第二章 光伏电池及其特性

1、第二章第二章 光伏电池及其特性光伏电池及其特性 n1. Principle of Solar Cells n2 .硅型光伏电池的电特性硅型光伏电池的电特性 n3.光伏电池的外特性光伏电池的外特性 n4. 光伏电池性能的检测光伏电池性能的检测 n5.光伏电池的结构和分类光伏电池的结构和分类 What are Semiconductors? n入门入门 n导电性导电性界界于导体与绝缘体之间于导体与绝缘体之间的材料的材料 n中阶中阶 n电阻系数电阻系数约为约为10-4 108 .cm的材料的材料 n进阶进阶 n能隙能隙约约在在 4eV以下之的材料以下之的材料 2.1 Principle of Sol

2、ar Cells photovoltaic cells n2.1.1半导体的基础知识半导体的基础知识 重要的半重要的半导体分类导体分类 nElement semiconductor（元素半导体） nCompound semiconductor（化合物半导体） nIntrinsic semiconductor（本征半导体）（本征半导体） nExtrinsic semiconductor（掺杂半导体）（掺杂半导体） nDirect semiconductor（直接半导体） nIndirect semiconductor（间接半导体） nDegenerate semiconductor（简并半导体）

3、 nNon-degenerate semiconductor（非简并半导体） nCompensated semiconductor（补偿半导体） nNon-compensated semiconductor（非补偿半导体） 能带理论（补充内容） E2 E3 E5 E4 E6 E7 E1 a a 2 a 3 a 3 a a 2 0 k E E k 曲线的表达图式曲线的表达图式 能带理论的基本要点 量子力学计算表明,固体中若有N个原子,由于各原 子间的相互作用,对应于原来孤立原子的每一个能 级,变成了N条靠得很近的能级,称为能带能带。 能带宽度E,量级为EeV，若 N1023, 两能级的间距约10

4、-23eV。 越是外层电子，E越大。 点阵间距越小，E越大。 两个能带有可能重叠。 Li原子电子构型是原子电子构型是1s22s1 2s 1s 能量 2s带半充满 （导带） 1s带全满 （满带） Li能带示意图 禁带 能带中的电子分布 l 满带：能带中所有能级（轨道）均有电子占 据，为由充满电子的原子轨道能级所形成的低 能量能带。 l 空带：能带中所有能级（轨道）均无电子占 据。 l 禁带：不允许有电子占据的能量范围。禁带 宽度（满带与空带的能量间隔）称为带隙。 能带中的电子分布 l 价带：依据轨道能量高低顺序填充电子时， 最后由价电子填充的（轨道）能带称为价带。 l 导带：部分被价电子（可自由

5、移动）占据的 能带可称为导带。导带可以是由未充满电子的 原子轨道组合而成的能带（价带），或（与满 带重叠或能量相近）空带。 导体、半导体和绝缘体 l 导体 价电子能带是半满的(如Li,Na)，或价电子能带是 全满但有空的能带(Be,Mg)，而且两个能带能量间 隔很小，彼此发生部分重叠。 Eg 导体、半导体和绝缘体 l 导体 金属钠金属镁 导体、半导体和绝缘体 l 绝缘体 价电子都在满带，导带是 空的，而且满带顶与导带 底之间的能量间隔（即禁 带宽度）大。 在外电场作用下，满带中 的电子不能越过禁带跃迁 到导带中，故不能导电。 Eg 禁带宽度5eV 导体、半导体和绝缘体 l 半导体 满带被电子充

6、满，导带是 空的，便禁带宽度很窄。 由于禁带宽度小，因此当 光照或在外电场作用下， 使满带上的电子，很容易 跃迁到导带上，使原来空 的导带充填电子，同时在 满带上留下空穴。 Eg 禁带宽度3eV （1）Intrinsic semiconductor n完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征本征 半导体半导体 (纯半导体纯半导体)。 硅（锗）的原子结构硅（锗）的原子结构 Si2 8 4 Ge2 8 18 4 简化模型简化模型 +4 惯性核惯性核 价电子价电子 本征半导体的原子结构和共价键本征半导体的原子结构和共价键 +4+4+4 +4+4+4 +4 +4

7、+4 共价键内的电子共价键内的电子 称为束缚电子称为束缚电子 价带价带 导带导带 挣脱原子核束缚的电子挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子称为自由电子 价带中留下的空位价带中留下的空位 称为空穴称为空穴 禁带禁带EG 外电场外电场E 自由电子定向移动自由电子定向移动 形成电子流形成电子流 束缚电子填补空穴的束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流定向移动形成空穴流 在半导体物理中，通常把这种形成共价键的价电子在半导体物理中，通常把这种形成共价键的价电子 所占据的能带称为价带，所占据的能带称为价带，而而 把价带上面邻近空带（自把价带上面邻近空带（自 由电子占据的能带）称为导带。由电子占据的能带）称为

8、导带。导带和价带之间为禁导带和价带之间为禁 带。带。 The Diamond Structure (a) Diamond lattice. (b) Zincblende lattice. 真实的原子分布（三维）真实的原子分布（三维） Covalence Bonds A tetrahedron bond (a) 3-D. (b) 2-D 共价键共共价键共 用电子对用电子对 +4+4表示除表示除 去价电子去价电子 后的原子后的原子 本征激发本征激发 Formation of intrinsic carriers n在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价 键

