第二章 光伏電池及其特性

1、第二章第二章 光伏電池及其特性光伏電池及其特性n1. Principle of Solar Cellsn2 .硅型光伏電池的電特性硅型光伏電池的電特性n3.光伏電池的外特性光伏電池的外特性n4. 光伏電池性能的檢測光伏電池性能的檢測n5.光伏電池的結(jié)構(gòu)和分類光伏電池的結(jié)構(gòu)和分類What are Semiconductors?n入門入門n導(dǎo)電性導(dǎo)電性界界于導(dǎo)體與絕緣體之間于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料的材料n中階中階n電阻系數(shù)電阻系數(shù)約為約為10-4 108 .cm的材料的材料n進階進階n能隙能隙約約在在 4eV以下之的材料以下之的材料2.1 Principle of Solar Cellsphoto

2、voltaic cellsn2.1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識重要的半重要的半導(dǎo)體分類導(dǎo)體分類nElement semiconductor（元素半導(dǎo)體）nCompound semiconductor（化合物半導(dǎo)體）nIntrinsic semiconductor（本征半導(dǎo)體）（本征半導(dǎo)體）nExtrinsic semiconductor（摻雜半導(dǎo)體）（摻雜半導(dǎo)體）nDirect semiconductor（直接半導(dǎo)體）nIndirect semiconductor（間接半導(dǎo)體）nDegenerate semiconductor（簡并半導(dǎo)體）nNon-degenerate semicon

3、ductor（非簡并半導(dǎo)體）nCompensated semiconductor（補償半導(dǎo)體）nNon-compensated semiconductor（非補償半導(dǎo)體）能帶理論（補充內(nèi)容）E2E3E5E4E6E7E1a a 2a 3a 3 a a 2 0kE E k 曲線的表達圖式曲線的表達圖式能帶理論的基本要點量子力學(xué)計算表明,固體中若有N個原子,由于各原子間的相互作用,對應(yīng)于原來孤立原子的每一個能級,變成了N條靠得很近的能級,稱為能帶能帶。能帶寬度E,量級為EeV，若N1023, 兩能級的間距約10-23eV。越是外層電子，E越大。點陣間距越小，E越大。兩個能帶有可能重疊。Li原子電子構(gòu)

4、型是原子電子構(gòu)型是1s22s12s1s能量2s帶半充滿（導(dǎo)帶）1s帶全滿（滿帶）Li能帶示意圖禁帶能帶中的電子分布l 滿帶：能帶中所有能級（軌道）均有電子占據(jù)，為由充滿電子的原子軌道能級所形成的低能量能帶。l 空帶：能帶中所有能級（軌道）均無電子占據(jù)。l 禁帶：不允許有電子占據(jù)的能量范圍。禁帶寬度（滿帶與空帶的能量間隔）稱為帶隙。能帶中的電子分布l 價帶：依據(jù)軌道能量高低順序填充電子時，最后由價電子填充的（軌道）能帶稱為價帶。l 導(dǎo)帶：部分被價電子（可自由移動）占據(jù)的能帶可稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶可以是由未充滿電子的原子軌道組合而成的能帶（價帶），或（與滿帶重疊或能量相近）空帶。導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體l

5、導(dǎo)體價電子能帶是半滿的(如Li,Na)，或價電子能帶是全滿但有空的能帶(Be,Mg)，而且兩個能帶能量間隔很小，彼此發(fā)生部分重疊。 Eg導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體l 導(dǎo)體金屬鈉金屬鎂導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體l 絕緣體價電子都在滿帶，導(dǎo)帶是空的，而且滿帶頂與導(dǎo)帶底之間的能量間隔（即禁帶寬度）大。在外電場作用下，滿帶中的電子不能越過禁帶躍遷到導(dǎo)帶中，故不能導(dǎo)電。 Eg禁帶寬度5eV導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體l 半導(dǎo)體滿帶被電子充滿，導(dǎo)帶是空的，便禁帶寬度很窄。由于禁帶寬度小，因此當光照或在外電場作用下，使?jié)M帶上的電子，很容易躍遷到導(dǎo)帶上，使原來空的導(dǎo)帶充填電子，同時在滿帶上留下空穴。 Eg禁帶寬度3eV（1）In

6、trinsic semiconductorn完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體 (純半導(dǎo)體純半導(dǎo)體)。硅（鍺）的原子結(jié)構(gòu)硅（鍺）的原子結(jié)構(gòu)Si2 8 4Ge2 8 18 4簡化模型簡化模型+4慣性核慣性核價電子價電子 本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和共價鍵本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和共價鍵+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵內(nèi)的電子共價鍵內(nèi)的電子稱為束縛電子稱為束縛電子價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶掙脫原子核束縛的電子掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子稱為自由電子價帶中留下的空位價帶中留下的空位稱為空穴稱為空穴禁帶禁帶EG外電場外電場E自由電子定向移動自由電

