多晶硅太阳能电池酸腐蚀制绒研究.docx

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多晶硅太阳能电池酸腐蚀制绒研究

环境与能源工程学院

毕业设计

（2016届）

题目　多晶硅太阳能电池酸腐蚀制绒研究

专业光伏材料加工与应用技术

班级

学号

学生姓名

指导教师

目录

摘要：

1

Abstract2

0前言3

1光伏发电与建筑一体化的发展道路与影响4

1.1光伏建筑一体化对于房地产发展的近期影响4

1.2 光伏建筑房地产的发展道路4

2太阳能技术4

2.1太阳能发电技术4

2.2太阳能热利用技术4

2.3太阳能空调技术4

3太阳能建筑一体化5

3.1太阳电池原理5

3.2光伏发电系统6

3.3BIPV建筑一体化7

3.4BIPV在国外10

3.5BIPV在中国10

3.6太阳能利用与建筑一体化的优点10

4光伏建筑系统的设计，施工及维护10

4.1光伏建筑系统的设计的计算10

5.非晶硅薄膜电池在光伏建筑一体化中的优势12

5.1薄膜太阳能电池的优越性12

5.2 新型薄膜太阳能电池发展尤为迅速13

5.3 非晶硅薄膜电池13

结论14

致谢15

太阳能光伏建筑一体化系统

摘要

能源、材料、信息和生物技术是现代文明的四大支柱，人类生存及发展的物质基础与人类从事各种经济活动的原动力是能源。

随着化石能源面临不可再生的消耗及生态环境保护的需要，新能源的开发促进世界能源结构的转变，新能源技术的日益成熟将带来产业领域的革命性变化。

太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分，被认为是当前最有发展前景的新能源技术。

所以本论文针对太阳能利用和建筑一体化这一新课题进行了研究，本文讲述了太阳能光伏发电的工作原理，详细阐述了太阳能光伏与建筑集成系统的组成结构以及其功能，并对太阳能光伏发电与建筑一体化的优点和存在问题进行了详细的分析，同时，根据目前我国太阳能光伏发电和太阳能光热利用技术日趋成熟的现实，提出了太阳能光伏发电与建筑一体化的发展方向，并预测了其在未来的发展。

关键词：

太阳能光伏发电；太阳能建筑；太阳能电池；光伏一体化设计；BIPV

Solarphotovoltaicbuildingintegratedsystem

Abstract

Energy,materials,informationandbiologicaltechnologyisthefourpillarsofmoderncivilization,humansurvivalanddevelopmentofmaterialbasisandhumanengagedinallkindsofeconomicactivitiesaremotivatedbyenergy.Asthefossilenergyisfacingtheneedofunsustainableconsumptionandecologicalenvironmentprotection,newenergydevelopmenttopromotethechangeofenergystructureintheworld,andincreasinglymaturenewenergytechnologywillbringrevolutionarychangeinthefieldofindustry.Solarphotovoltaicpowergenerationisanimportantpartofthenewenergyandrenewableenergy,isconsideredtobethemostpromisingnewenergytechnology.Sothispaperaimedatthenewsolarenergyutilizationandthebuildingintegrationprojectarestudied,thisarticletellsthestoryoftheworkingprincipleofsolarphotovoltaicpowergeneration,solarphotovoltaicandarchitecturewereintroducedindetailinthecompositionstructureoftheintegratedsystemanditsfunction,andtheadvantagesofsolarphotovoltaicpowergenerationandthebuildingintegrationandtheexistencequestionhascarriedonthedetailedanalysis,atthesametime,accordingtothecurrentsolarphotovoltaicandsolarthermalutilizationinourcountrytherealityoftheincreasingmaturityofthetechnology,proposedthedevelopmentofsolarphotovoltaicpowergenerationandthebuildingintegrationdirection,andpredictitsdevelopmentinthefuture.