9、的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一 个空位（空穴）的过程。个空位（空穴）的过程。 复合：复合： 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成 对消失的过程。对消失的过程。 漂移：漂移： 自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。 结论结论: 1. 本征半导体的电子空穴成对出现本征半导体的电子空穴成对出现, 且数量少；且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关本征半导体导电能力弱，并与温度有关。

10、 本征激发的特点本征激发的特点 （2） Extrinsic Semiconductor 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使 半导体的导电性能发生显著变化。其原因是半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂掺杂 半导体半导体的的某种载流子浓度某种载流子浓度大大增加。大大增加。 Si P Si Si 硅原子硅原子 磷原子磷原子 多余电子多余电子 自由电子浓度大于空穴浓 度多数载流子（多子） N型半導體型半導體 + N型硅表示型硅表示 P-type Semiconductor (P型半导体) 空穴空穴 硼原子硼原子 P型硅表示型硅表示 Si SiSi B

11、 硅原子硅原子 空穴被认为带一个空穴被认为带一个 单位的正电荷，并单位的正电荷，并 且可以移动。且可以移动。 少了少了一个一个带带负电荷负电荷的电子的电子,可视为多可视为多 了了一个正电荷一个正电荷) N 型半导体和型半导体和 P型半导体型半导体 N型型 +5 +4+4+4 +4+4 磷原子磷原子 自由电子自由电子 电子数电子数 空穴数空穴数 电子为多数载流子电子为多数载流子( (多子多子) ) 空穴为少数载流子空穴为少数载流子( (少子少子) ) 载流子数载流子数 = = 电子数电子数 + + 空穴数空穴数 电子数电子数 P 型型 +3 +4+4+4 +4+4 硼硼原子原子 空穴空穴 空穴数

12、空穴数 电子数电子数 空穴空穴 多子多子 电子电子 少子少子 载流子数载流子数 空穴数空穴数 施主施主 离子离子 施主施主 原子原子 受主受主 离子离子 受主受主 原子原子 1.1.要形成水的循环，必须有要形成水的循环，必须有水水，同时还必须把水抽上同时还必须把水抽上 去去。而要形成电流，必须有。而要形成电流，必须有载流子（电子或者空位）载流子（电子或者空位） 的产生的产生，同时必须能让正负电荷分开。，同时必须能让正负电荷分开。 1.2 Principle of Solar Cells Principle of Solar Cells light negative electrode nega

13、tive doped silicon PN junction positive doped silicon positive electrode 思考：思考： 浓度差使浓度差使多子多子 产生产生扩散运动扩散运动 当参与扩散运动的多子数目和参与漂移运动的少当参与扩散运动的多子数目和参与漂移运动的少 子数目相同时，达到动态平衡，就形成了子数目相同时，达到动态平衡，就形成了PN结。结。 内电场使内电场使少子少子 产生产生漂移运动漂移运动 内电场 (1) 无光照时无光照时,PN结的形成结的形成 采用不同的掺杂工艺，将采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与型半导体与N型半导体制作型半导体制作 在同一硅片上，

14、在它们的交界面处就会形成在同一硅片上，在它们的交界面处就会形成PN结结 太阳电池发电原理示意图太阳电池发电原理示意图 (2) PN结受光照后，光伏效应结受光照后，光伏效应 半导体吸收光能产生带正半导体吸收光能产生带正 电和负电的粒子（空穴和电和负电的粒子（空穴和 电子），在内建电场作用电子），在内建电场作用 下，电子（）朝下，电子（）朝N N型半导型半导 体汇集，而空穴（）则体汇集，而空穴（）则 朝朝P P型半导体汇集。型半导体汇集。 如果外电路处于开路状如果外电路处于开路状 态，那么这些光生电子和态，那么这些光生电子和 空穴积累在空穴积累在pnpn结附近，使结附近，使p p 区获得附加正电荷

15、，区获得附加正电荷，n n区获区获 得附加负电荷，这样在得附加负电荷，这样在pnpn 结上产生一个光生电动势。结上产生一个光生电动势。 这一现象称为光伏效这一现象称为光伏效 (Photoelectric effect(Photoelectric effect） 电流方向电流方向 内建电场内建电场 是指是指在电池表面被反射回去在电池表面被反射回去 的一部分光线；的一部分光线； 是指刚进电池表面被吸收生是指刚进电池表面被吸收生 成电子成电子- -空穴对的光线，其中空穴对的光线，其中 大部分是吸收系数较大的短波大部分是吸收系数较大的短波 光线。它们来不及达到光线。它们来不及达到P-NP-N结结 就很

16、快地被复合还原。所以它就很快地被复合还原。所以它 们对产生光生电动势没有贡献；们对产生光生电动势没有贡献； 光伏电池的光照的详细情况光伏电池的光照的详细情况 上电极上电极 P-N结结 下电极下电极 N P 是指在是指在P-NP-N结附近被吸收结附近被吸收 生成电子生成电子- -空穴对的那部分空穴对的那部分 光线，它们是使太阳能电池光线，它们是使太阳能电池 能够有效发电的有用光线。能够有效发电的有用光线。 这些光生少数载流子在这些光生少数载流子在P-NP-N 结特有的漂移作用下产生光结特有的漂移作用下产生光 生电动势；生电动势； 是指辐射到电池片深处，距离是指辐射到电池片深处，距离P-NP-N结

