太阳能光伏发电应用技术-第3章

太阳能光伏发电应用技术第3章晶硅太阳电池的基本原理1第3章晶硅太阳电池的基本原理3.1太阳电池的分类

3.2太阳电池的工作原理3.3太阳电池的电学特性主要内容23.1太阳电池的分类3.1.1按基体材料分类按基体材料分类晶硅太阳电池单晶硅太阳电池准单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池硅基薄膜太阳电池非晶硅太阳电池微晶硅太阳电池化合物太阳电池单晶化合物太阳电池多晶化合物太阳电池有机半导体太阳电池染料敏化太阳电池钙钛矿太阳电池33.1太阳电池的分类3.1.1按基体材料分类按用途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空间太阳电池地面太阳电池按电池结构分类43.2太阳电池的工作原理3.2.1半导体硅原子示意图硅晶体的共价键结构硅晶体中每个原子周围有4个相邻原子，并和每一个相邻原子共有两个价电子，形成稳定的8原子壳层53.2太阳电池的工作原理3.2.2能带结构孤立原子中的电子占据固定的一组分离能级

相互靠近时，分离的能级扩展，相互叠加原子间距和电子能级的关系6EF物理意义；能量为EF的能级上的一个状态被电子占据的概率等于1/2E>EF：未被电子占据的概率大，即空出的状态多（占据概率近似为0）；E<EF：被电子占据的概率大，即可近似认为基本上被电子所占据（占据概率近似为1）。3.2太阳电池的工作原理3.2.2能带结构费米-狄拉克分布函数f(E)：任何给定能量E的一个允许电子能态的占有概率的结果7本征半导体：室温条件下能产生电子-空穴对，并具有一定电导率的半导体，是极纯且没有缺陷的半导体。掺杂半导体：通常情况下，由于半导体内含有杂质或存在晶格缺陷，使得作为自由载流子的（电子或空穴）一方增多，形成掺杂。存在多余电子的半导体称为n型半导体；存在多余空穴的半导体称为p型半导体。掺杂方式：间隙杂质掺杂：杂质原子拥挤在基质晶体原子间的空隙中；替位杂质掺杂：杂质原子替换基质晶体原子并保持晶体结构有规律的排列3.2太阳电池的工作原理3.2.3本征半导体、掺杂半导体8p型半导体的能带结构n型半导体的能带结构3.2太阳电池的工作原理3.2.3本征半导体、掺杂半导体提供自由电子的杂质称为施主杂质接受电子的杂质原子称为受主杂质93.2太阳电池的工作原理3.2.4n型和p型半导体掺入少量的5价杂质磷某些位置上的硅原子被磷原子所取代多余1个价电子变成自由电子掺入的5价杂质原子又称为施主空穴称为少数载流子，而将电子称为多数载流子1.n型半导体n型半导体示意图103.2太阳电池的工作原理3.2.4n型和p型半导体掺入少量的3价杂质硼共价键处出现空穴掺入的3价杂质原子又称为受主空穴称为多数载流子，而将电子称为少数载流子2.p型半导体p型半导体示意图113.2太阳电池的工作原理3.2.5p-n结p-n结：导电类型相反的两块半导体之间的过渡区域p区内，空穴很多，电子很少；n区内，电子很多，空穴很少1.多数载流子的扩散运动p-n结在p型和n型半导体交界面的两边，电子和空穴的浓度不相等，因此会产生多数载流子的扩散运动123.2太阳电池的工作原理3.2.5p-n结p区：空穴从浓度大的p区向浓度小的n区扩散n区：电子从浓度大的n区向浓度小的p区扩散1.多数载流子的扩散运动p-n结扩散结果：形成p-n结，交界面靠近n区的一边带正电荷，靠近p区的另一边带负电荷空间电荷区（也称耗尽区）：形成p-n结的该区域内建电场（或势垒电场）：p-n结内，产生由n区指向p区的反向电场133.2太阳电池的工作原理3.2.5p-n结2.少数载流子的漂移运动势垒（接触电势差）：其大小可表示为

q

为电子电量（-1.6×10−19C）；

T

为绝对温度；

k

为玻尔兹曼常数；

nn、np分别为n型和p型半导体材料中的电子浓度；

pn、pp分别为n型和p型半导体材料中的空穴浓度14漂移运动：少数载流子在内建电场作用下的运动，其运动方向与扩散运动方向相反平衡状态：漂移与扩散运动趋向平衡，此时载流子数目相等而运动方向相反，总电流为零3.2太阳电池的工作原理3.2.6光生伏特效应内光电效应：当半导体的表面受到太阳光照射时，如果其中有些光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度，就能使电子挣脱原子核的束缚，在半导体中产生大量的电子-空穴对

