第1讲-太阳能LED照明系统驱动控制设计-认识课程

光伏照明驱动与控制技术主讲：Jason-Zou第一讲认识课程1课程介绍21太阳能LED照明基础知识伴随国家“节能增效”的号召，光伏照明得到了越来越多的企业和科研院所的关注。对于太阳能光伏发电技术能与LED照明完美结合的关键是两者同为直流电、电压低且互相匹配。因此两者的结合不需要将太阳能池产生的直流电转化为交流电，因此大大提高了整个照明系统的效率。同时，借助与并网技术或利用蓄电池充放能量，使其优势更加明显。随着相关技术的深入研究，LED的发光效率正在不断提高，超高亮度的LED将要问世，势必会取代普通照明光源，并大量节约能源且无污染。课程介绍广东职业技术学院由于LED的工作流是直流，且工作电压很低。太阳能池将光能转化为直流电能，且太阳能池组件可以通过串并联方式组合得到实际需要的电压。这些特点恰好与LED相匹配，两者结合将获得很高的能源利用率、较高的安全性能合可靠性，实现节能、环保、安全、高效的照明系统，实现十分完美的结合。广东职业技术学院广东职业技术学院课程内容本课程的主要内容包括太阳能LED照明的基础知识、太阳能LED照明系统方案设计、太阳能LED路灯驱动电路设计、太阳能照明系统工程设计与应用、太阳能照明系统调试安装维护等技能知识与规范等。太阳能照明系统制作实训。第一章太阳能LED照明基础知识广东职业技术学院太阳能取之不尽用之不竭，11亿年，消耗2%能量不存在运输问题，对于交通不方便的农村、海岛和边远地区更具有利用价值洁净能源，不产生三废，没有噪音，不影响生态平衡。太阳能电池的基础知识在我国西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙古的太阳总辐射量和日照时数全国最高，也是世界上太阳能最丰富的地区之一。四川盆地、两湖地区、秦巴山地是太阳能最为缺乏的地区。一.太阳电池分类

按照基体材料分类：●晶硅太阳电池包括：单晶硅和多晶硅太阳电池●非晶硅太阳电池●薄膜太阳电池●化合物太阳电池包括：砷化镓电池；硫化镉电池；碲化镉电池；硒铟铜电池等●有机半导体太阳电池单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池非晶硅太阳电池

按照结构分类：

●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

●液结太阳电池等按照用途分类：●空间太阳电池在人造卫星、宇宙飞船等航天器上应用的太阳电池。由于使用环境特殊，要求太阳电池具有效率高、重量轻、耐辐照等性能。●地面太阳电池在地面上应用的太阳电池。●光敏传感器光照射时，太阳电池两极之间就能产生电压。连成回路，就有电流流过，光照强度不同，电流的大小也不一样，因此可以作为传感器使用。航天器上的光伏系统月球车按照工作方式分类：

●平板太阳电池●聚光太阳电池平板太阳电池聚光太阳电池聚

光

太

阳

电

池1.1太阳能电池的工作原理

太阳能电池的光伏效应：

利用光电转换原理将太阳辐射光通过半导体材料转换成电能的器件。“光生伏打效应”：不均匀半导体或者半导体和金属结合的不同部位之间的电位差现象。太阳能电池工作原理光照太阳能电池板表面，能量大于禁带宽度的光子便激发出电子和空穴对，这些非平衡的载流子在内电场的作用下分离开，在太阳能电池的PN结两极累积，当接通外部电路时，在该电位差的作用下，可以给外接负载提供电流。太阳能电池

太阳能电池P型半导体：单晶硅掺杂三价元素带正电的空穴N型半导体：单晶硅掺杂五价元素带负电自由电子PN结的形成P型半导体和N型半导体交界面附近的过渡区称为PN结制造PN结的方法：合金法；扩散法；离子注入法；外延生长法PN结可分为：同质结和异质结同质结：同一种半导体材料构成的PN结异质结：由禁带宽度不同的半导体材料形成的PN结，制造异质结通常采用外延生长法最早的硅太阳能电池发现者贝尔实验室的RussellOhl在研究纯硅材料的熔融再结晶的实验，意外发现在很多商用高纯硅衬底上生长出多晶硅，显示了明显的势垒，这种生长结是结晶过程中杂质分凝的产物。当太阳光照射时，结的一端会产生负电势，而另一端只能施加负偏压，才能降低电阻使得电流通过势垒，这个现象导致了PN结的产生。加负压的一端是N型硅，而另一端则是P型硅。太阳能电池的构成原理N区的自由电子向P区扩散二.硅太阳电池的工作原理●

