太阳能发电原理及应用讲座原理

第二章太阳电池工作原理

一.太阳电池分类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第一页，共四十七页。太阳电池种类第二页，共四十七页。硅太阳电池第三页，共四十七页。2.按照结构分类：同质结太阳电池

异质结太阳电池

肖特基结太阳电池

复合结太阳电池

液结太阳电池等第四页，共四十七页。3.按照用途分类：空间太阳电池地面太阳电池光敏传感器第五页，共四十七页。航天器上的光伏系统第六页，共四十七页。第七页，共四十七页。火星车第八页，共四十七页。4.按照工作方式分类：平板太阳电池聚光太阳电池第九页，共四十七页。聚光太阳电池第十页，共四十七页。二.硅太阳电池的工作原理

硅原子的外层电子壳层中有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。第十一页，共四十七页。硅原子示意图第十二页，共四十七页。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。第十三页，共四十七页。若将这两种半导体结合在一起，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，又称势垒电场。第十四页，共四十七页。p-n结内建电场第十五页，共四十七页。

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。第十六页，共四十七页。第十七页，共四十七页。第十八页，共四十七页。第十九页，共四十七页。太阳电池的极性

太阳电池一般制成p+/n型结构或n+/p型结构，其中第一个符号，即p+和n+表示太阳电池正面光照半导体材料的导电类型；第二个符号，即n和p表示太阳电池背面衬底半导体材料的导电类型。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。第二十页，共四十七页。三.太阳电池的结构第二十一页，共四十七页。四.太阳电池基本参数1.标准测试条件光源辐照度：1000W/m2；测试温度：25±20C；AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。第二十二页，共四十七页。AM1.5太阳光谱分布第二十三页，共四十七页。2.伏安(I-V)特性曲线受光照的太阳电池，在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。下图为某个太阳电池组件的(I-V)特性曲线示意图。第二十四页，共四十七页。不同辐照度下电池的I-V特性曲线第二十五页，共四十七页。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。

第二十六页，共四十七页。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16~30mA。Isc与入射光的辐照度成正比。Isc随温度上升略有增加。第二十七页，共四十七页。5.最大功率点在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的点，又称最佳工作点。6.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7.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表示第二十八页，共四十七页。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。

η=VmIm/Pin其中Vm和Im分别为最大输出功率点的电压和电流，Pin为太阳光输入功率。第二十九页，共四十七页。世界主要太阳电池新记录电池种类转换效率(%)研制单位备注单晶硅电池24.7±0.5澳大利亚新南威尔士大学4cm2面积GaAs多结电池34.7±1.7Spectrolab333倍聚光多晶硅电池20.3±0.5德国弗朗霍夫研究所1.002cm2面积InGaP/GaAs30.8±1.0日本能源公司4cm2面积非晶硅电池12.8±0.7美国USSC公司0.27cm2面积CIGS电池19.5±0.6美国可再生能源实验室0.41cm2面积CdTe电池16.5±0.5美国可再生能源实验室1.032cm2面积多晶硅薄膜电池16.6±0.4德国斯图加特大学4.017cm2面积纳米硅电池10.1±0.2日本钟渊公司2微米膜(玻璃衬底)氧化钛有机纳米电池11.0±0.5EPFL0.25cm2面积GaInP/GaAs/Ge37.3±1.9Spectrolab175倍聚光背接触聚光硅电池26.8±0.8美国SunPower公司96倍聚光第三十页，共四十七页。中国太阳电池实验室最高效率最高效率面积(cm2)单晶硅电池20.42×2多晶硅电池14.532×2GaAs电池20.11×1聚光硅电池172×2CdS/CuxS电池12几个mm2CuInSe2电池8.571×1CdTe电池73mm2多晶硅薄膜电池13.61×1非晶硅电池11.2(单结)8.66.2几个mm210×1030×30二氧化钛纳米有机电池101×1第三十一页，共四十七页。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。