7、子定向移動形成電子流形成電子流束縛電子填補空穴的束縛電子填補空穴的定向移動形成空穴流定向移動形成空穴流 在半導(dǎo)體物理中，通常把這種形成共價鍵的價電子在半導(dǎo)體物理中，通常把這種形成共價鍵的價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶，所占據(jù)的能帶稱為價帶，而而 把價帶上面鄰近空帶（自把價帶上面鄰近空帶（自由電子占據(jù)的能帶）稱為導(dǎo)帶。由電子占據(jù)的能帶）稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶和價帶之間為禁導(dǎo)帶和價帶之間為禁帶。帶。The Diamond Structure(a) Diamond lattice. (b) Zincblende lattice.真實的原子分布（三維）真實的原子分布（三維）Covalence BondsA tet

8、rahedron bond (a) 3-D. (b) 2-D共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對+4+4表示除表示除去價電子去價電子后的原子后的原子本征激發(fā)本征激發(fā)Formation of intrinsic carriersn在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位（空穴）的過程。個空位（空穴）的過程。復(fù)合：復(fù)合：自由電子和空穴在運動中相遇重新結(jié)合成自由電子和空穴在運動中相遇重新結(jié)合成對消失的過程。對消失的過程。漂移：漂移： 自由電子和空穴在電場作用下的定向運動。自由電子

9、和空穴在電場作用下的定向運動。結(jié)論結(jié)論:1. 本征半導(dǎo)體的電子空穴成對出現(xiàn)本征半導(dǎo)體的電子空穴成對出現(xiàn), 且數(shù)量少；且數(shù)量少； 2. 半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電； 3. 本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。本征激發(fā)的特點本征激發(fā)的特點（2） Extrinsic Semiconductor在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜摻雜半導(dǎo)體半導(dǎo)體的的某種載流子濃度某種載流子濃度大大增加。大大增加

10、。SiPSiSi硅原子硅原子磷原子磷原子多余電子多余電子自由電子濃度大于空穴濃度多數(shù)載流子（多子）N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+N型硅表示型硅表示P-type Semiconductor (P型半導(dǎo)體)空穴空穴硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被認為帶一個空穴被認為帶一個單位的正電荷，并單位的正電荷，并且可以移動。且可以移動。少了少了一個一個帶帶負電荷負電荷的電子的電子,可視為多可視為多 了了一個正電荷一個正電荷)N 型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型型+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由電子自由電子電子數(shù)電子數(shù) 空穴數(shù)空穴數(shù)電子為多數(shù)載流子電子為多數(shù)載流子( (

11、多子多子) )空穴為少數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子( (少子少子) )載流子數(shù)載流子數(shù) = = 電子數(shù)電子數(shù) + + 空穴數(shù)空穴數(shù) 電子數(shù)電子數(shù)P 型型+3+4+4+4+4+4硼硼原子原子空穴空穴空穴數(shù)空穴數(shù) 電子數(shù)電子數(shù)空穴空穴 多子多子電子電子 少子少子載流子數(shù)載流子數(shù) 空穴數(shù)空穴數(shù)施主施主離子離子施主施主原子原子受主受主離子離子受主受主原子原子1.1.要形成水的循環(huán)，必須有要形成水的循環(huán)，必須有水水，同時還必須把水抽上同時還必須把水抽上去去。而要形成電流，必須有。而要形成電流，必須有載流子（電子或者空位）載流子（電子或者空位）的產(chǎn)生的產(chǎn)生，同時必須能讓正負電荷分開。，同時必須能讓正負電荷分開

12、。1.2 Principle of Solar CellsPrinciple of Solar Cellslightnegative electrodenegative doped siliconPN junctionpositive doped siliconpositive electrode思考：思考：濃度差使?jié)舛炔钍苟嘧佣嘧赢a(chǎn)生產(chǎn)生擴散運動擴散運動 當參與擴散運動的多子數(shù)目和參與漂移運動的少當參與擴散運動的多子數(shù)目和參與漂移運動的少子數(shù)目相同時，達到動態(tài)平衡，就形成了子數(shù)目相同時，達到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。結(jié)。內(nèi)電場使內(nèi)電場使少子少子產(chǎn)生產(chǎn)生漂移運動漂移運動內(nèi)電場(1) 無光照時無

13、光照時,PN結(jié)的形成結(jié)的形成采用不同的摻雜工藝，將采用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作型半導(dǎo)體制作在同一硅片上，在它們的交界面處就會形成在同一硅片上，在它們的交界面處就會形成PN結(jié)結(jié)太陽電池發(fā)電原理示意圖太陽電池發(fā)電原理示意圖(2) PN結(jié)受光照后，光伏效應(yīng)結(jié)受光照后，光伏效應(yīng)半導(dǎo)體吸收光能產(chǎn)生帶正半導(dǎo)體吸收光能產(chǎn)生帶正電和負電的粒子（空穴和電和負電的粒子（空穴和電子），在內(nèi)建電場作用電子），在內(nèi)建電場作用下，電子（）朝下，電子（）朝N N型半導(dǎo)型半導(dǎo)體匯集，而空穴（）則體匯集，而空穴（）則朝朝P P型半導(dǎo)體匯集。型半導(dǎo)體匯集。 如果外電路處于開路狀如果外電路處于開路狀態(tài)

