光伏电池的发电原理及热斑效应

1、光伏电池的发电原理及热斑效应光伏电池的发电原理及热斑效应 太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成电能转换成电能, , 能将光能转换成电能的能量转换器之一，就能将光能转换成电能的能量转换器之一，就是光伏电池。是光伏电池。 光伏电池的物理基础是由两种不同半导体材料构成的光伏电池的物理基础是由两种不同半导体材料构成的大面积大面积PNPN结，以及非平衡少数载流子在结，以及非平衡少数载流子在PNPN结内电场作用下结内电场作用下形成的漂移电流。形成的漂移电流。 一、光伏电池的基本原理一、光伏电池的基本原理 太阳光照射到由太阳光照射到由P P、N

2、N型两种不同半导体材料构成的太型两种不同半导体材料构成的太阳能电池上时，一部分光线被反射，一部分光线被吸收，阳能电池上时，一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。还有一部分光线透过电池片。 一、光伏电池的基本原理一、光伏电池的基本原理 一、光伏电池的基本原理一、光伏电池的基本原理 被吸收的光能激发被束缚的电子，产生被吸收的光能激发被束缚的电子，产生“电子电子- -空穴空穴”对，在对，在PNPN结内电场作用下，电子、空穴相互结内电场作用下，电子、空穴相互运动，若在电池两端接上负载，负载上就有电流流运动，若在电池两端接上负载，负载上就有电流流过。当光线一直照射时，负载上源源不

3、断地有电流过。当光线一直照射时，负载上源源不断地有电流流过。流过。单片太阳能电池就是一个薄片状的半导体单片太阳能电池就是一个薄片状的半导体PNPN结。结。标准光照条件下，额定输出电压为标准光照条件下，额定输出电压为0.5V0.5V左右。左右。 由一片单晶硅片构成的太阳能电池称为单体。单由一片单晶硅片构成的太阳能电池称为单体。单体电池的电压电流很小（体电池的电压电流很小（0.450.45 0.50V0.50V、2020 25mA/cm25mA/cm2 2) )，一般不能单独作电源使用，需将它们串、并联封装后，一般不能单独作电源使用，需将它们串、并联封装后，构成光伏电池组件构成光伏电池组件( (模

4、块模块Module)Module)使用，一个组件上光使用，一个组件上光伏电池的标准数量是伏电池的标准数量是3636 4040个个. . 当应用场合需要较高的电压和电流，可把多个组当应用场合需要较高的电压和电流，可把多个组件再经过串并联安装在支架上，构成了光伏电池阵列件再经过串并联安装在支架上，构成了光伏电池阵列（Array)Array)，满足负载所需的功率要求，满足负载所需的功率要求 一、光伏电池的基本原理一、光伏电池的基本原理一、光伏电池的基本原理一、光伏电池的基本原理 光谱响应光谱响应 太阳光谱中，不同波长的光不同的能量，所含的光太阳光谱中，不同波长的光不同的能量，所含的光子数目也不相同。

5、因此，光伏电池接受光照射所产生的子数目也不相同。因此，光伏电池接受光照射所产生的光子的数目也就不相同。光子的数目也就不相同。 光伏电池在入射光中每一种波长的光能作用下所收光伏电池在入射光中每一种波长的光能作用下所收集到的光电流，与相对于入射到电池表面的该波长的光集到的光电流，与相对于入射到电池表面的该波长的光子数之比，叫做光伏电池的光谱响应。子数之比，叫做光伏电池的光谱响应。 能够产生光生伏特效应的太阳能辐射波长范围一般能够产生光生伏特效应的太阳能辐射波长范围一般在在0.40.4 1.2um,1.2um,最大灵敏度在最大灵敏度在0.80.8 0.95um0.95um之间。之间。 二、组件输出功

6、率下降原因二、组件输出功率下降原因 组件功率衰减是指光伏组件随着时间的增长，组件输出组件功率衰减是指光伏组件随着时间的增长，组件输出功率逐渐下降的现象。功率逐渐下降的现象。 导致组件输出功率下降的原因有三大类：导致组件输出功率下降的原因有三大类： 第一类为组件的光致衰减第一类为组件的光致衰减 第二类为组件老化衰减第二类为组件老化衰减 第三类第三类为外界环境因素导致的破坏性影响，引起组件功为外界环境因素导致的破坏性影响，引起组件功率衰减甚至组件损坏。率衰减甚至组件损坏。二、组件输出功率下降原因二、组件输出功率下降原因初始光致衰减初始光致衰减 初始的光致衰减，即光伏组件的输出功率在刚开始使用初始的