第三十二页，共四十七页。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，太阳电池短路电流的变化值，通常用α表示。对于一般晶体硅电池

α=+0.1%/0C

第三十三页，共四十七页。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β表示。对于一般晶体硅电池

β=-0.38%/0C第三十四页，共四十七页。12.太阳电池等效电路(1)理想太阳电池等效电路：相当于一个电流为Iph的恒流电源与一只正向二极管并联。流过二极管的正向电流称为暗电流ID.流过负载的电流为I负载两端的电压为V第三十五页，共四十七页。理想的太阳电池等效电路

IphIDV

R

I第三十六页，共四十七页。(2)实际太阳电池等效电路：由于漏电流等产生的旁路电阻Rsh由于体电阻和电极的欧姆电阻产生的串联电阻Rs在Rsh两端的电压为：Vj=(V+IRS)因此流过旁路电阻Rsh的电流为：

ISh=(V+IRS)/Rsh流过负载的电流：

I=Iph–

ID–ISh

第三十七页，共四十七页。实际的太阳电池等效电路

Rs

IphID

RshIshV

R

I第三十八页，共四十七页。

暗电流ID是注入电流和复合电流之和，可以简化为单指数形式：

ID=Ioo{exp(qVj/A0kT)-1}其中：Ioo为太阳电池在无光照时的饱和电流；

A0为结构因子，它反映了p-n结的结构完整性对性能的影响；

K是玻尔兹曼恒量

第三十九页，共四十七页。因此得出:这就是光照情况下太阳电池的电流与电压的关系。画成图形，即为(I-V)特性曲线。第四十页，共四十七页。在理想情况下：Rsh

→∞，Rs→0由此得到：I=Iph–

ID=Iph–

Ioo{exp(qV/A0kT)-1}在负载短路时，即Vj=0(忽略串联电阻)，便得到短路电流，其值恰好与光电流相等

Isc=Iph第四十一页，共四十七页。因此得出：

I=Iph–

ID

=Isc–

Ioo{exp(qV/A0kT)-1}在负载R→∞时,输出电流→0,便得到开路电压Voc其值由下式确定：

第四十二页，共四十七页。五.提高晶体硅电池效率的方法1.紫光电池采用浅结(如μm),和密栅(如30条/cm),克服了“死层”,增加了电池的兰紫光响应,提高了电池的效率。2.背电场(BSF)电池在常规电池n+/p或p+/n的硅电池背面增加一层p+或n+层,即形成背电场,可以使电池性能提高,并且不受电阻率和一定范围内单晶片厚度变化的影响。

第四十三页，共四十七页。3.绒面电池采用选择性腐蚀溶液,使(100)硅片表面形成微小的金字塔型的小丘,小丘密度大约为108-109个/厘米2。依靠表面金字塔形的方锥结构,对光进行多次反射,不仅减少了反射损失,而且改变了光在硅中的前进方向,延长了光程,增加了光生载流子的产量；曲折的绒面又增加了p-n结面积,从而增加对光生载流子的收集率；并改善了电池的红光响应。第四十四页，共四十七页。4.聚光电池通过聚光器,使大面积聚光器上接收到的太阳光会聚一个比较小的范围内,形成“焦斑”或“焦带”。位于“焦斑”或“焦带”处的太阳电池可得到较多的光能,使每一片电池能输出更多的电能。需要配备一套包括：聚光器,散热器,跟踪器及机械传动机构等的聚光系统。第四十五页，共四十七页。采用250倍聚光的24KW太阳电池方阵第四十六页，共四十七页。内容梗概第二章太阳电池工作原理

一.太阳电池分类。晶硅太阳电池，包括：单晶硅和多晶硅太阳电池。硅原子的外层电子壳层中有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。生内建电场，又称势垒电场。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。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。太阳电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的点，又称最佳工作点。其中Vm和Im分别为最大输出功率点的电压和电流，Pin为太阳光输入功率。GaInP/