Keywords:

Solarphotovoltaicpowergeneration;Solarbuilding;Thesolarcell;Photovoltaic（pv）integrationdesign;BIPV

前言

随着化石能源的逐渐枯竭，自然环境的恶化，人们越来越重视太阳能风能等可再生能源的利用。

节能建筑是世界建筑发展的趋向，洁净能源，尤其是太阳能的合理、高效利用是未来建筑设计的重要内容。

光伏建筑一体化建筑还是光伏应用形式中最接近人类生活的一种，其效果的好坏将直接影响到人们对光伏产品的映像。

为了应对世界性的能源、环境、金融等危机的影响，各国政府高度重视可再生清洁新能源，并把太阳能发电作为首选发展方向。

美国奥巴马新政府将新能源列为振兴经济、化解危机的重要对策；美国迫切需要寻找替代传统能源的战略发展方向，德国、西班牙、意大利、法国等多个欧盟国家及日本相继出台新政策，强化部署发展太阳能产业；中东产油国纷纷把传统能源产业利润转投太阳能光伏产业；印度、印尼等发展中国家开始出台实质性的扶持光伏产业发展新政策。

我国的太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。

太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。

中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。

太阳电池及组件产量逐年稳步增加。

经过30多年的努力，

已迎来了快速发展的新阶段。

在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，中国光伏发电产业迅猛发展。

2007年，中国光伏电池产量首次超过德国和日本，居世界第一位。

已经拥有一批具有国际竞争力和国际知名度的光伏生产企业，已形成具有规模化、国际化、专业化的产业链条。

但因美国次贷问题而引发的金融危机，从华尔街迅速向全球蔓延，致使部分金融机构轰然倒塌，证券市场持续低迷，石油价格大幅下滑。

中国光伏发电产业近年发展迅速，成为政府重视、股市活跃、风投青睐、各行各业蜂涌相聚的世界太阳谷。

由于设备、原料和市场三头在外，它对美国、欧洲和日本等国际市场存在很大依存度。

随着这场金融危机特别是国际油价的大幅下挫，对中国光伏发电业的投资资金、出口订单等方面产生重大影响，但金融危机对光伏产业的巨大影响一定会在未来的某个时间得到消化。

长远来看，世界光伏市场的政策推动力依然存在，光伏产业的市场成长依然强劲。

1光伏发电与建筑一体化的发展道路与影响

1.1光伏建筑一体化对于房地产发展的近期影响：

（1）通过推广初级的光伏建筑一体化设计，能够有力地促进光伏建筑的推广。

（2）光伏建筑的迅速增加，由于刚才那种一体化的推广结果光伏建筑会迅速增加，由此带来光伏发电量的增加可望在近期内引入量化的发电指标，特别是零能耗的建筑指标，建立科学化的建筑物、评价体系，使群众具体感受到光伏建筑的实惠所在，带动起群众性的光伏建筑的热潮。

  （3）这种群中心的光伏建筑的热潮，将推动一梯化光伏建筑的市场迅速发展扩大，以期在较段的时间内达到临界的容量，为建立自动化的光伏建筑一体化模块制造生产线打下市场基础。

1.2 光伏建筑房地产的发展道路：

（1）初级的一体化的设计能够取得明显的经济效益，应尽快予以产业化，以促进一体化光伏建筑的推广和发展；

（2）充分利用好国家的各种优惠政策，加快光伏建筑房地产的发展，为尽早建立自动化的建筑模块生产线创造市场基础条件。

　　（3）一旦一体化光伏建筑的自动化制造生产线开始发挥作用，建筑成本的大幅度下降，就会推动光伏建筑房地产产业迅速进入高速增长的时期，不仅自己发展成为大产业，还将推动我国高新技术产业和国民经济全面迅速地发展。