17、较远的地方才被结较远的地方才被 吸收的光线，它们与光线吸收的光线，它们与光线的情况相同，虽能产生电的情况相同，虽能产生电 子子- -空穴对，在空穴对，在P-NP-N较远处被复合，只有极少部分能产较远处被复合，只有极少部分能产 生光生电动势生光生电动势； 上电极上电极 P-N结结 下电极下电极 N P 光伏电池的光照的详细情况光伏电池的光照的详细情况 是指被电池吸收，但是是指被电池吸收，但是 由于能量较小不能产生电由于能量较小不能产生电 子子- -空穴对的那部分光线，空穴对的那部分光线， 它们的能量只能使光伏电它们的能量只能使光伏电 池加热，温度上升；池加热，温度上升； 是指没有被电池吸收而是指

18、没有被电池吸收而 透射过去的少部分光线。透射过去的少部分光线。 上电极上电极 P-N结结 下电极下电极 N P 光伏电池的光照的详细情况光伏电池的光照的详细情况 由此可见，能够产由此可见，能够产 生光生电动势的主要是光线生光生电动势的主要是光线 。所以应该尽可能地增加。所以应该尽可能地增加 它们的比例数量，才能提高它们的比例数量，才能提高 光伏电池的光电转换效率。光伏电池的光电转换效率。 所谓所谓光电转换效率光电转换效率，是，是 指受光照的太阳能所产生的指受光照的太阳能所产生的 最大输出电功率与入射到该最大输出电功率与入射到该 电池受光几何面积上全部光电池受光几何面积上全部光 辐射功率的百分比

19、。辐射功率的百分比。 上电极上电极 P-N结结 下电极下电极 N P 光生载流子形成电流的过程光生载流子形成电流的过程 光伏电池的工作原理光伏电池的工作原理 电流方向电流方向 2 .2硅型光伏电池的电特性硅型光伏电池的电特性 n2.2.1 等效电路等效电路 n2.2.2 光伏电池伏安特性曲线光伏电池伏安特性曲线 n2.2.3 输出功率和输出因子输出功率和输出因子 n2.2.4 输出效率输出效率 2.2.1光伏电池的等效电路光伏电池的等效电路 Id light Id N P 一一 般般 等等 效效 电电 路路 图图 问题问题1：为什么可把光伏电池看成一个电流源和一个硅二极管的复合体为什么可把光伏

20、电池看成一个电流源和一个硅二极管的复合体? N P 内建电场内建电场 下电极下电极 上电极上电极 - + - + + - 2.2.载流子的汇聚载流子的汇聚会在PNPN结内产生结内产生 一个与一个与原内建电场原内建电场方向相反的附方向相反的附 加电场，在一定程度上降低了加电场，在一定程度上降低了原原 内建电场内建电场。相当与。相当与PNPN节的正向偏节的正向偏 置，多数载流子的扩散产生一个置，多数载流子的扩散产生一个 向下的暗电流。向下的暗电流。 电流 1.1.少数载流子的漂移产生电流；少数载流子的漂移产生电流； 1. 等效电路中符号的说明等效电路中符号的说明 光伏电池的等效电路图光伏电池的等效

21、电路图 1.Rs1.Rs为串联电阻为串联电阻 主要是由于主要是由于半导体半导体 材料的体电阻、金属材料的体电阻、金属 电极与半导体材料的电极与半导体材料的 接触电阻、扩散层横接触电阻、扩散层横 向电阻以及金属电极向电阻以及金属电极 本身的电阻本身的电阻。一般小一般小 于于1. 负载 loadPhotic adj.光的, 与光有关的 外接外接 负载负载 电阻电阻 暗暗 电电 流流 等效电路中符号的说明等效电路中符号的说明 负载 loadPhotic adj.光的, 与光有关的 由于由于由于由于电池表面污染、电池表面污染、 半导体晶体缺陷引起的半导体晶体缺陷引起的 边缘漏电边缘漏电，使一部分本，使

22、一部分本 应通过负载的电流短路，应通过负载的电流短路， 这种作用的大小可用一这种作用的大小可用一 并联电阻并联电阻R RSh Sh来等效， 来等效， 一般为几千欧一般为几千欧。漏电流。漏电流 越小，并联电阻也就越越小，并联电阻也就越 大。大。光伏电池的等效电路图光伏电池的等效电路图 外外 接接 负负 载载 电电 阻阻 旁旁 路路 电电 阻阻 暗暗 电电 流流 2. R2. Rsh sh为旁路电阻。 为旁路电阻。 光伏电池的等效电路图光伏电池的等效电路图 L 2.实际等效电路实际等效电路中各变量之间的关系中各变量之间的关系 0 (1)exp1 dd IIqUAkT (2) L d phd sh