7、光致衰减，即光伏组件的输出功率在刚开始使用的最初几天内发生较大幅度的下降，但随后趋于稳定。导致的最初几天内发生较大幅度的下降，但随后趋于稳定。导致这一现象发生的主要原因是这一现象发生的主要原因是P P型（掺硼）晶体硅片中的硼氧型（掺硼）晶体硅片中的硼氧复合体降低了少子寿命。复合体降低了少子寿命。 通过改变通过改变P P型掺杂剂，用稼代替硼能有效的减小光致衰型掺杂剂，用稼代替硼能有效的减小光致衰减；或者对电池片进行预光照处理，是电池的初始光致衰减减；或者对电池片进行预光照处理，是电池的初始光致衰减发生在组件制造之前，光伏组件的初始光致衰减就能控制在发生在组件制造之前，光伏组件的初始光致衰减就能控

8、制在一个很小的范围之内，同时也提高组件的输出稳定性。一个很小的范围之内，同时也提高组件的输出稳定性。 光致衰减更多的与电池片厂家有关，对于组件厂商的意光致衰减更多的与电池片厂家有关，对于组件厂商的意义在于选择高质量的电池片来降低光致衰减带来的影响。义在于选择高质量的电池片来降低光致衰减带来的影响。 二、组件输出功率下降原因二、组件输出功率下降原因老化衰减老化衰减 老化衰减是指在长期使用中出现的极缓慢的功率下降，老化衰减是指在长期使用中出现的极缓慢的功率下降，产生的主要原因与电池缓慢衰减有关，也与封装材料的性能产生的主要原因与电池缓慢衰减有关，也与封装材料的性能退化有关。其中紫外光的照射时导致组

9、件主材性能退化的主退化有关。其中紫外光的照射时导致组件主材性能退化的主要原因。紫外线的长期照射，使得要原因。紫外线的长期照射，使得EVAEVA及背板（及背板（TPETPE结构）发结构）发生老化黄变现象，导致组件透光率下降，进而引起功率下降。生老化黄变现象，导致组件透光率下降，进而引起功率下降。 二、组件输出功率下降原因二、组件输出功率下降原因外界环境因素导致的破坏性影响，引起组件功率衰减甚至损外界环境因素导致的破坏性影响，引起组件功率衰减甚至损坏。坏。 光伏电站在后期的使用过程中，因大部分电站的安装地光伏电站在后期的使用过程中，因大部分电站的安装地点都是在野外，因此会碰到各种各样的天气和环境条

10、件，其点都是在野外，因此会碰到各种各样的天气和环境条件，其中最容易导致组件功率下降的因素就是热斑效应。外界因素中最容易导致组件功率下降的因素就是热斑效应。外界因素导致的热斑效应主要是指太阳电池组件在阳光照射下，由于导致的热斑效应主要是指太阳电池组件在阳光照射下，由于部分组件受到乌云或者树叶等的遮挡无法工作，使的被遮盖部分组件受到乌云或者树叶等的遮挡无法工作，使的被遮盖的部分组件升温远远大于未被遮盖部分，致使温度过高出现的部分组件升温远远大于未被遮盖部分，致使温度过高出现烧坏的暗斑。烧坏的暗斑。三、热斑效应三、热斑效应 热斑效应：在一定条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳热斑效应：在一定条件下，一串

11、联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量，被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热产生的能量，被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热斑效应。斑效应。 电池片被完全遮挡（下称坏片），这个电池片就相当于电池片被完全遮挡（下称坏片），这个电池片就相当于一个一个PNPN结静态状态，此时结静态状态，此时P P极多空穴，极多空穴，N N极多电子，极多电子，PNPN结簿层结簿层有一个内在自建电场，有一个内在自建电场，P P侧带负电，侧带负电，N N侧带正电，对外保持电侧带正电，对外保持电中性，当该坏片接入电池组时

12、，其它电池正常发电，由于与中性，当该坏片接入电池组时，其它电池正常发电，由于与之相邻的电池片在工作故产生电压，此时加在这个坏片上的之相邻的电池片在工作故产生电压，此时加在这个坏片上的两端的电压有势差，即两端的电压有势差，即P P极电压高于极电压高于N N极电压极电压. .此时坏片作为此时坏片作为耗电部件存在，有耗电部件存在，有P P向向N N的正向电流导通，耗电发热，直到烧的正向电流导通，耗电发热，直到烧掉该电池，甚至整个串联电路停止供电，进而影响光伏供电掉该电池，甚至整个串联电路停止供电，进而影响光伏供电系统。系统。三、热斑效应三、热斑效应热斑效应的破坏力热斑效应的破坏力 热斑热斑效应能严重

