太阳能光伏：基本知识普及技术知识详解

太阳能光伏技术是指一种可直接将太阳的光能转换为电能并加以充分利用的前瞻性技术，其广阔的应用前景让世人为之神往而不断地努力进行开发、创新与应用。本期将为大家介绍太阳能发电原理、太阳能电池、太阳能电池组件、光伏控制器、光伏逆变器等内容。

太阳能发电原理

太阳能电池是一对光有回应并能将光能转换成电力的器件。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，现以晶体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。

当光线照射太阳能电池表面时，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。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。

晶体硅太阳能电池的制作过程

“硅”是我们这个星球上储藏最丰量的材料之一。自从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。20世纪末，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。生产过程大致可分为五个步骤：a、提纯过程b、拉棒过程c、切片过程d、制电池过程e、封装过程。

太阳能电池的应用

上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术——通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。太阳能光伏玻璃幕墙元件得应用越来越多，随着上海和北京的几个项目进入实质性运转，这种方式将会代替普通玻璃幕墙，它具有反射光强度小、保温性能好等特点！

太阳能电池组件

太阳能电池组件（光伏组件）是由一定数量的太阳能电池片通过导线串、并联连接并加以封装而成。一个组件中，太阳电池的标准数量是36片（10cmx10cm），这意味着一个太阳电池组件大约能产生17V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。目前的光伏元件输出功率大到数百瓦不等。

太阳能电池片封装成组件后能够提供足够的机械强度、抗振和抗冲击能力；具有良好的密封性，能够防腐、防风、防雹、防潮；具有良好的电绝缘性；能够抗紫外线辐射等。其潜在的品质问题可能发生在边沿的密封以及组件背面的接线盒。

根据光伏工程安装的需要，当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件通过串联、并联组装成“太阳电池方阵”也叫“光伏阵列”，以获得所需要的电压和电流，其功率可以根据实际需求组合确定。

太阳能光伏控制器

光伏充电控制器基本上可分为五种类型：并联型光伏控制器、串联型光伏控制器、脉宽调制型光伏控制器、智慧型光伏控制器和最大功率跟踪型光伏控制器。

1、并联型光伏控制器。当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻器或功率模组上去，然后以热的形式消耗掉。并联型光伏控制器一般用于小型、低功率系统，例如电压在12V、20A以内和系统。这类控制器很可靠，没有继电器之类的机械部件。

2、串联型光伏控制器。利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。比较容易制造连续通电电流在45A以上的串联型光伏控制器。

3、脉宽调制型光伏控制器。它以PWM脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。按照美国桑地亚国家实验室的研究，这种充电过程形成较完整的充电状态，它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命。

4、智慧型光伏控制器。基于MCU（如intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列）对光伏电源系统的运行参数进行高速即时采集，并按照一定的控制规律由软件程式对单路或多路光伏阵列进行切离和接通控制。对中、大型光伏电源系统，还可通过MCU的RS232接口配合MODEM调制解调器进行距离控制。

5、最大功率跟踪型控制器。将太阳能电池电压V和电流I检测后相乘得到功率P，然后判断太阳能电池此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，刚调整脉宽，调制输出占空比D，改变充电电流，再次进行即时采样，并作出是否改变占空比的判断，通过这样的寻优过程可保证太阳能电池始终运行在最大功率点，以充分利用太阳能电池方阵的输出能量。同时采用PWN调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。

光伏逆变器

作为一个独立的光伏系统，其直流发电电压比较低，因此功率调节装置，也就是逆变器，是绝对不可或缺的。

在并网系统中主要使用两种类型的逆变器来实现交流发电。

①线路整流可以用电网中的信号作为同步的基准。

②自整流通过逆变器内部电路结构确定信号波形，然后输入电网。

也可以根据产品的应用对其分类。

①中央逆变器用来对额定功率在20～400kWp范围内的大型光伏系统的输出进行整流。现阶段的主流产品具有自整流设计，通过双极性电晶体和场效应电晶体来实现。

②串联逆变器只允许接收通过独立串行输送的信号，所以额定功率在1～3kWp。

③复式串联逆变器配备各种独立的直流-直流逆变器，这些逆变器把信号回馈给一个中央逆变装置。

这样的设计可以适用于各种不同的元件连接结构，从而可以使每条串联线路上的太阳能电池都输出最大功率。

④交流元件逆变器配套安装于每个光伏元件上，进而将所有元件的输出转化成交流。

在第一期中，我们为大家概括介绍了太阳能发电原理、太阳能电池、太阳能电池组件、光伏控制器、光伏逆变器等内容。接下来将开始深入地讲解。本期我们将着重说明太阳能电池的制造工艺详细流程、单晶硅和多晶硅的区别、单晶硅和多晶硅电池片的区别以及逆变器的概念，将知识串连起来以便读者学习和了解。

晶体硅太阳能电池的制造工艺流程

晶体硅太阳能电池的制造工艺流程说明如下：

（1）切片：采用多线切割，将硅棒切割成正方形的硅片。

（2）清洗：用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或堿）溶液将硅片表面切割损伤层除去30－50um。