23、U III R 0 exp1 LS d ph sh q UI RU II AkTR 式中式中 I0反向饱和电流反向饱和电流； U 等效二极管的端电压；等效二极管的端电压； q电子电量；电子电量； T绝对温度；绝对温度；A二极管曲线因子，二极管曲线因子， 取值在取值在12之间，有的地方用之间，有的地方用n表示。表示。 光伏电池的等效电路图光伏电池的等效电路图 L 实际等效电路实际等效电路中各变量之间的关系中各变量之间的关系 0 (2)exp1 L LS d ph sh q UI RU III AkTR 显然，太阳电池的串联电阻显然，太阳电池的串联电阻Rs越小，越小， 旁路电阻旁路电阻Rsh越大，

24、越接近于理想的太越大，越接近于理想的太 阳电池，该太阳电池的性能也越好。阳电池，该太阳电池的性能也越好。 目前的太阳电池制造工艺水平，在要求不很严格时，目前的太阳电池制造工艺水平，在要求不很严格时， 可以认为可以认为串联电阻接近于零串联电阻接近于零，旁路电阻趋近于无穷旁路电阻趋近于无穷 大大，也就也就可当做理想的太阳电池可当做理想的太阳电池看待。看待。 理想太阳能电池理想太阳能电池的等效电路图以及变量关系的等效电路图以及变量关系 由于电路中无电源，电压由于电路中无电源，电压U=IRU=IR 实际加在太阳电池的结上，即实际加在太阳电池的结上，即 结处于正向偏置。一旦结处于结处于正向偏置。一旦结处

25、于 正 向 偏 置 时 ， 二 极 管 电 流正 向 偏 置 时 ， 二 极 管 电 流 I Id d=I=I0 0exp(qU/AkT)-1exp(qU/AkT)-1朝着与朝着与 光激发产生的载流子形成的光光激发产生的载流子形成的光 电 流电 流 I I p hp h 相 反 的 方 向 流 动 。相 反 的 方 向 流 动 。 0 exp1 phdph IIIIIqU AkT (1) (1) 因而因而流流 过负载电阻过负载电阻 的电流值的电流值为为 -(1)-(1)式式 测试输出特性测试输出特性 P N 作业一作业一 n1. 阐述阐述PN结的形成过程，并画出示意图。结的形成过程，并画出示意

26、图。 n2.结合示意图，阐述晶体硅太阳能电池的工结合示意图，阐述晶体硅太阳能电池的工 作原理，要求画出光照时载流子的运动和电作原理，要求画出光照时载流子的运动和电 流方向。流方向。 PN结正向偏置结正向偏置 内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强， 扩散扩散 飘移，形成正向电流，飘移，形成正向电流， PN结导通结导通 正向电流 PN结反向偏置结反向偏置 内电场增强，抑制扩散、加剧漂内电场增强，抑制扩散、加剧漂 移，移，形成反向电流，也称漂移电形成反向电流，也称漂移电 流，因为漂移电流是由少子运动流，因为漂移电流是由少子运动 引起的，而其数目极少，因此漂引起的，而其数目极少，因此漂 移电

27、流很小，常可忽略不计，认移电流很小，常可忽略不计，认 为为PN结处于截止状态。结处于截止状态。 反向饱和电流反向饱和电流 很小，很小， A级级 反向饱和电流反向饱和电流 n是指给是指给PNPN结加一结加一反偏电压时反偏电压时，外加的电压使得，外加的电压使得PNPN结的耗结的耗 尽层变宽，结电场（即内建电场）变大，电子的电势能尽层变宽，结电场（即内建电场）变大，电子的电势能 增加，增加，P P区和区和N N区的区的多数载流子多数载流子（P P区多子为空穴，区多子为空穴，N N区多区多 子为电子）子为电子）就很难越过势垒就很难越过势垒，因此，因此扩散电流趋近于零扩散电流趋近于零； n但是由于结电场

28、的增加，使得但是由于结电场的增加，使得N N区和区和P P区中的区中的少数载流子少数载流子 更容易产生漂移运动更容易产生漂移运动，因此在这种情况下，因此在这种情况下，PNPN结内的电结内的电 流由起支配作用的流由起支配作用的漂移电流决定漂移电流决定。漂移电流的方向与扩。漂移电流的方向与扩 散电流的方向相反，表现在外电路上有一个流入散电流的方向相反，表现在外电路上有一个流入N N区的区的 反向电流，它是由少数载流子的漂移运动形成的。反向电流，它是由少数载流子的漂移运动形成的。由于由于 少数载流子是由少数载流子是由本征激发本征激发而产生而产生的，在温度一定的情况的，在温度一定的情况 下，热激发产生

29、的少子数量是一定的，电流趋于恒定。下，热激发产生的少子数量是一定的，电流趋于恒定。 2.2.2 光伏电池的光伏电池的伏安特性曲线伏安特性曲线 太阳能电池的主要技术参数太阳能电池的主要技术参数 由上式可知，当负载由上式可知，当负载R R从从0 0变到无变到无 穷大时，穷大时，负载负载R R两端的电压两端的电压U U和和流流 过电流过电流I I 之间的关系曲线，即为之间的关系曲线，即为 太阳电池的负载特性曲线，太阳电池的负载特性曲线，通常通常 称为称为太阳电池的伏安特性曲线太阳电池的伏安特性曲线， 以前习惯称为以前习惯称为I-VI-V特性曲线。特性曲线。 0 exp1 S S ph sh q UI

