太阳电池工作原理(第一课)

1、第一部分：半导体知识、光伏发电原第一部分：半导体知识、光伏发电原理、光伏发电系统理、光伏发电系统 为什么金属容易导电，非金属不易导电？ 为何名称是“半导体”半导体硅 硅原子的最外层 电子壳层中有4个电子。在太阳辐照时，会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。电子带负电；空穴带正电。 在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。 如果在硅晶体中搀入能够俘获电子的3价杂质，如：硼，鋁，镓或铟等，就成了空穴型半导体，简称p型半导体。 如果在硅晶体中搀入能够释放电子的磷，砷，或锑等5价杂质，就成了电子型半导体，简称n型半导体。P-N结特性 势垒电场：若将这两种半导体结合在一

2、起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成p-n结，并在结的两边产生内建电场。 单向导电性：由于P 区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合，而N区中的电子向P区扩散后与P 区中的空穴复合，这使电偶极层中自由载流子数减少而形成高阻层，故电偶极层也叫阻挡层，阻挡层的电阻值往往是组成PN结的半导体的原有阻值的几十倍乃至几百倍。 当太阳光（或其他光）照射到太阳电池上时，电池吸收光能，能量大于禁带宽度的光子，穿过减反射膜进入硅中，激发出光生电子孔穴对，并立即被内建电场分离，光生电子被送进n区，光生孔穴则被推进p区，这样在内建电场的作用下，光生电子-孔穴对被分离，在光电池两端出现异号电荷的积累，即产生

3、了“光生电压”，这就是“光生伏打效应”（简称光伏）。在内建电场的两侧引出电极并接上负载，在负载中就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。所谓光电效应，就是指物体在吸收光能后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，而半导体光伏效应的效率最高。 下图为在p型半导体材料上扩散磷元素，形成n+/p型结构的太阳电池。上表面为负极；下表面为正极。1组件的旁路二极管 1.标准测试条件 光源辐照度：1000W/m2 ； 测试温度： 2520C ； AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。 2. 伏安(I-V)特性曲线 受光照的太阳电池，在

4、一定的温度和辐照度以及不同的外电路负载下，流入负载的电流I和电池端电压V的关系曲线。 3. 开路电压 在一定的温度和辐照度条件下，光伏发电器在空载(开路)情况下的端电压，通常用Voc来表示。 太阳电池的开路电压与电池面积大小无关，通常单晶硅太阳电池的开路电压约为450-600mV，最高可达690mV 。 太阳电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。 4. 短路电流 在一定的温度和辐照条件下，光伏发电器在端电压为零时的输出电流，通常用Isc来表示。Isc与太阳电池的面积大小有关，面积越大， Isc越大。一般1cm2的太阳电池Isc值约为1630mA。Isc与入射光的辐照度成正比。Isc随温度

5、上升略有增加。5MPPT工作原理 MPPT本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流和功率，比较它们之间的变化关系，决定当前工作点与峰值点的位置关系，然后控制电流（或电压）向当前工作点与峰值功率点移动，最后控制电流（或电压）在峰值功率点附近一定范围内来回摆动。 图 不同光照强度下的光伏电池最大功率点 5.1. 最佳工作电压 太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电压。通常用Vm表示5.2 最佳工作电流 太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电流。通常用Im表示 8. 转换效率 受光照太阳电池的最大功率与入射到该太阳电池上的全部辐射功率的百分比。 = Vm Im / Pin 其中Vm和Im分别

6、为最大输出功率点的电压和电流， Pin为太阳光输入功率。 年份 效率（%）光伏电池199520002010单晶硅151822多晶硅141620聚光电池222530非晶硅791014薄膜硅8101215CIS791214CdTe791215表43 光伏电池组件的效率 9. 填充因子(曲线因子) 太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比，通常用FF(或CF)表示： FF = ImVm/ IscVoc IscVoc是太阳电池的极限输出功率 ImVm是太阳电池的最大输出功率 填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数。 10. 电流温度系数 在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化10C ，

7、太阳电池短路电流的变化值，通常用表示。 对于一般晶体硅电池 =+0.1%/0C 11. 电压温度系数 在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化10C ，太阳电池开路电压的变化值，通常用表示。 对于一般晶体硅电池 =-0.38%/0C 1. 按照基体材料分类： 晶硅太阳电池，包括：单晶硅和多晶硅太阳电池 非晶硅太阳电池 薄膜太阳电池 化合物太阳电池，包括：砷化镓电池；硫化镉电池；碲化镉电池；硒铟铜电池等 有机半导体太阳电池 1.太阳能电池阵列2.逆变器3.用电设备4.进户计量仪表1. 太阳能光伏发电系统的结构（1）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

8、功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。如在我国的西北地区大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、家用电器等，用来解决无电地区家庭的基本照明和供电问题。 2. 光伏系统分类（2）简单直流系统（Simple DC） 该系统的特点是系统中负载为直流负载，而且负载的使用时间没有特别要求，负载主要在日间使用，系统中没有蓄电池，也不需要控制器。整个系统结构简单，直接使用太阳能电池阵列给负载供电，光伏发电的整体效率较高。如光伏水泵就使用了这种类型的光伏系统。 （3）大型太阳能供电系统（Large DC） 该系统的特点是系统中用电器也是直流负载，但负载功率比较大，整个系统的规模也比较大，需要配

9、备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村集中供电站，航标灯塔、路灯等领域。如在我国的西部地区部分乡村光伏电站使用了这种类型的光伏系统，中国移动和中国联通公司在偏僻无电地区的通信基站等。（4）交流、直流供电系统（AC/DC） 该系统的特点是系统中同时含有直流负载和交流负载，整个系统结构比较复杂，整个系统的规模也比较大，同样需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。如在一些同时具有交流和直流负载的通信基站或其他一些含有交流和直流负载的光伏电站中使用了这种类型的光伏系统。（5）并网系统（Utility Grid Connect） 这种系统的最大特点是太阳能电池阵列转换产生的直流电经过三相逆变器（DC/AC）转换成为符合公共电网要求的交流电并直接并入公共电网，供公共电网用电