2太阳能技术

从应用类型看，太阳能技术可分为太阳能发电、太阳能热利用技术和太阳能空调技术三种类型。

2.1太阳能发电技术：

太阳能发电技术包括太阳能光伏发电和太阳能热发电。

太阳能光伏发电技术成熟，不论是离网光伏发电系统还是并网发电系统都有较大规模的应用和实践。

太阳能热发电技术目前尚处于商业化前夕，世界现有的太阳能热发电系统有三类：

槽式线聚焦系统塔式系统和碟式系统。

预计2020年前后，太阳能热发电将在发达国家实现商业化，并逐步向发展中国家扩展。

2.2太阳能热利用技术：

在欧洲澳大利亚的国家的太阳能热水系统主要是作为辅助热源与常规能源系统联合运行在供应生活和热水的同时，还为建筑供暖。

在中国、希腊、以色列等国家的太阳能热水系统主要供应生活和洗浴热水。

2.3太阳能空调技术：

即直接利用太阳能作为空调主机的动力，从而实现正常制冷热的空调技术。

目前，大型的溴化锂吸收式制冷机的太阳能利用技术正在开发研究中。

3太阳能建筑一体化

简介：

太阳能作为一种洁净的可再生能源，有着矿物能源不可比拟的优越性。

中国的太阳能资源十分丰富，为各种太阳能利用系统提供了巨大的市场。

由此，建筑界提出“21世纪建筑”的一个概念即由建筑物自己产生能源，太阳能光伏建筑物一体化（BIPV）便成为21世纪建筑及光伏技术市场的热点。

随着2005年2月16号限制各国排放工业废气以控制全球气候变暖的《京都议定书》的正式生效，如何实现环境保护的可持续发展成为全球最强的呼声。

中国作为发展中国家，能源消耗逐年以惊人的速度增长，而建筑作为能耗大户（发达国家的建筑能耗一般占到全国总能耗的1／3以上），其节能效益则变得尤其重要。

3.1太阳电池原理

半导体根据导电机理的不同可分为P型半导体和N型半导体。

当太阳光照射到半导体时，半导体中的电子被激发而移动，失去电子的地方就形成空穴。

P型半导体和N型半导体结合在一起在半导体中形成“势垒”。

由P型半导体产生的电子向N型层移动，由N型层中产生空穴向P型层移动。

P型层中由于带有正电荷的空穴数目增多而带正电；N型层中由于带负电荷的电子数目增多而带负电。

当达到稳定状态时，在半导体两端产生电压，称为太阳电池的开路电压。

当用导线连接半导体两端时，光电流在外部回路中流动，称为短路电流[2]。

最基本的太阳电池是由P—N结构构成的。

图1为典型光电池的剖面图。

图1典型光电池的剖面图[1]

（光线的光子产生自由电子，顶部金属网格和底部金属板通过外电路收集和返还自由电子）

3.2光伏发电系统[1]

光伏发电系统统按其系统配置可分为独立式（stand—alone）连接电网式（grid—alone）2种。

当不可能或没必要与电网连接时，独立式光电系统（stand—alonesystems）较适用（图2）。

这种系统白天产生的多余电能储存在电池组中，以备夜间及昏暗多云天使用。

图2独立式光电系统[1]

（一个独立式系统需要电池储存电力以供夜间使用，还需要一个将直流电变成交流电的反用换流器）

当有电网时，就不需电池组储能了。

因为电网已经充当了一个大的蓄电池的作用。

连接电网式如图3所示。

当太阳能电池板供电不足时，由电网向用户供电，相反的，若太阳能电池板供电大于用户需求，剩余的电可通过直交流逆变换器输送到电网。

只需在连接电网时安装一块双向计量电度表即可解决电力收费的问题。

这种系统特别适合于已有电网供电的用户，不仅可省去蓄电他的设置，减少初投资和运行维护费用，而旦有利于削减因采用空调设备而造成的夏季白天用电高峰的问题。

图3一个典型的电网连接充电系统[1]