30、RUIR II AkTR phdsh IIII 流过负载的电流为流过负载的电流为 (1) 伏安特性曲线的表示方法：伏安特性曲线的表示方法： N P 内建电场内建电场 下电极下电极 上电极上电极 - + - + + - 电流 从上图可以看出：从上图可以看出： 光照时，光照时，光伏电池光伏电池 的电流方向的电流方向与与PNPN节反节反 向电流向电流相同。相同。 a)伏安特性曲线的一种表示方法伏安特性曲线的一种表示方法 附：附： 半导体二极管伏安特性半导体二极管伏安特性 mV26常温下 ) 1e ( T S T U Ii U u 材料开启 电压 导通 电压 反向饱 和电流 硅Si0.5V0.50.8

31、 V 1A以下 锗Ge0.1V0.10.3 V 几十A b. 光伏电池伏安特性曲线光伏电池伏安特性曲线通常把电流取为正值通常把电流取为正值 伏安特性曲线的伏安特性曲线的另外一种表示方法另外一种表示方法 硅太阳能电池在不同光照下的伏安特性曲线硅太阳能电池在不同光照下的伏安特性曲线 伏安特性曲线的伏安特性曲线的测量过程测量过程 L （1 1）调节负载电阻）调节负载电阻R RL L， ，足够 足够 小，测短路电流小，测短路电流sc sc ( (short circuit currentshort circuit current).). (2) (2)调节负载电阻调节负载电阻R RL L， ，足够大，

32、 足够大， 测开路电压（测开路电压（open open circuitcircuit voltagevoltage）。）。 （3 3）不断调节负载电阻）不断调节负载电阻R RL L， ， 把光伏电池的输出电压和把光伏电池的输出电压和 电流绘制下来就可以得到电流绘制下来就可以得到 伏安特性曲线。伏安特性曲线。 实际上，通常并不是通过计算，而是通过实验测试的方法来得到。实际上，通常并不是通过计算，而是通过实验测试的方法来得到。 对于一般的太阳电池对于一般的太阳电池，可近似认为可近似认为 接近于理想的太阳电池接近于理想的太阳电池，即太阳电，即太阳电 池的串联电阻值为零，旁路电阻为池的串联电阻值为零，

33、旁路电阻为 无穷大。无穷大。 下面，考察下面，考察理想太阳能电池的开路电理想太阳能电池的开路电 压压和和短路电流短路电流。 (2)开路电压开路电压 理想情况下理想情况下, , 流入负载电阻的电流值为流入负载电阻的电流值为 0 exp1 phd phD III IIqUnkT 由由=0=0（开路），则（开路），则 I I0 0为为PNPN结的反向饱和电流结的反向饱和电流 当开路时，当开路时，I=0，此时电压，此时电压U 即为开路电压即为开路电压Uoc 00 ln(1)ln phph oc II AkTAkT U qIqI 太阳电池的开路电压太阳电池的开路电压Uoc与电池面积大小无关，一般单晶硅太

34、与电池面积大小无关，一般单晶硅太 阳电池的开路电压约为阳电池的开路电压约为450600mV，最高可达，最高可达700mV左右。左右。 n对于晶体硅太阳能电池，必须要有对于晶体硅太阳能电池，必须要有p-np-n结的存在，而这个结的存在，而这个p-np-n结的结的 存在才能在光照下引起开路电势。开路电势反应了存在才能在光照下引起开路电势。开路电势反应了p-np-n结电场的强结电场的强 度。当度。当n n型硅和型硅和p p型硅接触时，由于型硅接触时，由于n n型硅的费米能级偏负，而型硅的费米能级偏负，而p p型型 硅的能级偏正，我们知道，任何两种材料接触在一起后，由于晶硅的能级偏正，我们知道，任何两

35、种材料接触在一起后，由于晶 体界面电子空穴的相互扩散，平衡后会达到统一费米能级，所以体界面电子空穴的相互扩散，平衡后会达到统一费米能级，所以 当当p-np-n结形成后，结形成后，n n型费米能级正移，型费米能级正移，p p型费米能级负移，最终达到型费米能级负移，最终达到 统一能级，这时候由于统一能级，这时候由于n n型费米正移，就会拉动型费米正移，就会拉动n n型材料体相导带型材料体相导带 正移，而晶体界面处由于存在电子空穴交换不会移动，所以导带正移，而晶体界面处由于存在电子空穴交换不会移动，所以导带 形成上弯型，同样原理形成上弯型，同样原理p p型导带会最终下弯。当体系收到光照时，型导带会最

36、终下弯。当体系收到光照时， 光生伏打效应产生，电子转移到光生伏打效应产生，电子转移到n n型材料上，空穴转移到型材料上，空穴转移到p p型材料型材料 上，由于电子空穴的不平衡，上，由于电子空穴的不平衡，n n型导带负移，型导带负移，p p型导带正移，它俩型导带正移，它俩 拉开的电位差就为开路电势。所以，当材料的禁带宽度越宽，拉开的电位差就为开路电势。所以，当材料的禁带宽度越宽，pnpn 材料达到共同费米能级时移动空间必然越大，这样当有光照时，材料达到共同费米能级时移动空间必然越大，这样当有光照时， 从新拉开的电位空间就越大，自然开路电势越大。从新拉开的电位空间就越大，自然开路电势越大。 或许你