硅原子的外层电子壳层中有4个电子。受到原子核的束缚比较小，如果得到足够的能量，会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。电子带负电；空穴带正电。●在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。硅原子示意图●在硅晶体中每个原子有4个相邻原子，并和每一个相邻原子共有2个价电子，形成稳定的8电子壳层。

●从硅的原子中分离出一个电子需要1.12eV的能量，该能量称为硅的禁带宽度。被分离出来的电子是自由的传导电子，它能自由移动并传送电流。硅原子的共价键结构●如果在纯净的硅晶体中掺入少量的5价杂质磷（或砷，锑等），由于磷原子具有5个价电子，所以1个磷原子同相邻的4个硅原子结成共价键时，还多余1个价电子，这个价电子很容易挣脱磷原子核的吸引而变成自由电子。

●

所以一个掺入5价杂质的4价半导体，就成了电子导电类型的半导体，也称为n型半导体。●在n型半导体中，除了由于掺入杂质而产生大量的自由电子以外，还有由于热激发而产生少量的电子-空穴对。然而空穴的数目相对于电子的数目是极少的。●所以在n型半导体材料中，空穴数目很少,称为少数载流子;而电子数目很多,称为多数载流子。n型半导体●同样如果在纯净的硅晶体中掺入3价杂质，如硼（或鋁、镓或铟等），这些3价杂质原子的最外层只有3个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少1个价电子，因而在一个共价键上要出现一个空穴，因此掺入3价杂质的4价半导体，也称为p型半导体。

●对于p型半导体，空穴是多数载流子，而电子为少数载流子。P型半导体

●若将p型半导体和n型半导体两者紧密结合，联成一体时，由导电类型相反的两块半导体之间的过渡区域，称为p-n结。在p-n结两边，由于在p型区内，空穴很多，电子很少；而在n型区内，则电子很多，空穴很少。由于交界面两边，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。●在靠近交界面附近的p区中，空穴要由浓度大的p区向浓度小的n区扩散，并与那里的电子复合，从而使那里出现一批带正电荷的搀入杂质的离子。

●

同时在p型区内，由于跑掉了一批空穴而呈现带负电荷的搀入杂质的离子。

●

同样在靠近交界面附近的n区中，电子要由浓度大的n区向浓度小的p区扩散，而电子则由浓度大的n区要向浓度小的p区扩散，并与那里的空穴复合，从而使那里出现一批带负电荷的搀入杂质的离子。●同时在n型区内，由于跑掉了一批电子而呈现带正电荷的搀入杂质的离子。●于是，扩散的结果是在交界面的两边形成一边带正电荷而另一边带负电荷的一层很薄的区域，称为空间电荷区。这就是p-n结。在p-n结内，由于两边分别积聚了负电荷和正电荷，会产生一个由正电荷指向负电荷的电场，因此在p-n结内，存在一个由n区指向p区的电场，称为内建电场（或称势垒电场)。

●太阳电池在光照下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。这样形成的电子-空穴对由于热运动，向各个方向迁移。●光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n区，光生空穴被推进p区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。●在n区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向p-n结边界扩散，一旦到达p-n结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入p区，而光生电子（多数载流子）则被留在n区。●

p区中的光生电子也会向p-n结边界扩散，并在到达p-n结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动，进入n区，而光生空穴（多数载流子）则被留在p区。

●因此在p-n结两侧形成了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n型层带负电，因此产生了光生电动势。这就是“光生伏打效应”（简称光伏）。1、光生伏打效应影响光电流的因素：

通过光照在界面层产生的电子-空穴对愈多，电流愈大。界面层吸收的光能愈多，界面层即电池面积愈大，在太阳电池中形成的电流也愈大。太阳能电池的N区、耗尽区和P区均能产生光生载流子；各区中的光生载流子必须在复合之前越过耗尽区，才能对光电流有贡献，所以求解实际的光生电流必须考虑到各区中的产生和复合、扩散和漂移等各种因素。●如果使太阳电池开路，即负载电阻，RL=∞，则被p-n结分开的全部过剩载流子就会积累在p-n结附近，于是产生了等于开路电压VOC的最大光生电动势。●如果把太阳电池短路，即RL=0，则所有可以到达p-n结的过剩载流子都可以穿过结，并因外电路闭合而产生了最大可能的电流，即短路电流ISC。●如果把太阳电池接上负载RL，则被结分开的过剩载流子中就有一部分把能量消耗于降低p-n结势垒，即用于建立工作电压Vm，而剩余部分的光生载流子则用来产生光生电流Im。太阳电池的极性●太阳电池一般制成p+/n型结构或n+/p型结构，其中第一个符号，即p+和n+表示太阳电池正面光照半导体材料的导电类型；第二个符号，即n和p表示太阳电池背面衬底半导体材料的导电类型。●下图为在p型半导体材料上扩散磷元素，形成n+/p型结构的太阳电池。上表面为负极；下表面为正极。三.太阳电池的结构以目前的PN结状态，可以供给负载了吗？PN结形成电源当掺杂的硅晶体受到光照后，PN结中的N型半导体的空穴往P型移动，而P型中的电子往N型移动，从而形成N型向P型的电流，然后在PN结中形成电势差，这就形成一个电源。光生电场的方向和内建电场的方向相反。2.太阳电池等效电路(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V