（白天，多余的电流将流入电网，计量表会倒转）

3.3BIPV建筑一体化

太阳能光伏—建筑一体化BIPV（BuildingIntegratedPhotovoltaics,）是应用太阳能发电的一种新概念：

在建筑为维护结构外表面铺设光伏阵列提供电力。

可以说在众多可再生能源发电技术中，光伏发电是最绿色最环保也是最值得期待的一项技术。

1、BIPV的优越性

1）可原地发电、原地使用，减少电流运输过程的费用和能耗；

2）避免了放置光电阵板的额外占用宝贵的建筑空间与建筑结构合一，省去了单独为光电设备提供的支撑结构；

3）使用新型建筑维护材料，节约了昂贵的外装饰材料（玻璃幕墙等），减少建筑物的整体造价，且使建筑外观更有魅力；

4）因日照处在高压电网用电高峰期，BIPV系统除保证自身建筑内用电外，还可以向电网供电，舒缓了高峰电力需求，解决电网峰谷供需矛盾，具有极大的社会效益；

5）杜绝了由一般化石燃料发电所带来的严重空气污染，这对于环保要求更高的今天和未来极为重要；

6）由于光伏陈列安装在屋面和墙面上，并直接吸收太阳能，避免了墙面温度和屋顶温度过高，降低了空调负荷，并改善了室内环境。

2、BIPV的形式与特点[5]

在80年代，光伏地面系统除大量用于偏僻无电地区、游牧家庭、航海灯塔、孤岛居民供电以及某些特殊领域外，已开始进入一般单独用户、联网用户和商业建筑。

进入90年代后，随着常规能源的日益枯竭而引起的发电成本上升和人们环境意识的日益增强，一些国家纷纷开始实施、推广BIPV系统。

光伏与建筑的结合有两种方式：

一种是建筑与光伏系统相结合；另外一种是建筑与光伏器件相结合。

1）建筑与光伏系统相结合

把封装好的的光伏组件（平板或曲面板）安装在居民住宅或建筑物的屋顶上，再与逆变器、蓄电池、控制器、负载等装置相联。

光伏系统还可以通过一定的装置与公共电网联接。

这点内容在上一节光伏发电系统已介绍过。

2）建筑与光伏器件相结合

建筑与光伏的进一步结合是将光伏器件与建筑材料集成化。

一般的建筑物外围护表面采用涂料、装饰瓷砖或幕墙玻璃，目的是为了保护和装饰建筑物。

如果用光伏器件代替部分建材，即用光伏组件来做建筑物的屋顶、外墙和窗户，这样既可用做建材也可用以发电，可谓物尽其美。

目前光伏与建筑结合总结起来大约有8种安装方式，如表1所示。

下面将分别从光电设备作屋面板、光电设备作建筑立面、玻璃窗与光电设备、光电设备与遮阳设备四方面分别介绍[1]。

表1光伏与建筑结合的8种形式[10]

1）光电设备作屋面板[1]

用光电设备作屋面板时的理想屋顶应为斜屋顶。

因为可以获得理想的倾角，相对于平屋顶而言，少了附加支撑带来的不协调。

锯齿形的高侧窗也要比平屋顶好得多，因为南向坡被建筑光电一体式设备占据了，北向玻璃窗就可用于昼光照明。

如果光电板与屋顶成为一体，则其夏天需要通风以降温，冬天则可以收集这些余热以采暖。

结构图如图3所示。

图4光电板与屋顶的结合[1]

（光电设备下面通风，夏天可避免光电元件过热，冬天可用于加热建筑）美国著名的UNl—SOLAR的太阳能屋顶产品则另外一番特色，他是直接将非晶薄膜太阳能电池生成在薄钢片上，钢片可以任意裁剪。

所以，一片太阳能电池板长度可以做到屋顶的宽度。

另外，没有玻璃，不易破损；弱光性好；轻便易装。

2）光电设备作建筑立面

由于大尺度新型彩色光伏模块的诞生，将其安装在立面不仅节约了昂贵的外装饰材料（玻璃幕墙等），减少建筑物的整体造价，且使建筑外观更有魅力；如果建筑有凸窗棂，必须保证窗棂较薄，使光电板不至于产生太多阴影。