37、要问，比如单晶的或许你要问，比如单晶的TiO2TiO2没有没有pnpn结的存在，但是将其电极置结的存在，但是将其电极置 于电解液中，开光照射依然有开路电势，其实道理很简单，因为于电解液中，开光照射依然有开路电势，其实道理很简单，因为 电解液有氧化还原电位，这个氧化还原电位将于电解液有氧化还原电位，这个氧化还原电位将于TiO2TiO2的费米能级的费米能级 按同样的原理组成液结。按同样的原理组成液结。 又又ph ph SC SC，则 ，则 0 ln1 ph oc I AkT U qI 0 ln1 ocsc nkT UII q 开路电压开路电压 开路电压开路电压 1ln 0 II q nkT V s

38、coc 在可以忽略串联、并联电阻的影响时，在可以忽略串联、并联电阻的影响时，I ISC SC为与入射 为与入射 光强度成正比的值，光强度成正比的值， (a) (a) 在很弱的阳光下，在很弱的阳光下，I ISC SCI 0 0， 0 ln I I q nkT V sc oc 由此可见，由此可见，在阳光较弱时在阳光较弱时，硅太阳电池的开路电压随光的强，硅太阳电池的开路电压随光的强 度作近似直线的变化。度作近似直线的变化。 而而当有较强的阳光时当有较强的阳光时，V VOC OC则与入射光的强度的对数成正比。 则与入射光的强度的对数成正比。 图图2 2 开路电压与短路开路电压与短路 电流的关系电流的关

39、系 图图2 2表示具有代表性的硅和表示具有代表性的硅和GaAsGaAs太阳太阳 电池的电池的I ISC SC与 与V Voc oc之间的关系。 之间的关系。 SiSi与与GaAsGaAs比较，因比较，因GaAsGaAs的禁带宽度的禁带宽度 宽，故宽，故I I0 0值比值比SiSi的小几个数量级，的小几个数量级， GaAsGaAs的的V VOC OC值比 值比SiSi的高的高0.450.45伏左右。伏左右。 假如结形成的很好，禁带宽度愈宽假如结形成的很好，禁带宽度愈宽 的半导体，的半导体，V VOC OC也愈大。 也愈大。 (1) 反向电流是反向电流是少子的漂移电流少子的漂移电流决决 定，对不同

40、的半导体材料，在一定定，对不同的半导体材料，在一定 温度下，禁带宽度温度下，禁带宽度Eg愈大，本征载愈大，本征载 流子浓度执就愈小。流子浓度执就愈小。 二极管二极管PN结结 的反向饱和电流密度与其成比例。的反向饱和电流密度与其成比例。 1ln 0 II q nkT V scoc I I0 0为为PNPN结的反向饱和电流结的反向饱和电流 太阳电池的短路电流太阳电池的短路电流Isc与太阳与太阳 电池的面积大小有关，面积越大，电池的面积大小有关，面积越大， Isc越大，一般越大，一般1cm2的单晶硅太阳电的单晶硅太阳电 池池Isc=1630mA。 /() 0 (1) qUAkT phDph IIII

41、Ie (3) 短路电流短路电流 当当RL=0时，电路短路，时，电路短路，此时此时太太 阳电池的阳电池的端电压为零端电压为零，对应的，对应的 电流就是短路电流，电流就是短路电流，通常用通常用Isc 来表示。来表示。由下式可知：由下式可知： 当当U=0时，时，Isc=Iph （4）曲线因子）曲线因子 又称填充因子又称填充因子 填充因子填充因子是表征太阳电池性能是表征太阳电池性能 优劣的一个重要参数优劣的一个重要参数，定义为定义为 太阳电池的最大功率太阳电池的最大功率与与开路电开路电 压和短路电流的乘积压和短路电流的乘积之比之比，通，通 常用常用FF(或或CF)表示：表示： scoc mm scoc

42、 m IV IV IV P FF M M 处为最大功率点处为最大功率点 FFFF为太阳电池的重要表征参数，为太阳电池的重要表征参数，FFFF愈大则输出的功愈大则输出的功 率愈高。率愈高。FFFF取决于入射光强、材料的禁带宽度、理取决于入射光强、材料的禁带宽度、理 想系数、串联电阻和并联电阻等。想系数、串联电阻和并联电阻等。 (5) 最大功率点最大功率点 伏安特性曲线伏安特性曲线 在一定的太阳辐照度和工在一定的太阳辐照度和工 作温度的条件下，作温度的条件下，伏安特伏安特 性曲线上的任何一点都是性曲线上的任何一点都是 工作点工作点， 工作点所对应的纵横坐标，即为工作电流和工作电工作点所对应的纵横坐

