会使其从原子中解离出来，形成自由电子和正空穴。通过合适的电子器件，如光伏电池，就可以将这些自由电子和正空穴聚集起来，形成电流，从而实现光能到电能的转换。

光伏发电技术的关键是光伏电池，也称为太阳能电池。光伏电池由一层或多层半导体材料制成，常见的材料有硅、多结薄膜太阳能电池等。其中，硅材料的光伏电池是目前应用最广泛的一种。光伏电池的核心部分是PN结，即由P型半导体和N型半导体组成的结构。当光照射到PN结上时，光子的能量被吸收，激发了电子从价带跃迁到导带，形成自由电子和正空穴。这些自由电子和正空穴会被电场分离，形成电势差，从而产生电流。这就是光伏电池的基本工作原理。

光伏发电技术的应用非常广泛。最常见的应用是太阳能发电站。太阳能发电站通常由大量的光伏电池组成，形成光伏阵列。光伏阵列可以根据需要进行灵活布置，可以安装在屋顶、太阳能板、太阳能路灯等地方。当太阳光照射到光伏阵列上时，光伏电池将光能转化为电能，再经过逆变器变成交流电，供给家庭和工业用电。太阳能发电站的优点是可再生、清洁、无噪音和零排放，可以有效减少对传统化石能源的依赖，对环境友好。

光伏发电技术还可以应用于户用太阳能发电系统。户用太阳能发电系统主要由光伏电池组、逆变器、电池和控制器等设备组成。光伏电池组将太阳能转化为电能，经过逆变器转化为交流电，供给家庭使用。如果太阳能发电量超过了家庭用电需求，多余的电能可以储存在电池中，以备不时之需。户用太阳能发电系统可以有效减少家庭用电的支出，同时也减少了对传统能源的依赖，对环境保护起到积极作用。

光伏发电技术还可以应用于航天、船舶、交通等领域。在航天领域，光伏电池可以作为航天器上的能源来源，为航天器提供所需的电能。在船舶领域，光伏电池可以用来为船只提供动力，减少燃油的消耗。在交通领域，光伏电池可以应用于太阳能汽车、太阳能公交车等交通工具上，为它们提供动力，减少对化石能源的依赖。