在保持玻璃幕墙的外观整洁方面，德国RWE的非晶太阳能玻璃幕墙做得非常优秀，为了防止电池片之间的连线有碍观瞻，他们的专利技术专门解决了电池片之间的“无线”连接[4]。

如果光电设备安装在屋顶，则最好在设备下部留下一定量的空气层以供设备降温，同时冬天可以收集热空气采暖。

具体结构如图4所示。

图4光电设备安装在屋顶[1]

双层墙可使空气在夏季流溢出来以给光电设备及建筑降温。

冬天可用热空气加热建筑北部

3）玻璃窗与光电设备

这里介绍两种典型的玻璃窗系统。

一种是半透明的更像浅色玻璃窗；另一种是由透明玻璃窗上安装不透明光电元件，这些元件的排列间距决定了玻璃窗的透光率，就像我们在玻璃窗上涂上井字网一样。

太阳电池可以和不同的玻璃结合制成各种特殊的玻璃幕墙和天窗，如：

隔热玻璃组件、防紫外线玻璃组件、防盗或防弹玻璃组件、防火组件等等。

目前有一种仅用红外辐射发电的光电玻璃窗正在研制中。

这样，既可以发电又可降低昼光温度，相信正是多数向南的办公大楼所需要的。

4）光电设备与遮阳设备

光电系统即可整体组合于入口雨篷中，也可组合与一些独立式遮阳结构中。

就目前而言，虽然巴光电板用于露天停车场遮阳上的费用较高，但遮阳结构与光电发电器相结合终究物有所值。

随着电力汽车的数量增加，这些结构最终会成为理想的充电站。

3、BIPV对太阳电池的特殊要求[10]

1）颜色方面

当太阳电池作为南立面的幕墙或天窗时，考虑到电池板的反光而造成光污染的现象，就会对太阳电池的颜色和反光性提出要求，即可采用具有不均匀反光的多晶硅太阳电池组件做幕墙或是安装在人们视角之内的大坡度屋顶。

对于晶体硅电池则可以用腐蚀绒面的办法将其表面变成黑色或在蒸镀减反射膜的时候加入一些微量原色来改变太阳电池表面的颜色。

2）透光要求

当太阳电池用作天窗、遮阳板和幕墙时，对于它的透光性有一定要求。

一般选用非晶硅太阳电池，因为它可制作成茶色玻璃一般的效果，透光好而且投影十分均匀柔和。

而对于本身不透光的晶体硅太阳电池，需要透光时只能将组件用双层玻璃封装，通过调

整电池片之间的空隙来调整透光量。

3）尺寸和形状的要求

因为考虑到与建筑的结合，一般正规的方形很难满足特殊造型的需求。

这方面还有待制作工艺的进一步提高。

3.4BIPV在国外

太阳光发电是21世纪科学技术的前沿阵地，世界各地的政府都支持太阳光发电事业。

欧盟可再生能源白皮书和“起飞运动”是欧洲太阳光发电的里程碑；德国政府的“十万个光伏屋顶计划”和德国新的“可再生能源法”保证私人的太阳光发电系统用不完的电，可以上电力网卖给国家电力公司；美国政府的“克林顿总统百万太阳光发电屋顶计划”即在2001年前将要为100万个美国家庭的每一户安装3~5KW太阳光发电屋顶；日本政府在“阳光规划”执行后，2000年又推出《新阳光规划》，对光伏屋顶系统实行强有力的补贴政策，使居民光伏屋顶系统最近5年平均年增产率为96.7%，成为目前世界光伏发电的最大市场[8]。