43、标，即为工作电流和工作电 压压, ,其乘积其乘积P=IU P=IU 为电池的输出功率。为电池的输出功率。 工 作 点 负载线负载线 最大功率如何确定呢？最大功率如何确定呢？ 工作点和原点的工作点和原点的 连线称为负载线连线称为负载线，负载线负载线 斜率的倒数即为负载电阻斜率的倒数即为负载电阻 RL的值的值； U （1）等功率线等功率线与与伏伏 安特性曲线的切点安特性曲线的切点， 即为最佳工作点即为最佳工作点。 该点处输出功率最该点处输出功率最 大，大，Um/Im 为最佳为最佳 负载电阻负载电阻 . 确定最大输出功率点的方法确定最大输出功率点的方法 确定最大输出功率点的方法确定最大输出功率点的方

44、法 （2）为了精确计算）为了精确计算 最大功率点，可根最大功率点，可根 据伏安特性曲线绘据伏安特性曲线绘 出功率随电压的变出功率随电压的变 化关系图化关系图,即即P-u图，图， 求极值即可。求极值即可。 通常通常太阳电池所标明的功率太阳电池所标明的功率，是指在标准工作，是指在标准工作 条件下最大功率点所对应的功率。条件下最大功率点所对应的功率。 实际工作时，实际工作时，往往并往往并不是在标准测试条件下不是在标准测试条件下 工作工作，而且一般也，而且一般也不一定符合最佳负载不一定符合最佳负载的条的条 件，再加上一天中太阳辐照度和温度也在不件，再加上一天中太阳辐照度和温度也在不 断变化，所以真正能

45、够达到额定输出功率的断变化，所以真正能够达到额定输出功率的 时间很少。时间很少。 有些光伏系统有些光伏系统采用采用“最大功率跟踪器最大功率跟踪器”，可，可 在一定程度上增加输出的电能。在一定程度上增加输出的电能。 %100 in m P P (6) 太阳电池的转换效率太阳电池的转换效率 n太阳电池的转换效率太阳电池的转换效率定义为太阳电池定义为太阳电池 的最大输出功率与的最大输出功率与照射到该电池上的总照射到该电池上的总 辐射功率辐射功率P Pin in之比，即 之比，即 研究表明，造成太阳能电池能量损失的主要研究表明，造成太阳能电池能量损失的主要 因素有：因素有： 第一位的损失是热损失，第一

46、位的损失是热损失，光生载流子对光生载流子对 能能 很快地将能带多余的能量以热的形式损失掉。很快地将能带多余的能量以热的形式损失掉。 为减少热损失，可设法让通过电池的光子能为减少热损失，可设法让通过电池的光子能 量恰好大于带隙能量，使光子的能量激发出量恰好大于带隙能量，使光子的能量激发出 的光生载流子无多余的能量可损失。的光生载流子无多余的能量可损失。 n另一主要损失是电子空穴对引起的。为减少另一主要损失是电子空穴对引起的。为减少 电子空穴结合所造成的损失，可设法延长光生电子空穴结合所造成的损失，可设法延长光生 载流子寿命，这可通过消除不必要的缺陷来实载流子寿命，这可通过消除不必要的缺陷来实 现

47、。现。 造成太阳能电池能量损失的主要因素有：造成太阳能电池能量损失的主要因素有： 还有一部分能量是由还有一部分能量是由p-np-n结和接触电压损失引结和接触电压损失引 起的。为减少起的。为减少p-np-n结的接触电压损失，可通过聚结的接触电压损失，可通过聚 焦太阳光以加大光子密度的方法来实现焦太阳光以加大光子密度的方法来实现。 2.3 光伏电池的外特性光伏电池的外特性 n2.3.1 光谱响应光谱响应 n2.3.2 温度特性和光照特性温度特性和光照特性 n2.3.3 负载特性负载特性 概述概述 n光伏电池工作光伏电池工作环境环境的多种外部因素，如的多种外部因素，如 光照强度光照强度、环境温度环境

48、温度、粒子辐射粒子辐射等都会等都会 对电池的性能指标带来影响，而且对电池的性能指标带来影响，而且温度温度 的影响的影响和和光照强度光照强度的影响还常常同时存的影响还常常同时存 在在. n为了保证光伏电池具有较高的工作效率为了保证光伏电池具有较高的工作效率 和较稳定的性能，其和较稳定的性能，其制造工艺制造工艺、组合安组合安 装装，以及在，以及在设计配套的控制系统设计配套的控制系统时，都时，都 要考虑改善光伏电池外特性的问题。要考虑改善光伏电池外特性的问题。 2.3.1 光谱响应光谱响应 太阳电池并不能太阳电池并不能 把任何一种光都同把任何一种光都同 样地转换成电，不样地转换成电，不 同同波长波长

49、的光转变为的光转变为 电的比例也不同，电的比例也不同， 这种特性称为光谱这种特性称为光谱 响应特性响应特性 光谱响应光谱响应 n分析光伏电池的光谱响应，通常是讨论它分析光伏电池的光谱响应，通常是讨论它 的的相对光谱响应相对光谱响应，其定义是，其定义是，当各种波长当各种波长 一定等量的辐射光子束人射到光伏电池上，一定等量的辐射光子束人射到光伏电池上， 所产生的短路电流与所产生的短路电流与其中其中最大最大短路电流短路电流相相 比较比较，按波长的分布求其比值变化曲线即，按波长的分布求其比值变化曲线即 为相对光谱响应。为相对光谱响应。 n而而绝对光谱响应绝对光谱响应指的是，当指的是，当各种各种波长的单