条件：所吸收的光子能量要大于半导体材料的禁带宽度，即:为光子能量；是普朗克常数；是光波频率；Eg是半导体材料的禁带宽度（c是光速，是光波波长），可改写为：该波长称为截止波长，以lg

表示，波长大于lg的光子不能产生载流子波长大于lg的光子不能产生载流子光电转换原理：内光电效应15有光照射时，在太阳电池上、下极之间就会有一定的电势差，用导线连接负载，就会产生直流电3.2太阳电池的工作原理3.2.7太阳电池基本工作原理太阳电池工作原理图太阳电池可以作为电源使用16光电转换的物理过程如下:（1）光子被吸收，p-n结的两边产生电子-空穴对，如图（a）所示。（2）产生的电子和空穴，通过扩散到达空间电荷区，如图（b）所示。（3）电子−空穴对被电场分离，因此，p区的电子从高电位滑落至n区，而空穴沿着相反方向移动，如图（c）所示。（4）若p-n结是开路的，则在结两边积累的电子和空穴产生开路电压，如图（d）所示。3.2太阳电池的工作原理3.2.7太阳电池基本工作原理光电转换的物理过程17BSF晶硅太阳电池基体材料是p型硅晶体，厚度在0.18mm左右，通过扩散形成0.25mm左右的n型半导体3.2太阳电池的工作原理3.2.8晶硅太阳电池的结构BSF晶硅太阳电池的结构图183.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.1标准测试条件国际上统一规定地面太阳电池的标准测试条件如下：光源辐照度：1000W/m2；测试温度：25℃；AM1.5地面太阳光谱辐照度分布AM0和AM1.5的太阳光谱辐照度具体分布193.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.2太阳电池等效电路理想的太阳电池等效电路实际的太阳电池等效电路Iph：恒流源ID：暗电流I：流过负载的电流Rsh：旁路电阻Rs：串联电阻203.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.2太阳电池等效电路用等效电路来预计太阳电池的输出和效率:I0为新的指数前因子；A0为p-n结的结构因子，反映了p-n结的结构完整性对性能的影响在理想情况下（Rsh→∞，Rs→0），则由上式可得：负载R短路时，即Vj=0（忽略串联电阻），Isc=Iph；

负载R→∞时，输出电流趋近于0，

开路电压Voc的大小由下式决定：Voc =

(A0kT/q)ln(Iph

/I0+1)213.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.2太阳电池等效电路太阳电池的电流−电压关系a—暗电流−电压关系曲线；b—光照下电流−电压关系曲线；c—变换坐标得到太阳电池电流−电压关系曲线223.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.3太阳电池的主要技术参数太阳电池的伏安特性曲线：当负载R从0变到无穷大时，负载两端的电压V和流过的电流I之间的关系曲线太阳电池的伏安特性曲线1.伏安特性曲线233.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.3太阳电池的主要技术参数在一定的太阳辐照度和工作温度的条件下，调节负载电阻RL到某一值Rm时，在曲线上得到一点M，对应的工作电流Im和工作电压Vm的乘积为最大，即Pm=ImVm=Pmax则称M点为该太阳电池的最佳工作点（或最大功率点）太阳电池的伏安特性曲线2.最大功率点243.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.3太阳电池的主要技术参数在一定的太阳辐照度和工作温度的条件下，调节负载电阻RL到某一值Rm时，在曲线上得到一点M，对应的工作电流Im和工作电压Vm的乘积为最大，即Pm=ImVm=Pmax则称M点为该太阳电池的最佳工作点（或最大功率点）太阳电池的伏安特性曲线2.最大功率点253.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.3太阳电池的主要技术参数

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，也就是伏安特性曲线与横坐标相交的一点所对应的电压通常用Voc来表示。3.开路电压（Voc）4.短路电流（Isc）

