太阳电池发电原理

太阳电池发电原理第一页，共三十六页，编辑于2023年，星期二授课时间：第19讲：太阳电池原理及参数目的要求：1、了解光伏发电的参数2、掌握光伏发电的基本原理知识点或技能点：光伏发电的基本原理重点难点：重点：光伏发电的基本原理难点：光伏发电的基本原理教学手段（含教具）：多媒体演示课外练习或训练：1、光伏发电的应用范围2、光伏发电的基本原理第二页，共三十六页，编辑于2023年，星期二

图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生如图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。

1.P型半导体第三页，共三十六页，编辑于2023年，星期二2.N型半导体

图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的磷原子，红色的为多余的电子，因为磷原子周围只有5个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。

第四页，共三十六页，编辑于2023年，星期二3、P-N结内电场的形成多子空穴，少子自由电子多子自由电子，少子空穴多子的扩散运动内电场浓度差P型半导体N型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区第五页，共三十六页，编辑于2023年，星期二4.P-N结光伏效应NP光照射到P-N结上，产生电子-空穴对，然后在内建电场的作用下，电子被拉到N极的一端，空穴被拉到P极的一端，使P区的电势高于N区的电势，两端产生一个光生电动势，在电子、空穴的移动过程中形成光生电流，这一现象称为P-N结的光生伏打效应。PPNP内电场EPNIph第六页，共三十六页，编辑于2023年，星期二PNIph上电极下电极光生电动势U第七页，共三十六页，编辑于2023年，星期二2.太阳能电池发电的基本原理太阳能电池发电原理是根据P-N结的光生伏打效应，将太阳光能直接转化为电能。第八页，共三十六页，编辑于2023年，星期二光伏基础——太阳电池分类1、按结构分类：同质结太阳电池、异质结太阳电池、肖特基结太阳电池、复合结太阳电池以及液晶太阳电池。同质节光伏电池：由同一种半导体材料所形成的PN结或梯度结称为同质结。用同质结构成的电池称为同质结太阳电池，如硅、砷化镓太阳电池。第九页，共三十六页，编辑于2023年，星期二异质结太阳电池：由两种禁带宽带不同的半导体材料形成的异质结。用异质结构成的太阳电池称为异质结太阳电池，如氧化锡/硅太阳能电池、硫化亚铜/硫化镉太阳电池、砷化镓/硅太阳电池等。肖特基结太阳电池：利用金属-半导体界面的肖特基势垒构成的光伏电池，也称为MS太阳电池，如铂/肖特基太阳电池、铝/肖特基太阳电池等。其原理是基于金属-半导体接触时，在一定条件下产生整流接触的肖特基效应。光伏基础——太阳电池分类第十页，共三十六页，编辑于2023年，星期二多结太阳电池：由多个P-N结形成的调养电池，又称复合结太阳电池，有垂直多结太阳电池、水平多结太阳电池等。液结太阳电池：用浸入电解质中的半导体构成的太阳电池，也称为光电化学电池。2、按材料分类：晶体硅太阳电池（非晶硅薄膜、微晶硅薄膜、纳晶硅薄膜太阳电池）、硒光电池、化合物太阳电池（硫化镉，硒铟铜，碲化镉，砷化镓太阳电池）以及染料太阳电池。光伏基础——太阳电池分类第十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期二光伏基础——太阳电池分类第十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期二光伏基础——太阳电池分类第十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期二常规晶体硅太阳电池单晶硅太阳电池实验室最高效率：24.7%商业化批量生产效率：17%多晶硅太阳电池实验室最高效率：20.3%商业化批量生产效率：16%光伏基础——太阳电池分类第十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期二非晶硅/微晶硅双叠层太阳电池光伏基础——太阳电池分类第十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期二背面电极n-GaAs衬底n-GaAs缓冲区n-GaAs基区P-GaAs发射区P-AIGaAs窗口层P-GaAs帽层减反射膜正面电极有帽层PPNN型GaAs太阳电池结构示光伏基础——太阳电池分类第十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期二FirstSolar碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池光伏基础——太阳电池分类第十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期二CIGS太阳电池结构光伏基础——太阳电池分类第十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期二DSSC太阳电池结构光伏基础——太阳电池分类第十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期二1.标准测试条件光源辐照度：1000W/m2

；是标准测试太阳能电池的光线入射强度。

测试温度：25±20C；AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。AM的意思是air-mass定义是：Path-lengththroughtheatmosphererelativetoverticalthicknessoftheatmosphere。就是光线通过大气的实际距离比上大气的垂直厚度AM=1/cosφ,其中φ=48.2o光伏基础——太阳电池参数第二十页，共三十六页，编辑于2023年，星期二2.伏安(I-V)特性曲线光伏基础——太阳电池参数不同辐照度下电池的I-V特性曲线第二十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期二3.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。正比。

光伏基础——太阳电池参数第二十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期二4.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。光伏基础——太阳电池参数第二十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期二5.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表示光伏基础——太阳电池参数第二十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期二8.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。

光伏基础——太阳电池参数第二十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期二9.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

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。光伏基础——太阳电池参数第二十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期二10.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%/0C11.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

光伏基础——太阳电池参数第二十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期二(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U光伏基础——太阳电池等效电路第二十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期二IphIDVRI理想的太阳电池等效电路光伏基础——太阳电池等效电路第二十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期二串联电阻Rs的主要来源是：制造电池的半导体材料的体电阻、电极和互联金属的电阻，以及电极和半导体之间的接触电阻。分流电阻Rsh则由于P-N结漏电引起的，其中包括绕过电池边缘的漏电及由于结区存在晶体缺陷和外来杂质的沉积物所以引起的内部漏电。这两种寄生电阻都会起到减小填充因子的作用，很高的Rs值和很低的Rsh值还会分别导致ISC和VOC的降低。寄生电阻：光伏基础——太阳电池等效电路第三十页，共三十六页，编辑于2023年，星期二根据结点电流的关系可以推出：Iph=ID+Ish+IL则IL=Iph-ID-Ish电压关系：UJ=UL+ILRSUJ=IshRsh光伏基础——太阳电池等效电路实际的太阳电池等效电路第三十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期二暗电流ID是注入电流和复合电流之和，可以简化为单指数形式：

ID=Io{exp(qUj/A0kT)-1}其中：Io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T是热力学温度

光伏基础——太阳电池等效电路第三十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期二因此得出: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。光伏基础——太阳电池等效电路第三十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期二在理想情况下：Rsh

→∞，Rs→0由此得到：I=Iph–

ID=Iph–

Ioo{exp(qU/A0kT)-1}在负载短路时，即Uj=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光伏基础——太阳电池等效电路第三十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期二因此得出：

I