13、的破坏太阳电池。有光照的太阳电池所效应能严重的破坏太阳电池。有光照的太阳电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。有光照的组有光照的组件所产生的部分能量或全部能量都可能被遮蔽的电池所消耗。件所产生的部分能量或全部能量都可能被遮蔽的电池所消耗。 热斑效应会使焊点融化，破坏封装材料热斑效应会使焊点融化，破坏封装材料( (如无旁路二极如无旁路二极管保护管保护) )，甚至会使整个方阵失效。，甚至会使整个方阵失效。三、热斑效应三、热斑效应被破坏的电池片被破坏的电池片三、热斑效应三、热斑效应组件热斑产生的原因组件热斑产生的原因 造成热斑效应的根源是有个别坏电

14、池的混入、电极焊片造成热斑效应的根源是有个别坏电池的混入、电极焊片虚焊、电池由裂纹演变为破碎、个别电池特性变坏、电池局虚焊、电池由裂纹演变为破碎、个别电池特性变坏、电池局部受到阴影遮挡等。由于局部阴影的存在，太阳电池组件中部受到阴影遮挡等。由于局部阴影的存在，太阳电池组件中某些电池单片的电流、电压发生了变化。其结果使太阳电池某些电池单片的电流、电压发生了变化。其结果使太阳电池组件局部电流与电压之积增大，从而在这些电池组件上产生组件局部电流与电压之积增大，从而在这些电池组件上产生了局部温升。了局部温升。三、热斑效应三、热斑效应解决热斑效应的方法解决热斑效应的方法 解决热斑效应问题的通常做法，是在

15、组件上加装旁路二极管。通常解决热斑效应问题的通常做法，是在组件上加装旁路二极管。通常情况情况 下，旁路二极管处于反偏压，不影响组件正常工作。当一个电池下，旁路二极管处于反偏压，不影响组件正常工作。当一个电池被遮挡时，其他电池促其反偏成为大电阻，此时二极管导通，总电池中被遮挡时，其他电池促其反偏成为大电阻，此时二极管导通，总电池中超过被遮电池光生电超过被遮电池光生电 流的部分被二极管分流，从而避免被遮电池过热流的部分被二极管分流，从而避免被遮电池过热损坏。光伏组件中一般不会给损坏。光伏组件中一般不会给 每个电池配一个旁路二极管，而是若干每个电池配一个旁路二极管，而是若干个电池为一组配一个。此时被

16、遮挡电池个电池为一组配一个。此时被遮挡电池 只影响其所在电池组的发电能只影响其所在电池组的发电能力。力。三、热斑效应三、热斑效应旁路二极管的工作原理旁路二极管的工作原理 由于旁路二极管反向电阻无穷大，阻止电流通过二极管由于旁路二极管反向电阻无穷大，阻止电流通过二极管与坏片组成的内部电路（除漏电流外，无反向电流通过坏与坏片组成的内部电路（除漏电流外，无反向电流通过坏片），又由于二极管的正向导电性能，使坏片相邻的两片电片），又由于二极管的正向导电性能，使坏片相邻的两片电池通过二极管正向导通，仍形成完整电池供电电路。池通过二极管正向导通，仍形成完整电池供电电路。三、热斑效应三、热斑效应二极管的导电特

17、性二极管的导电特性 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流从二极管二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流从二极管的正极流入，负极流出。的正极流入，负极流出。 A A、正向特性、正向特性 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。当加在二极管两端的二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到

18、某一数值（这一数值称为弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压门槛电压”,”,锗管锗管约为约为0.2V0.2V，硅管约为，硅管约为0.6V0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V0.3V，硅管约为，硅管约为0.7V0.7V），称为二），称为二极管的极管的“正向压降正向压降”。三、热斑效应三、热斑效应B B、反向特性、反向特性 在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过

19、，此时二极管处高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。极管的击穿。 综述，二极管加正向偏置电压，处于导通状态，加反向综述，二极管加正向偏置电压，处于导通状态，加

20、反向电压处于截至状态，二极管具有单向导电性电压处于截至状态，二极管具有单向导电性。 四、热斑耐久实验四、热斑耐久实验 热斑耐久试验：确定太阳电池组件承受热斑加热能力热斑耐久试验：确定太阳电池组件承受热斑加热能力的检测试验叫的检测试验叫“热斑耐久试验热斑耐久试验”。 热斑耐久试验的目的是确定组件承受热斑加热效应的热斑耐久试验的目的是确定组件承受热斑加热效应的能力，如这种效应可能导致焊接熔化或封装退化。电池不能力，如这种效应可能导致焊接熔化或封装退化。电池不匹配或裂纹、内部连接失效、局部被遮光或弄脏均会引起匹配或裂纹、内部连接失效、局部被遮光或弄脏均会引起这种缺陷。这种缺陷。 热斑耐久试验过程需严

