07光伏电池性能-1光伏电池原理

模块七光伏电池性能

光伏电池原理新能源系列课程——《光伏理化基础》光伏电池原理光伏电池性能表征光伏电池效率影响因素光伏电池原理（1）光伏电池的结构正电极铝背场负电极主栅线负电极子栅线光伏电池原理PN结（2）太阳电池的发电原理——光生伏特效应

当照射在PN结上的光子能量大于半导体禁带宽度Eg时，价带顶的电子会跃迁到导带底，在PN结内建电场的作用下，电子向N型半导体迁移，空穴向P

型半导体迁移，从而实现电子-空穴的分离，产生电动势。PNIph上电极下电极光生电动势U光伏电池原理（2）光生伏特效应光照射PN结光生电子空穴对P区的电子移向N区，N区的空穴移向P区光生电势差光生电流光伏电池原理分离的结果：

①光生电流IL

—电流的方向：N→P。②光生电动势V—P区为正，N区为负。③正向电流IF—正向电流的方向：P→N。光伏电池原理②光生电动势V—在N区边界将积累电子，在P区边界积累空穴，产生了一个与平衡PN结内建电场相反的光生电场，其方向相当于外接正向偏压，即P区接正，N区接负。若内建电场电势差为VD，光生电势为V，则空间电荷区的势垒高低降低e(VD-V)。

③正向电流IF—由于光照使得PN结两端形成的光生电动势也相当于在PN结两端加上了一个正向电压（P区接正，N区接负），因此有了正向电流IF；该正向电流的方向：P→N，与光生电流方向相反，会抵消部分PN结产生的光生电流使得提供给外电路的电流减小，所以又把正向电流称为暗电流。光伏电池原理光伏电池性能表征光伏电池性能表征光生电动势——P正N负，相当于在PN结上加上正向电压。光生电流IL——N→P正向电流IF——P→N太阳电池的模型PNIL上电极下电极光生电动势UIF在入射光的作用下，产生光生电压为U、光生电流为IL。在PN结两端通过负载RL构成的回路及等效电路为太阳电池的模型光伏电池性能表征在入射光的作用下，产生光生电压为U、光生电流为IL。在PN结两端通过负载RL构成的回路及等效电路为太阳电池的模型光伏电池性能表征①如果将PN结两端通过负载构成闭合回路时，就会有电流沿着由P经外电路到N的方向流动。只要辐射光不停止，这个电流就不会消失，PN结起到电源的作用。外电路的电流I为：光伏电池性能表征太阳电池的模型②在PN结开路的情况下，PN结两端建立了稳定的电势差Voc（open-circuitVoltage），这就是太阳能电池的开路电压，此时外电路电流I=0，因此光生电流和正向电流的关系是：光伏电池性能表征太阳电池的模型IL=IF③将PN结短路，此时外电路的电流为Isc（short-circuitcurrent），该电流称为短路光电流。如图所示，外电路短路外电路V=0，IF=0光伏电池性能表征太阳电池的模型测试温度：25±2℃大气质量：AM1.5光源辐照度：1000W/m2

；是标准测试太阳能电池的光线入射强度。光伏电池性能表征1.标准测试条件

有光照条件下，相当于一个电源，当电流最大时，电压为0；电压最大时，电流为0。如左图中曲线2所示，与V轴有交点，与I轴也有交点。1-无光照2-有光照2.伏安(I-V)特性曲线

无光照条件下，太阳能电池相当于普通的二极管。如左图曲线1所示，随着正向偏压的增大，电流增大。光伏电池性能表征在一定的温度和辐照条件下，太阳电池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。光伏电池性能表征3.短路电流

在一定的温度和辐照度条件下，太阳电池在空载(开路)情况下的端电压，通常用Voc来表示。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电池面积大小无关；

Voc随着辐照度增加先增大后趋于平缓；

Voc随着温度的增加则略有降低。

光伏电池性能表征4.开路电压辐照度开路电压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。最大功率用Pm表示。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。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表示光伏电池性能表征5.最大功率点6.最佳工作电压7.最佳工作电流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。

光伏电池性能表征8.填充因子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

或η=FF*Isc*Voc/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。光伏电池性能表征9.光电转换效率思考：Voc和Isc随辐射光强度的变化？

由图可知，短路电流和开路电压是太阳能光电池的重要参数，并随着光强度的增加而增加，如左图所示，随着光强度的增加，短路电流I呈线性增长，而开路电压V呈对数上升，并逐渐达到最大值。光伏电池性能表征Voc和Isc随光强度变化图光伏电池效率影响因素吸收限越靠近长波，说明材料的禁带宽度越小；材料与太阳光谱越匹配，半导体能吸收更多的能量，产生更多的电子-空穴对，因而光生电流和短路电流Isc增加。禁带宽度越小，载流子容易复合，反向饱和电流增加，从而降低Voc。光伏电池效率影响因素（1）禁带宽度的影响（2）

温度的影响温度升高，本征载流子浓度增加，载流子的复合也会加剧，从而导致暗饱和电流提高、开路电压Voc下降。光伏电池接受的能量提高，能产生更多载流子，因此Isc略微增大。思考：在我国西北地区夏季的早晨，为什么光伏电站容易出现电压过高呢？光伏电池效率影响因素本征载流子（3）

少子寿命和扩散长度的影响少数载流子寿命是影响太阳电池效率非常重要的因素，它的增加使得光照产生的非平衡载流子存在时间更长，扩散长度增大，载流子复合几率减小，暗饱和电流减小，有利于提高Voc、Isc、FF和h。光伏电池效率影响因素少子寿命测试仪（4）

寄生电阻的影响并联电阻是p-n结漏电流引起，包括绕过电池边缘的漏电流及由于结区存在晶体缺陷和外来杂质的沉淀物所引起的内部漏电。Rs=rm+rc1+rt+rb+rc2rm：上下金属电极的电阻；

rc1：金属栅线和前表面间的接触电阻；

rt：扩散层薄层的电阻

rb：基区的电阻；

rc2：下电极与半导体的接触电阻实际的太阳能电池存在着串联电阻Rs和并联电阻R