14、，那么這些光生電子和態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累在空穴積累在pnpn結(jié)附近，使結(jié)附近，使p p區(qū)獲得附加正電荷，區(qū)獲得附加正電荷，n n區(qū)獲區(qū)獲得附加負電荷，這樣在得附加負電荷，這樣在pnpn結(jié)上產(chǎn)生一個光生電動勢。結(jié)上產(chǎn)生一個光生電動勢。這一現(xiàn)象稱為光伏效這一現(xiàn)象稱為光伏效(Photoelectric effect(Photoelectric effect）電流方向電流方向內(nèi)建電場內(nèi)建電場是指是指在電池表面被反射回去在電池表面被反射回去的一部分光線；的一部分光線；是指剛進電池表面被吸收生是指剛進電池表面被吸收生成電子成電子- -空穴對的光線，其中空穴對的光線，其中大部分是吸收系數(shù)較大的短波

15、大部分是吸收系數(shù)較大的短波光線。它們來不及達到光線。它們來不及達到P-NP-N結(jié)結(jié)就很快地被復(fù)合還原。所以它就很快地被復(fù)合還原。所以它們對產(chǎn)生光生電動勢沒有貢獻；們對產(chǎn)生光生電動勢沒有貢獻；光伏電池的光照的詳細情況光伏電池的光照的詳細情況 上電極上電極P-N結(jié)結(jié)下電極下電極NP是指在是指在P-NP-N結(jié)附近被吸收結(jié)附近被吸收生成電子生成電子- -空穴對的那部分空穴對的那部分光線，它們是使太陽能電池光線，它們是使太陽能電池能夠有效發(fā)電的有用光線。能夠有效發(fā)電的有用光線。這些光生少數(shù)載流子在這些光生少數(shù)載流子在P-NP-N結(jié)特有的漂移作用下產(chǎn)生光結(jié)特有的漂移作用下產(chǎn)生光生電動勢；生電動勢；是指輻射

16、到電池片深處，距離是指輻射到電池片深處，距離P-NP-N結(jié)較遠的地方才被結(jié)較遠的地方才被吸收的光線，它們與光線吸收的光線，它們與光線的情況相同，雖能產(chǎn)生電的情況相同，雖能產(chǎn)生電子子- -空穴對，在空穴對，在P-NP-N較遠處被復(fù)合，只有極少部分能產(chǎn)較遠處被復(fù)合，只有極少部分能產(chǎn)生光生電動勢生光生電動勢； 上電極上電極P-N結(jié)結(jié)下電極下電極NP光伏電池的光照的詳細情況光伏電池的光照的詳細情況是指被電池吸收，但是是指被電池吸收，但是由于能量較小不能產(chǎn)生電由于能量較小不能產(chǎn)生電子子- -空穴對的那部分光線，空穴對的那部分光線，它們的能量只能使光伏電它們的能量只能使光伏電池加熱，溫度上升；池加熱，溫度

17、上升；是指沒有被電池吸收而是指沒有被電池吸收而透射過去的少部分光線。透射過去的少部分光線。 上電極上電極P-N結(jié)結(jié)下電極下電極NP光伏電池的光照的詳細情況光伏電池的光照的詳細情況 由此可見，能夠產(chǎn)由此可見，能夠產(chǎn)生光生電動勢的主要是光線生光生電動勢的主要是光線。所以應(yīng)該盡可能地增加。所以應(yīng)該盡可能地增加它們的比例數(shù)量，才能提高它們的比例數(shù)量，才能提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率。光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率。 所謂所謂光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率，是，是指受光照的太陽能所產(chǎn)生的指受光照的太陽能所產(chǎn)生的最大輸出電功率與入射到該最大輸出電功率與入射到該電池受光幾何面積上全部光電池受光幾何面積上全部光輻射功率的百分

18、比。輻射功率的百分比。 上電極上電極P-N結(jié)結(jié)下電極下電極NP光生載流子形成電流的過程光生載流子形成電流的過程光伏電池的工作原理光伏電池的工作原理電流方向電流方向2 .2硅型光伏電池的電特性硅型光伏電池的電特性n2.2.1 等效電路等效電路n2.2.2 光伏電池伏安特性曲線光伏電池伏安特性曲線n2.2.3 輸出功率和輸出因子輸出功率和輸出因子n2.2.4 輸出效率輸出效率2.2.1光伏電池的等效電路光伏電池的等效電路IdlightIdNP一一般般等等效效電電路路圖圖問題問題1：為什么可把光伏電池看成一個電流源和一個硅二極管的復(fù)合體為什么可把光伏電池看成一個電流源和一個硅二極管的復(fù)合體?NP內(nèi)建

19、電場內(nèi)建電場下電極下電極上電極上電極-+-+-2.2.載流子的匯聚載流子的匯聚會在PNPN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生結(jié)內(nèi)產(chǎn)生一個與一個與原內(nèi)建電場原內(nèi)建電場方向相反的附方向相反的附加電場，在一定程度上降低了加電場，在一定程度上降低了原原內(nèi)建電場內(nèi)建電場。相當與。相當與PNPN節(jié)的正向偏節(jié)的正向偏置，多數(shù)載流子的擴散產(chǎn)生一個置，多數(shù)載流子的擴散產(chǎn)生一個向下的暗電流。向下的暗電流。電流1.1.少數(shù)載流子的漂移產(chǎn)生電流；少數(shù)載流子的漂移產(chǎn)生電流；1. 等效電路中符號的說明等效電路中符號的說明光伏電池的等效電路圖光伏電池的等效電路圖1.Rs1.Rs為串聯(lián)電阻為串聯(lián)電阻 主要是由于主要是由于半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料的體電阻、金屬