21、格遵循国际标准热斑耐久试验过程需严格遵循国际标准IEC 61215-IEC 61215-2005.2005.四、热斑耐久实验四、热斑耐久实验1. 1. 装置装置 (1) (1)辐照源辐照源1 1，稳态太阳模拟器或自然光，辐照度不低于，稳态太阳模拟器或自然光，辐照度不低于700W/700W/，不均匀度不超过，不均匀度不超过2%2%，瞬时不稳定度在，瞬时不稳定度在5%5%以内。以内。 (2) (2)辐照源辐照源2 2，C C类类( (或更好或更好) )的稳态太阳模拟器或自然光，的稳态太阳模拟器或自然光，其辐照度为其辐照度为1000W/1000W/10%10%。 (3) (3)太阳电池组件太阳电池组

22、件I-VI-V曲线测试仪。曲线测试仪。 (4)(4)一组对试验太阳电池组件遮光增量为一组对试验太阳电池组件遮光增量为5%5%的不透明盖的不透明盖板。板。 (5)(5)一个适当的温度探测器。一个适当的温度探测器。四、热斑耐久实验四、热斑耐久实验 2. 2. 程序程序 在太阳电池组件试验前应安装厂商推荐的热斑保护装在太阳电池组件试验前应安装厂商推荐的热斑保护装置。置。 (1) (1)将不遮光的组件在辐照源将不遮光的组件在辐照源1 1下照射，测试其下照射，测试其I-VI-V特特性和最大功率点。性和最大功率点。 (2) (2)使组件短路，组件在稳定的辐照源使组件短路，组件在稳定的辐照源1 1照射下，用

23、适照射下，用适当的温度探测器测定最热的电池单片。当的温度探测器测定最热的电池单片。 (3) (3)完全挡住选定的电池单片，用辐照源完全挡住选定的电池单片，用辐照源2 2照射组件。照射组件。在此过程中组件的温度应该在在此过程中组件的温度应该在50501010。 (4) (4)保持此状态经过保持此状态经过5 5小时的曝晒。小时的曝晒。 (5) (5)再次测定组件的再次测定组件的I-VI-V特性和最大功率点。特性和最大功率点。四、热斑耐久实验四、热斑耐久实验 3.3.要求要求 (1) (1)太阳电池组件无严重外观缺陷；太阳电池组件无严重外观缺陷； (2) (2)太阳电池组件最大输出功率的衰减不超过试

24、验前太阳电池组件最大输出功率的衰减不超过试验前测试值的测试值的5%5%； 由试验过程得知，热斑耐久试验的最终目的是对太阳由试验过程得知，热斑耐久试验的最终目的是对太阳电池组件厂商的产品质量有严格要求，而试验过程也对试电池组件厂商的产品质量有严格要求，而试验过程也对试验装置有准确的规定。验装置有准确的规定。四、热斑耐久实验四、热斑耐久实验 3.3.要求要求 (1) (1)太阳电池组件无严重外观缺陷；太阳电池组件无严重外观缺陷； (2) (2)太阳电池组件最大输出功率的衰减不超过试验前太阳电池组件最大输出功率的衰减不超过试验前测试值的测试值的5%5%； 由试验过程得知，热斑耐久试验的最终目的是对太

25、阳由试验过程得知，热斑耐久试验的最终目的是对太阳电池组件厂商的产品质量有严格要求，而试验过程也对试电池组件厂商的产品质量有严格要求，而试验过程也对试验装置有准确的规定。验装置有准确的规定。五、光伏组件的维护五、光伏组件的维护1 1、光伏组件表面应保持清洁，清洗光伏组件时应注意：、光伏组件表面应保持清洁，清洗光伏组件时应注意： 1 1）应使用干燥或潮湿的柔软洁净的布料擦拭光伏组件）应使用干燥或潮湿的柔软洁净的布料擦拭光伏组件严禁使用腐蚀性溶剂或用硬物擦拭光伏组件；严禁使用腐蚀性溶剂或用硬物擦拭光伏组件； 2 2）应在辐照度低于）应在辐照度低于200W/200W/的情况下清洁光伏组件，不的情况下清洁光伏组件，不宜使用与组件温差较大的液体清洗组件；宜使用与组件温差较大的液体清洗组件； 3 3）严禁在风力大于）严禁在风力大于4 4级、大雨或大雪的气象