IphIDV

R

I理想的太阳电池等效电路

Rs

IphID

RshIshV

R

I实际的太阳电池等效电路

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=Ioo{exp(qVj/A0kT)-1}其中：Ioo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(2)实际太阳电池等效电路：由于漏电流等产生的旁路电阻Rsh由于体电阻和电极的欧姆电阻产生的串联电阻Rs在Rsh两端的电压为：Vj=(V+IRS)因此流过旁路电阻Rsh的电流为：

ISh=(V+IRS)/Rsh流过负载的电流：

I=Iph–

ID

–ISh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。在理想情况下：Rsh

→∞，Rs→0

由此得到：I=Iph–

ID=Iph–

Ioo{exp(qV/A0kT)-1}在负载短路时，即Vj=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因此得出：

I=Iph–

ID

=Isc–

Ioo{exp(qV/A0kT)-1}

在负载R→∞时,输出电流→0,便得到开路电压Voc其值由下式确定：3.伏安(I-V)特性曲线受光照的太阳电池，在一定的温度和辐照度以及不同的外电路负载下，流入负载的电流I和电池端电压V的关系曲线。下图为某个太阳电池组件的(I-V)特性曲线示意图。不同辐照度下电池的I-V特性曲线4.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。太阳电池的开路电压与电池面积大小无关，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入射光谱辐照度的对数成正比。5.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。6.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。7.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8.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/AtPin其中Vm和Im分别为最大输出功率点的电压和电流，At为太阳电池的总面积，Pin为单位面积太阳入射光的功率。电池种类转换效率(%)研制单位备注单晶硅电池24.7±0.5澳大利亚新南威尔士大学4cm2面积GaAs多结电池34.7±1.7Spectrolab333倍聚光多晶硅电池20.3±0.5德国弗朗霍夫研究所1.002cm2面积InGaP/GaAs30.8±1.0日本能源公司4cm2面积非晶硅电池12.8±0.7美国USSC公司0.27cm2面积CIGS电池19.5±0.6美国可再生能源实验室0.41cm2面积CdTe电池16.5±0.5美国可再生能源实验室1.032cm2面积多晶硅薄膜电池16.6±0.4德国斯图加特大学4.017cm2面积纳米硅电池10.1±0.2日本钟渊公司2微米膜(玻璃衬底)氧化钛有机纳米电池11.0±0.5EPFL0.25cm2面积GaInP/GaAs/Ge37.3±1.9Spectrolab175倍聚光背接触聚光硅电池26.8±0.8美国SunPower公司96倍聚光世界主要太阳电池新记录中国太阳电池实验室最高效率最高效率面积(cm2)单晶硅电池20.42×2多晶硅电池14.532×2GaAs电池20.11×1聚光硅电池172×2CdS/CuxS电池12几个mm2CuInSe2电池8.571×1CdTe电池73mm2多晶硅薄膜电池13.61×1非晶硅电池11.2(单结)8.66.2几个mm210×1030×30二氧化钛纳米有机电池101×110.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(或CF)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。11.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%/0C12.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五.提高晶体硅电池效率的方法1.

紫光电池

采用浅结(如0.1-0.15μm),和密栅(如30条/cm),克服了“死层”,增加了电池的蓝紫光响应,提高了电池的效率。

2.背电场(BSF)电池

在常规电池n+/p或p+/n的硅电池背面增加一层p+或n+层,即形成背电场,可以使电池性能提高,并且不受电阻率和一定范围内单晶片厚度变化的影响3.

绒面电池采用选择性腐蚀溶液,使(100)硅片表面形成微小的金字塔型的小丘,小丘密度大约为108-109个/厘米2。依靠表面金字塔形的方锥结构,对光进行多次反射,不仅减少了反射损失,而且改变了光在硅中的前进方向,延长了光程,增加了光生载流子的产量；曲折的绒面又增加了p-n结面积,从而增加对光生载流子的收集率；并改善了电池的红光响应。

4.

聚光电池通过聚光器,使大面积聚光器上接收到的太阳光会聚一个比较小的范围内,形成“焦斑”或“焦带”。位于“焦斑”或“焦带”处的太阳电池可得到较多的光能,使每一片电池能输出更多的电能。需要配备一套包括：聚光器,散热器,跟踪器及机械传动机构等的聚光系统。低倍聚光