20、材料的體電阻、金屬電極與半導(dǎo)體材料的電極與半導(dǎo)體材料的接觸電阻、擴散層橫接觸電阻、擴散層橫向電阻以及金屬電極向電阻以及金屬電極本身的電阻本身的電阻。一般小一般小于于1. 負載 loadPhotic adj.光的, 與光有關(guān)的外接外接負載負載電阻電阻暗暗電電流流等效電路中符號的說明等效電路中符號的說明負載 loadPhotic adj.光的, 與光有關(guān)的由于由于由于由于電池表面污染、電池表面污染、半導(dǎo)體晶體缺陷引起的半導(dǎo)體晶體缺陷引起的邊緣漏電邊緣漏電，使一部分本，使一部分本應(yīng)通過負載的電流短路，應(yīng)通過負載的電流短路，這種作用的大小可用一這種作用的大小可用一并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻R RShSh來等效，

21、來等效，一般為幾千歐一般為幾千歐。漏電流。漏電流越小，并聯(lián)電阻也就越越小，并聯(lián)電阻也就越大。大。光伏電池的等效電路圖光伏電池的等效電路圖外外接接負負載載電電阻阻旁旁路路電電阻阻暗暗電電流流2. R2. Rshsh為旁路電阻。為旁路電阻。光伏電池的等效電路圖光伏電池的等效電路圖L2.實際等效電路實際等效電路中各變量之間的關(guān)系中各變量之間的關(guān)系0(1)exp1ddIIqUAkT(2)LdphdshUIIIR0exp1LSdphshq UI RUIIAkTR式中式中 I0反向飽和電流反向飽和電流； U 等效二極管的端電壓；等效二極管的端電壓； q電子電量；電子電量； T絕對溫度；絕對溫度；A二極管曲

22、線因子，二極管曲線因子，取值在取值在12之間，有的地方用之間，有的地方用n表示。表示。光伏電池的等效電路圖光伏電池的等效電路圖L實際等效電路實際等效電路中各變量之間的關(guān)系中各變量之間的關(guān)系0(2)exp1LLSdphshq UI RUIIIAkTR顯然，太陽電池的串聯(lián)電阻顯然，太陽電池的串聯(lián)電阻Rs越小，越小，旁路電阻旁路電阻Rsh越大，越接近于理想的太越大，越接近于理想的太陽電池，該太陽電池的性能也越好。陽電池，該太陽電池的性能也越好。目前的太陽電池制造工藝水平，在要求不很嚴格時，目前的太陽電池制造工藝水平，在要求不很嚴格時，可以認為可以認為串聯(lián)電阻接近于零串聯(lián)電阻接近于零，旁路電阻趨近于無

23、窮旁路電阻趨近于無窮大大，也就也就可當做理想的太陽電池可當做理想的太陽電池看待?？创?。理想太陽能電池理想太陽能電池的等效電路圖以及變量關(guān)系的等效電路圖以及變量關(guān)系由于電路中無電源，電壓由于電路中無電源，電壓U=IRU=IR實際加在太陽電池的結(jié)上，即實際加在太陽電池的結(jié)上，即結(jié)處于正向偏置。一旦結(jié)處于結(jié)處于正向偏置。一旦結(jié)處于正 向 偏 置 時 ， 二 極 管 電 流正 向 偏 置 時 ， 二 極 管 電 流I Id d=I=I0 0exp(qU/AkT)-1exp(qU/AkT)-1朝著與朝著與光激發(fā)產(chǎn)生的載流子形成的光光激發(fā)產(chǎn)生的載流子形成的光電 流電 流 I Ip hp h相 反 的 方

24、向 流 動 。相 反 的 方 向 流 動 。0exp1phdphIIIIIqU AkT(1) (1) 因而因而流流過負載電阻過負載電阻的電流值的電流值為為 -(1)-(1)式式測試輸出特性測試輸出特性PN作業(yè)一作業(yè)一n1. 闡述闡述PN結(jié)的形成過程，并畫出示意圖。結(jié)的形成過程，并畫出示意圖。n2.結(jié)合示意圖，闡述晶體硅太陽能電池的工結(jié)合示意圖，闡述晶體硅太陽能電池的工作原理，要求畫出光照時載流子的運動和電作原理，要求畫出光照時載流子的運動和電流方向。流方向。PN結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置內(nèi)電場減弱，使擴散加強，內(nèi)電場減弱，使擴散加強，擴散擴散 飄移，形成正向電流，飄移，形成正向電流，PN結(jié)導(dǎo)通結(jié)導(dǎo)通