有人作过乐观估计，在今后太阳能发电随着技术的不断改进将更加迅猛的发展，到2010年发电量将达到4.6GWp，累计容量将达到20GWp。

到21世纪中也，阳光发电量将占世界总发电量的15%~20%，超过核能，成为人类的基本能源之一。

3.5BIPV在中国

虽然目前还没有并网发电的法律依据，以及技术标准，也没有鼓励补贴措施，然而，许多公司正在积极建设城市并网发电示范工程。

悉尼奥运会是迄今为止最“绿”的一届奥运会。

中国的奥运会和世博会，将肯定更“绿”。

就在去年12月份召开的2004上海市金属学会年会上，太阳能电池专家殷秒廷透露，为配合世博会的召开和应对能源的紧缺，上海正在筹备一项名为“十万屋顶计划”的工程即在上海十万户家庭的房顶上安装太阳能发电装置，届时上海的“十万屋顶计划”将为我国的太阳能源发展起到表率作用。

另外据了解2008年北京奥运场馆外墙也贴上太阳能电池，周围80%~90%的路灯和洗浴热水将来自太阳能光伏技术[8]。

总之，光伏与建筑集成的BIPV产品作为庞大的建筑市场和潜力巨大的光伏市场两者的结合点，必将存在着无限广阔的发展前景。

3.6太阳能利用与建筑一体化的优点

（1）有利于人们生活环境的生态保护，不但降低了日益严重的生态污染，而且有效地减少常规能源的使用量，降低了能耗。

（2）解决了目前单台太阳能热水器各户自行安装不规范、不统一，且先建筑后设置，特别是设置在坡屋面上，对城市的景观、建筑维护等带来不利影响。

（3）太阳能热水器是一种绿色环保的产品，不但具有明显的节能效果，而且使用安全，寿命长，为人们创造一个安全、高舒适性的生活环境，提高了生活水平。

（4）太阳能与建筑一体化，采用“瓦片式”可替代坡屋面上部分建筑瓦片，既减少建筑成本，又达到防水、遮阳的效果，与建筑融为一体，外观独特美观。

（5）分户计量，按表收费，便于管理；集中供水可进行上下水、水温、水位的自动控制，定温输水采用自然循环，使用方便。

4光伏建筑系统的设计，施工及维护

4.1光伏建筑系统的设计的计算

（1）当地气象参数的收集

   在设计计算前，需要收集当地的气象数据资料，包括当地的太阳能辐射以及温度变化等。

一般来说，气象资料无法做出长期观测，只能根据以往10——20年的平均值作为设计依据。

但是，很少有独立光伏发电系统建设在太阳辐射资料齐全的城市，而偏远地区的太阳辐射数据可能与邻近城市的数据资料并不类似。

因此在设计过程中要考虑这一类的偏差因素。

另外，从当地气象部门得到的气象数据资料，一般只有水平面得太阳辐射量，需要根据理论计算换算出光伏板表面的实际辐射量。

（2）负载情况的分析

   负载计算是独立太阳能光伏发电系统设计的重要内容之一。

通常的办法是列出负载的名称，功率要求额定工作电压和每天的用电小时数。

然后将负载和工作电压进行分组，计算每组的总功率要求。

再选一天系统的工作电压，计算整个系统在这一天工作电压下所要求的平均安时数。

在交流负载为主的系统中直流系统电压应当与选的逆变器输入电压相适应。

一般独立太阳能光伏发电系统，交流负载工作电压为220V，直流负载电压为12V或其倍数。

 （3）光伏板最佳倾斜角的确定

   光伏版的安装形式有固定安装和自动跟踪两种。

对于固定式光伏系统一旦完成，光伏板的方位角和倾斜角就无法改变，而安装了跟踪装置的太阳能光伏供电系统可以自动跟踪太阳的方位，使光伏板一直朝向太阳光，接收最大的太阳辐射值。

4.2太阳能光伏建筑的安装

   施工管理人员可以根据下列顺序来指定和安装系统组件：

  1）根据设计需要选择适合的太阳能光伏板，然后为光伏阵列选择适当的安装方法与安装场所，包括安装地点占用面积的选择，建筑体的支撑强度。

地面安装光伏电池板时应考虑防止雷击的措施；

  2）选择蓄电池的类型，及蓄电池组的安装场所；

  3）选择必要的功率调节元器件，逆变装置，接线盒及控制柜的安装位置；

  4）指定相关