在一定的温度和辐照度条件下，太阳电池在端电压为零时的输出电流，也就是伏安特性曲线与纵坐标相交的一点所对应的电流，通常用Isc来表示。263.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.3太阳电池的主要技术参数定义为太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流的乘积之比，通常用FF来表示：5.填充因子（曲线因子）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，FF越大，太阳电池的最大输出功率越接近于极限输出功率，性能越好。273.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.3太阳电池的主要技术参数6.转换效率（h）太阳电池的转换效率

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:Vm和Im分别为最大输出功率点的电压和电流；At为包括栅线面积在内的太阳电池总面积（也称全面积）；Pin为单位面积入射光的功率h

= VmIm/(At·Pin)28【例3-1】某一尺寸为158.75cm×158.75cm的方形单晶硅太阳电池，测得其最大功率为5.7W，则该电池的转换效率是多少？解：根据式h

= VmIm/(At·Pin),有h

=Vm

Im/(At·Pin)

=

5.7/(158.75×158.75×10-4×1000)

=

22.62%3.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.3太阳电池的主要技术参数293.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.3太阳电池的主要技术参数7.短路电流温度系数（a）在温度变化时，太阳电池的输出电流会产生变化，在规定的试验条件下，温度每变化1℃，太阳电池短路电流的变化值称为短路电流温度系数，通常用表示a表示。I0为

25℃时的短路电流。对于一般晶硅太阳电池：a

=

+(0.06～0.1)%/℃，这表示温度升高时，短路电流略有上升Isc

= I0(1+aDT)303.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.3太阳电池的主要技术参数8.开路电压温度系数（b）Voc

= V0(1+bDT)

其中，V0为25℃时的开路电压。对于一般晶硅太阳电池：b

=-(0.3～0.4)%/℃，这表示温度升高时，开路电压会下降在温度变化时，太阳电池的输出电压也会产生变化，在规定的试验条件下，温度每变化1℃，太阳电池开路电压的变化值称为开路电压温度系数，通常用b表示。313.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.3太阳电池的主要技术参数9．最大功率温度系数在温度变化时，太阳电池的输出功率要产生变化，在规定的试验条件下，温度每变化1℃，太阳电池输出功率的变化值称为功率温度系数，通常用g表示。由于Isc=I0(1+aDT

)，Voc=V0(1+bDT)，因此理论最大功率为:Pmax

= IscVoc=I0V0(1+aDT)(1+bDT)

= I0V0[1+(a

+b

)

DT+a

bDT2]忽略平方项，得Pmax

= P0[1+(a+b

)

DT]=P0(1+gDT)323.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.3太阳电池的主要技术参数10．太阳辐照度的影响开路电压Voc：当辐照度较弱时，开路电压与入射光谱辐照度呈近似线性变化；

在太阳辐照度较强时,开路电压与入射光谱辐照度呈对数关系变化短路电流Isc：在入射光的辐照度比标准测试条件（1000W/m2）不是大很多的情况下，太阳电池的短路电流Isc与入射光的辐照度成正比关系最大功率点：太阳电池的最大功率点也会随着太阳辐照度的变化而变化333.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.3太阳电池的主要技术参数某光伏组件在不同温度下的伏安特性曲线某光伏组件在不同辐照度下的伏安特性曲线343.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.4影响太阳电池转换效率的因素Voc随Eg的增大而增大，Isc随Eg的增大而减小存在一个最佳禁带宽度，使效率达到最高半导体禁带宽度与太阳电池转换效率的关系1.禁带宽度353.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.4影响太阳电池转换效率的因素少子寿命长短的关键是在材料制备和电池生产过程中，要避免形成复合中心2.温度温度主要对Voc起作用，Voc随着温度降低而减小，转换效率h也随之下降太阳电池的温度敏感性还取决于开路电压的大小，即电池的电压越大，受温度的影响就越小。3.少子寿命少数载流子的复合寿命又称少子寿命少子寿命越长，Isc越大；减小暗电流并增大Voc363.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.4影响太阳电池转换效率的因素4.光强入射光的强度影响太阳电池的参数，包括短路电流、开路电压、填充因子、转换效率及并联电阻和串联电阻等一个太阳就相当于AM1.5大气质量下的标准光强，即1kW/m2聚光可以提高太阳电池的转换效率373.3开发利用太阳能的重要意义

3.3.4影响太阳电池转换效率的因素重掺杂效应：随着掺杂浓度增