25、正向電流PN結(jié)反向偏置結(jié)反向偏置內(nèi)電場增強，抑制擴散、加劇漂內(nèi)電場增強，抑制擴散、加劇漂移，移，形成反向電流，也稱漂移電形成反向電流，也稱漂移電流，因為漂移電流是由少子運動流，因為漂移電流是由少子運動引起的，而其數(shù)目極少，因此漂引起的，而其數(shù)目極少，因此漂移電流很小，?？珊雎圆挥?，認移電流很小，?？珊雎圆挥?，認為為PN結(jié)處于截止狀態(tài)。結(jié)處于截止狀態(tài)。反向飽和電流反向飽和電流很小，很小， A級級反向飽和電流反向飽和電流n是指給是指給PNPN結(jié)加一結(jié)加一反偏電壓時反偏電壓時，外加的電壓使得，外加的電壓使得PNPN結(jié)的耗結(jié)的耗盡層變寬，結(jié)電場（即內(nèi)建電場）變大，電子的電勢能盡層變寬，結(jié)電場（即內(nèi)建電

26、場）變大，電子的電勢能增加，增加，P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的區(qū)的多數(shù)載流子多數(shù)載流子（P P區(qū)多子為空穴，區(qū)多子為空穴，N N區(qū)多區(qū)多子為電子）子為電子）就很難越過勢壘就很難越過勢壘，因此，因此擴散電流趨近于零擴散電流趨近于零；n但是由于結(jié)電場的增加，使得但是由于結(jié)電場的增加，使得N N區(qū)和區(qū)和P P區(qū)中的區(qū)中的少數(shù)載流子少數(shù)載流子更容易產(chǎn)生漂移運動更容易產(chǎn)生漂移運動，因此在這種情況下，因此在這種情況下，PNPN結(jié)內(nèi)的電結(jié)內(nèi)的電流由起支配作用的流由起支配作用的漂移電流決定漂移電流決定。漂移電流的方向與擴。漂移電流的方向與擴散電流的方向相反，表現(xiàn)在外電路上有一個流入散電流的方向相反，表現(xiàn)在外電路上

27、有一個流入N N區(qū)的區(qū)的反向電流，它是由少數(shù)載流子的漂移運動形成的。反向電流，它是由少數(shù)載流子的漂移運動形成的。由于由于少數(shù)載流子是由少數(shù)載流子是由本征激發(fā)本征激發(fā)而產(chǎn)生而產(chǎn)生的，在溫度一定的情況的，在溫度一定的情況下，熱激發(fā)產(chǎn)生的少子數(shù)量是一定的，電流趨于恒定。下，熱激發(fā)產(chǎn)生的少子數(shù)量是一定的，電流趨于恒定。2.2.2 光伏電池的光伏電池的伏安特性曲線伏安特性曲線太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù) 由上式可知，當負載由上式可知，當負載R R從從0 0變到無變到無窮大時，窮大時，負載負載R R兩端的電壓兩端的電壓U U和和流流過電流過電流I I 之間的關(guān)系曲線，即為之間的關(guān)系曲線

28、，即為太陽電池的負載特性曲線，太陽電池的負載特性曲線，通常通常稱為稱為太陽電池的伏安特性曲線太陽電池的伏安特性曲線，以前習(xí)慣稱為以前習(xí)慣稱為I-VI-V特性曲線。特性曲線。0exp1SSphshq UIRUIRIIAkTRphdshIIII流過負載的電流為流過負載的電流為(1) 伏安特性曲線的表示方法：伏安特性曲線的表示方法：NP內(nèi)建電場內(nèi)建電場下電極下電極上電極上電極-+-+-電流從上圖可以看出：從上圖可以看出： 光照時，光照時，光伏電池光伏電池的電流方向的電流方向與與PNPN節(jié)反節(jié)反向電流向電流相同。相同。a)伏安特性曲線的一種表示方法伏安特性曲線的一種表示方法附：附： 半導(dǎo)體二極管伏安特

29、性半導(dǎo)體二極管伏安特性mV26常溫下) 1e (TSTUIiUu材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.50.8V1A以下鍺Ge0.1V0.10.3V幾十Ab. 光伏電池伏安特性曲線光伏電池伏安特性曲線通常把電流取為正值通常把電流取為正值伏安特性曲線的伏安特性曲線的另外一種表示方法另外一種表示方法硅太陽能電池在不同光照下的伏安特性曲線硅太陽能電池在不同光照下的伏安特性曲線伏安特性曲線的伏安特性曲線的測量過程測量過程L（1 1）調(diào)節(jié)負載電阻）調(diào)節(jié)負載電阻R RL L，足夠足夠小，測短路電流小，測短路電流sc sc ( (short circuit currentshort circui

30、t current).). (2) (2)調(diào)節(jié)負載電阻調(diào)節(jié)負載電阻R RL L，足夠大，足夠大，測開路電壓（測開路電壓（open open circuitcircuit voltagevoltage）。）。（3 3）不斷調(diào)節(jié)負載電阻）不斷調(diào)節(jié)負載電阻R RL L，把光伏電池的輸出電壓和把光伏電池的輸出電壓和電流繪制下來就可以得到電流繪制下來就可以得到伏安特性曲線。伏安特性曲線。實際上，通常并不是通過計算，而是通過實驗測試的方法來得到。實際上，通常并不是通過計算，而是通過實驗測試的方法來得到。 對于一般的太陽電池對于一般的太陽電池，可近似認為可近似認為接近于理想的太陽電池接近于理想的太陽電池，即