（3）制备绒面：用堿溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。

（4）磷扩散：采用涂布源（或液态源，或固态氮化磷片状源）进行扩散，制成PN＋结，结深一般为0.3－0.5um。

（5）周边刻蚀：扩散时在硅片周边表面形成的扩散层，会使电池上下电极短路，用掩蔽湿法腐蚀或等离子干法腐蚀去除周边扩散层。

（6）去除背面PN＋结。常用湿法腐蚀或磨片法除去背面PN＋结。

（7）制作上下电极：用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺。先制作下电极，然后制作上电极。铝浆印刷是大量采用的工艺方法。

（8）制作减反射膜：为了减少入反射损失，要在硅片表面上复盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有MgF2，SiO2，Al2O3，SiO，Si3N4，TiO2，Ta2O5等。工艺方法可用真空镀膜法、离子镀膜法，溅射法、印刷法、PECVD法或喷涂法等。

（9）烧结：将电池芯片烧结于镍或铜的底板上。

（10）测试分档：按规定参数规范，测试分类。

由此可见，太阳能电池芯片的制造采用的工艺方法与半导体器件基本相同，生产的工艺设备也基本相同，但工艺加工精度远低于积体电路芯片的制造要求，这为太阳能电池的规模生产提供了有利条件。

单晶硅和多晶硅的区别

单晶硅和多晶硅的区别是，当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的芯片，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的芯片，则形成多晶硅。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如在力学性质、电学性质等方面，多晶硅均不如单晶硅。多晶硅可作为拉制单晶硅的原料。单晶硅可算得上是世界上最纯净的物质了，一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上。

大型积体电路的要求更高，硅的纯度必须达到九个9。目前，人们已经能制造出纯度为十二个9的单晶硅。单晶硅是电子电脑、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。

高纯度硅在石英中提取，以单晶硅为例，提炼要经过以下过程：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。

冶金级硅的提炼并不难。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。这样被还原出来的硅的纯度约98-99%，但半导体工业用硅还必须进行高度提纯（电子级多晶硅纯度要求11个9，太阳能电池级只要求6个9）。而在提纯过程中，有一项“三氯氢硅还原法（西门子法）”的关键技术我国还没有掌握，由于没有这项技术，我国在提炼过程中70%以上的多晶硅都通过氯气排放了，不仅提炼成本高，而且环境污染非常严重。我国每年都从石英石中提取大量的工业硅，以1美元／公斤的价格出口到德国、美国和日本等国，而这些国家把工业硅加工成高纯度的晶体硅材料，以46-80美元／公斤的价格卖给我国的太阳能企业。

得到高纯度的多晶硅后，还要在单晶炉中熔炼成单晶硅，以后切片后供积体电路制造等用。

单晶硅与多晶硅电池片的区别

由于单晶硅电池片和多晶硅电池片前期生产工艺的不同，使它们从外观到电性能都有一些区别。从外观上看：单晶硅电池片四个角呈圆弧状，表面没有花纹；多晶硅电池片四个角为方角，表面有类似冰花一样的花纹。

对于使用者来说，单晶硅电池和多晶硅电池是没有太大区别的。单晶硅电池和多晶硅电池的寿命和稳定性都很好。虽然单晶硅电池的平均转换效率比多晶硅电池的平均转换效率高l％左右，但是由于单晶硅太阳能电池只能做成准正方形（其4个角是圆弧），当组成太阳能电池元件时就有一部分面积填不满，而多晶硅太阳能电池是正方形，不存在这个问题，因此对于太阳能电池元件的效率来讲几乎是一样的。另外，由于两种太阳能电池材料的制造工艺不一样，多晶硅太阳能电池制造过程中消耗的能量要比单晶硅太阳能电池少30%左右，所以多晶硅太阳能电池占全球太阳能电池总产量的份额越来越大，制造成本也将大大小于单晶硅电池，所以使用多晶硅太阳能电池将更节能、更环保。

逆变器的概念

逆变是针对整流而言的，整流器把交流电能变换成直流电能的过程称为整流。那么把直流电能变换成交流电能的过程就称为逆变了，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变器。

在太阳能光伏发电系统中为什么一定要采用光伏逆变器呢？目前我国发电系统主要是直流系统，即将太阳能电池发出的电给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地方使用较多的太阳照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同（如12v、24v、48V等），很难实现系统的标准化和相容性。特别是家用电器，如日光灯、电视机、电冰箱、电风扇和大多数动力机械都是利用交流电工作的，即大多数为交流负载，所以利用直流电力供电的光伏电源，很难作为商品进入市场。太阳能光伏系统设置逆变器的目的就是将直流电转换为交流电，便于满足大多数使用者负载的需要。

此外，如果电力线受到破坏或被迫关闭，逆变器就要停止向用电设备或电网供电。如果电力线电压偏低或欠压，或出现较大的扰动时，要采用一种用于“非孤岛”逆变器的传感器来传感这种情况。当出现这种情况时，逆变器将自动地关闭向电网供电，或把电力传输到其他地方，从而防止它成为电力发电的“孤岛”。所谓孤岛效应，即电网出现故障后，并联在电网上的光伏并网发电系统依旧可以工作，处于独立运行状态。