50、波长的单 位辐射光能位辐射光能或对应的光子人射到光伏电池或对应的光子人射到光伏电池 上，将产生不同的短路电流，按波长的分上，将产生不同的短路电流，按波长的分 布求出对应的布求出对应的短路电流短路电流变化曲线。变化曲线。 硅型光伏电池的硅型光伏电池的相应光谱响应曲线相应光谱响应曲线 n能够产生光生伏特能够产生光生伏特 效应的太阳辐射波效应的太阳辐射波 长范围一般在长范围一般在 0.41.2m。左右。左右 的范围内，不论是的范围内，不论是 波长小于波长小于0. 4m太太 阳光分量辐射，还阳光分量辐射，还 是波长大于是波长大于1.2m 的太阳光无法产生的太阳光无法产生 光电流。而硅型光光电流。而硅型

51、光 伏电池光谱响应最伏电池光谱响应最 大灵敏度在大灵敏度在 0.80.95m之间之间 硅型光伏电池的相应光谱响应曲线硅型光伏电池的相应光谱响应曲线 2.3.2 温度特性和光照特性温度特性和光照特性 2.3.2 温度特性和光照特性温度特性和光照特性 Pm=FFIscUoc 1. 温度的升高对硅电池的发电效率有不利影响温度的升高对硅电池的发电效率有不利影响。 2.光强越强，发光效果越好光强越强，发光效果越好 通过对书中图片的分析可以看到通过对书中图片的分析可以看到 2.2.光强越强，发光效果越好光强越强，发光效果越好 2.3.3 负载特性负载特性 （1）无偏压时光）无偏压时光 伏电池的伏安特性伏电

52、池的伏安特性 V R I 1I RV （2）有偏压和有电阻时的伏安特性）有偏压和有电阻时的伏安特性 b UE R I 1 b I RUE 理想光伏电池的等效电路图理想光伏电池的等效电路图 只有负载只有负载没有偏压时的电路图没有偏压时的电路图 P N UL 有负载和偏压时有负载和偏压时的电路图的电路图 P N UL Eb Lb L L UE R I 2.4 光伏电池性能的检测光伏电池性能的检测 n1.组装工艺质量检查组装工艺质量检查 n2.电性能测试电性能测试 1. 1. 组装工艺质量检查组装工艺质量检查 o普通检测是用目测检查和光学仪器检查，精密普通检测是用目测检查和光学仪器检查，精密 检测可

53、用红外线发射法、声发射法、红外显微镜检测可用红外线发射法、声发射法、红外显微镜 和全息照相技术等来检测焊接质量。和全息照相技术等来检测焊接质量。 o主要检查的内容包括主要检查的内容包括光伏电池板表面光伏电池板表面、串并联串并联 接点的焊接质量接点的焊接质量、封装板的胶接质量封装板的胶接质量等。等。 o它是保证光伏发电工程质量非常重要的环节，它是保证光伏发电工程质量非常重要的环节， 其质量标准分为其质量标准分为功能性功能性和和装饰性装饰性两类。功能性质两类。功能性质 量问题直接影响到光伏阵列的性能指标、可靠性量问题直接影响到光伏阵列的性能指标、可靠性 和寿命和寿命;而装饰性间题则影响不大。而装饰

54、性间题则影响不大。 2.电性能测试电性能测试 . . 电性能电性能测试光源测试光源的发展的发展 早期进行光伏电池或光伏阵列的电性能测试，所早期进行光伏电池或光伏阵列的电性能测试，所 用光源只是用光源只是理想天气条件下的自然光源理想天气条件下的自然光源。 它的它的优势是优势是：可使大面积的光伏阵列均匀受光，测量可使大面积的光伏阵列均匀受光，测量 结果真实可信，经济实用结果真实可信，经济实用; ; 缺点是：缺点是：好天可遇不可求好天可遇不可求，同时，同时自然光源的辐射强度自然光源的辐射强度 既不稳定也不可调既不稳定也不可调，做一条随光强连续变化特性曲线，做一条随光强连续变化特性曲线 的试验需要的周

55、期时间长。这些都对光伏电池的试验的试验需要的周期时间长。这些都对光伏电池的试验 条件带来很大的局限性。条件带来很大的局限性。 测试光源测试光源的发展的发展 n为此，人们从为此，人们从2020世纪世纪5 05 0年代末期年代末期开始逐渐尝试开始逐渐尝试 用各式各样的灯光来模拟太阳光做试验，其中包用各式各样的灯光来模拟太阳光做试验，其中包 括白炽灯、钨灯、水银弧灯和高压氛弧灯等。随括白炽灯、钨灯、水银弧灯和高压氛弧灯等。随 着科学的进步，各种着科学的进步，各种太阳模拟器太阳模拟器也应运而生。也应运而生。 n它们不但能模拟产生出与真实太阳类似的辐射它们不但能模拟产生出与真实太阳类似的辐射 光谱的光源。光谱的光源。 n 还能以平行光束的形式照射到