31、太陽電，即太陽電池的串聯(lián)電阻值為零，旁路電阻為池的串聯(lián)電阻值為零，旁路電阻為無窮大。無窮大。下面，考察下面，考察理想太陽能電池的開路電理想太陽能電池的開路電壓壓和和短路電流短路電流。(2)開路電壓開路電壓理想情況下理想情況下, , 流入負載電阻的電流值為流入負載電阻的電流值為 0exp1phdphDIIIIIqUnkT由由=0=0（開路），則（開路），則I I0 0為為PNPN結(jié)的反向飽和電流結(jié)的反向飽和電流 當開路時，當開路時，I=0，此時電壓，此時電壓U即為開路電壓即為開路電壓Uoc00ln(1)lnphphocIIAkTAkTUqIqI太陽電池的開路電壓太陽電池的開路電壓Uoc與電池面積

32、大小無關(guān)，一般單晶硅太與電池面積大小無關(guān)，一般單晶硅太陽電池的開路電壓約為陽電池的開路電壓約為450600mV，最高可達，最高可達700mV左右。左右。n對于晶體硅太陽能電池，必須要有對于晶體硅太陽能電池，必須要有p-np-n結(jié)的存在，而這個結(jié)的存在，而這個p-np-n結(jié)的結(jié)的存在才能在光照下引起開路電勢。開路電勢反應(yīng)了存在才能在光照下引起開路電勢。開路電勢反應(yīng)了p-np-n結(jié)電場的強結(jié)電場的強度。當度。當n n型硅和型硅和p p型硅接觸時，由于型硅接觸時，由于n n型硅的費米能級偏負，而型硅的費米能級偏負，而p p型型硅的能級偏正，我們知道，任何兩種材料接觸在一起后，由于晶硅的能級偏正，我們

33、知道，任何兩種材料接觸在一起后，由于晶體界面電子空穴的相互擴散，平衡后會達到統(tǒng)一費米能級，所以體界面電子空穴的相互擴散，平衡后會達到統(tǒng)一費米能級，所以當當p-np-n結(jié)形成后，結(jié)形成后，n n型費米能級正移，型費米能級正移，p p型費米能級負移，最終達到型費米能級負移，最終達到統(tǒng)一能級，這時候由于統(tǒng)一能級，這時候由于n n型費米正移，就會拉動型費米正移，就會拉動n n型材料體相導(dǎo)帶型材料體相導(dǎo)帶正移，而晶體界面處由于存在電子空穴交換不會移動，所以導(dǎo)帶正移，而晶體界面處由于存在電子空穴交換不會移動，所以導(dǎo)帶形成上彎型，同樣原理形成上彎型，同樣原理p p型導(dǎo)帶會最終下彎。當體系收到光照時，型導(dǎo)帶會

34、最終下彎。當體系收到光照時，光生伏打效應(yīng)產(chǎn)生，電子轉(zhuǎn)移到光生伏打效應(yīng)產(chǎn)生，電子轉(zhuǎn)移到n n型材料上，空穴轉(zhuǎn)移到型材料上，空穴轉(zhuǎn)移到p p型材料型材料上，由于電子空穴的不平衡，上，由于電子空穴的不平衡，n n型導(dǎo)帶負移，型導(dǎo)帶負移，p p型導(dǎo)帶正移，它倆型導(dǎo)帶正移，它倆拉開的電位差就為開路電勢。所以，當材料的禁帶寬度越寬，拉開的電位差就為開路電勢。所以，當材料的禁帶寬度越寬，pnpn材料達到共同費米能級時移動空間必然越大，這樣當有光照時，材料達到共同費米能級時移動空間必然越大，這樣當有光照時，從新拉開的電位空間就越大，自然開路電勢越大。從新拉開的電位空間就越大，自然開路電勢越大。或許你要問，比如

35、單晶的或許你要問，比如單晶的TiO2TiO2沒有沒有pnpn結(jié)的存在，但是將其電極置結(jié)的存在，但是將其電極置于電解液中，開光照射依然有開路電勢，其實道理很簡單，因為于電解液中，開光照射依然有開路電勢，其實道理很簡單，因為電解液有氧化還原電位，這個氧化還原電位將于電解液有氧化還原電位，這個氧化還原電位將于TiO2TiO2的費米能級的費米能級按同樣的原理組成液結(jié)。按同樣的原理組成液結(jié)。 又又phphSCSC，則，則0ln1phocIAkTUqI0ln1ocscnkTUIIq開路電壓開路電壓開路電壓開路電壓1ln0IIqnkTVscoc在可以忽略串聯(lián)、并聯(lián)電阻的影響時，在可以忽略串聯(lián)、并聯(lián)電阻的影響

36、時，I ISCSC為與入射為與入射光強度成正比的值，光強度成正比的值，(a) (a) 在很弱的陽光下，在很弱的陽光下，I ISCSCI0 0，0lnIIqnkTVscoc由此可見，由此可見，在陽光較弱時在陽光較弱時，硅太陽電池的開路電壓隨光的強，硅太陽電池的開路電壓隨光的強度作近似直線的變化。度作近似直線的變化。而而當有較強的陽光時當有較強的陽光時，V VOCOC則與入射光的強度的對數(shù)成正比。則與入射光的強度的對數(shù)成正比。 圖圖2 2 開路電壓與短路開路電壓與短路電流的關(guān)系電流的關(guān)系圖圖2 2表示具有代表性的硅和表示具有代表性的硅和GaAsGaAs太陽太陽電池的電池的I ISCSC與與V Vo

37、coc之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。SiSi與與GaAsGaAs比較，因比較，因GaAsGaAs的禁帶寬度的禁帶寬度寬，故寬，故I I0 0值比值比SiSi的小幾個數(shù)量級，的小幾個數(shù)量級，GaAsGaAs的的V VOCOC值比值比SiSi的高的高0.450.45伏左右。伏左右。假如結(jié)形成的很好，禁帶寬度愈寬假如結(jié)形成的很好，禁帶寬度愈寬的半導(dǎo)體，的半導(dǎo)體，V VOCOC也愈大。也愈大。(1) 反向電流是反向電流是少子的漂移電流少子的漂移電流決決定，對不同的半導(dǎo)體材料，在一定定，對不同的半導(dǎo)體材料，在一定 溫度下，禁帶寬度溫度下，禁帶寬度Eg愈大，本征載愈大，本征載流子濃度執(zhí)就愈小。流子濃度執(zhí)就愈小。

38、 二極管二極管PN結(jié)結(jié)的反向飽和電流密度與其成比例。的反向飽和電流密度與其成比例。 1ln0IIqnkTVscocI I0 0為為PNPN結(jié)的反向飽和電流結(jié)的反向飽和電流 太陽電池的短路電流太陽電池的短路電流Isc與太陽與太陽電池的面積大小有關(guān)，面積越大，電池的面積大小有關(guān)，面積越大，Isc越大，一般越大，一般1cm2的單晶硅太陽電的單晶硅太陽電池池Isc=1630mA。/()0(1)qUAkTphDphIIIIIe(3) 短路電流短路電流當當RL=0時，電路短路，時，電路短路，此時此時太太陽電池的陽電池的端電壓為零端電壓為零，對應(yīng)的，對應(yīng)的電流就是短路電流，電流就是短路電流，通常用通常用Is

39、c來表示。來表示。由下式可知：由下式可知：當當U=0時，時，Isc=Iph（4）曲線因子）曲線因子 又稱填充因子又稱填充因子填充因子填充因子是表征太陽電池性能是表征太陽電池性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)優(yōu)劣的一個重要參數(shù)，定義為定義為太陽電池的最大功率太陽電池的最大功率與與開路電開路電壓和短路電流的乘積壓和短路電流的乘積之比之比，通，通常用常用FF(或或CF)表示：表示：scocmmscocmIVIVIVPFFM M 處為最大功率點處為最大功率點FFFF為太陽電池的重要表征參數(shù)，為太陽電池的重要表征參數(shù)，F(xiàn)FFF愈大則輸出的功愈大則輸出的功率愈高。率愈高。FFFF取決于入射光強、材料的禁帶寬度、理取決

40、于入射光強、材料的禁帶寬度、理想系數(shù)、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等。想系數(shù)、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等。(5) 最大功率點最大功率點伏安特性曲線伏安特性曲線 在一定的太陽輻照度和工在一定的太陽輻照度和工作溫度的條件下，作溫度的條件下，伏安特伏安特性曲線上的任何一點都是性曲線上的任何一點都是工作點工作點，工作點所對應(yīng)的縱橫坐標，即為工作電流和工作電工作點所對應(yīng)的縱橫坐標，即為工作電流和工作電壓壓, ,其乘積其乘積P=IU P=IU 為電池的輸出功率。為電池的輸出功率。工作點負載線負載線最大功率如何確定呢？最大功率如何確定呢？ 工作點和原點的工作點和原點的連線稱為負載線連線稱為負載線，負載線負載線斜率的倒數(shù)即為

41、負載電阻斜率的倒數(shù)即為負載電阻RL的值的值；U（1）等功率線等功率線與與伏伏安特性曲線的切點安特性曲線的切點，即為最佳工作點即為最佳工作點。該點處輸出功率最該點處輸出功率最大，大，Um/Im 為最佳為最佳負載電阻負載電阻 .確定最大輸出功率點的方法確定最大輸出功率點的方法確定最大輸出功率點的方法確定最大輸出功率點的方法（2）為了精確計算）為了精確計算最大功率點，可根最大功率點，可根據(jù)伏安特性曲線繪據(jù)伏安特性曲線繪出功率隨電壓的變出功率隨電壓的變化關(guān)系圖化關(guān)系圖,即即P-u圖，圖，求極值即可。求極值即可。 通常通常太陽電池所標明的功率太陽電池所標明的功率，是指在標準工作，是指在標準工作條件下最大

42、功率點所對應(yīng)的功率。條件下最大功率點所對應(yīng)的功率。實際工作時，實際工作時，往往并往往并不是在標準測試條件下不是在標準測試條件下工作工作，而且一般也，而且一般也不一定符合最佳負載不一定符合最佳負載的條的條件，再加上一天中太陽輻照度和溫度也在不件，再加上一天中太陽輻照度和溫度也在不斷變化，所以真正能夠達到額定輸出功率的斷變化，所以真正能夠達到額定輸出功率的時間很少。時間很少。有些光伏系統(tǒng)有些光伏系統(tǒng)采用采用“最大功率跟蹤器最大功率跟蹤器”，可，可在一定程度上增加輸出的電能。在一定程度上增加輸出的電能。%100inmPP(6) 太陽電池的轉(zhuǎn)換效率太陽電池的轉(zhuǎn)換效率n太陽電池的轉(zhuǎn)換效率太陽電池的轉(zhuǎn)換效

43、率定義為太陽電池定義為太陽電池的最大輸出功率與的最大輸出功率與照射到該電池上的總照射到該電池上的總輻射功率輻射功率P Pinin之比，即之比，即研究表明，造成太陽能電池能量損失的主要研究表明，造成太陽能電池能量損失的主要因素有：因素有：第一位的損失是熱損失，第一位的損失是熱損失，光生載流子對光生載流子對 能能很快地將能帶多余的能量以熱的形式損失掉。很快地將能帶多余的能量以熱的形式損失掉。為減少熱損失，可設(shè)法讓通過電池的光子能為減少熱損失，可設(shè)法讓通過電池的光子能量恰好大于帶隙能量，使光子的能量激發(fā)出量恰好大于帶隙能量，使光子的能量激發(fā)出的光生載流子無多余的能量可損失。的光生載流子無多余的能量可

44、損失。n另一主要損失是電子空穴對引起的。為減少另一主要損失是電子空穴對引起的。為減少電子空穴結(jié)合所造成的損失，可設(shè)法延長光生電子空穴結(jié)合所造成的損失，可設(shè)法延長光生載流子壽命，這可通過消除不必要的缺陷來實載流子壽命，這可通過消除不必要的缺陷來實現(xiàn)?，F(xiàn)。造成太陽能電池能量損失的主要因素有：造成太陽能電池能量損失的主要因素有：還有一部分能量是由還有一部分能量是由p-np-n結(jié)和接觸電壓損失引結(jié)和接觸電壓損失引起的。為減少起的。為減少p-np-n結(jié)的接觸電壓損失，可通過聚結(jié)的接觸電壓損失，可通過聚焦太陽光以加大光子密度的方法來實現(xiàn)焦太陽光以加大光子密度的方法來實現(xiàn)。2.3 光伏電池的外特性光伏電池的

45、外特性n2.3.1 光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)n2.3.2 溫度特性和光照特性溫度特性和光照特性n2.3.3 負載特性負載特性概述概述n光伏電池工作光伏電池工作環(huán)境環(huán)境的多種外部因素，如的多種外部因素，如光照強度光照強度、環(huán)境溫度環(huán)境溫度、粒子輻射粒子輻射等都會等都會對電池的性能指標帶來影響，而且對電池的性能指標帶來影響，而且溫度溫度的影響的影響和和光照強度光照強度的影響還常常同時存的影響還常常同時存在在.n為了保證光伏電池具有較高的工作效率為了保證光伏電池具有較高的工作效率和較穩(wěn)定的性能，其和較穩(wěn)定的性能，其制造工藝制造工藝、組合安組合安裝裝，以及在，以及在設(shè)計配套的控制系統(tǒng)設(shè)計配套的控制系統(tǒng)時，都時

46、，都要考慮改善光伏電池外特性的問題。要考慮改善光伏電池外特性的問題。 2.3.1 光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)太陽電池并不能太陽電池并不能把任何一種光都同把任何一種光都同樣地轉(zhuǎn)換成電，不樣地轉(zhuǎn)換成電，不同同波長波長的光轉(zhuǎn)變?yōu)榈墓廪D(zhuǎn)變?yōu)殡姷谋壤膊煌?，電的比例也不同，這種特性稱為光譜這種特性稱為光譜響應(yīng)特性響應(yīng)特性 光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)n分析光伏電池的光譜響應(yīng)，通常是討論它分析光伏電池的光譜響應(yīng)，通常是討論它的的相對光譜響應(yīng)相對光譜響應(yīng)，其定義是，其定義是，當各種波長當各種波長一定等量的輻射光子束人射到光伏電池上，一定等量的輻射光子束人射到光伏電池上，所產(chǎn)生的短路電流與所產(chǎn)生的短路電流與其中其中最大最大短路電流

47、短路電流相相比較比較，按波長的分布求其比值變化曲線即，按波長的分布求其比值變化曲線即為相對光譜響應(yīng)。為相對光譜響應(yīng)。n而而絕對光譜響應(yīng)絕對光譜響應(yīng)指的是，當指的是，當各種各種波長的單波長的單位輻射光能位輻射光能或?qū)?yīng)的光子人射到光伏電池或?qū)?yīng)的光子人射到光伏電池上，將產(chǎn)生不同的短路電流，按波長的分上，將產(chǎn)生不同的短路電流，按波長的分布求出對應(yīng)的布求出對應(yīng)的短路電流短路電流變化曲線。變化曲線。硅型光伏電池的硅型光伏電池的相應(yīng)光譜響應(yīng)曲線相應(yīng)光譜響應(yīng)曲線n能夠產(chǎn)生光生伏特能夠產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的太陽輻射波效應(yīng)的太陽輻射波長范圍一般在長范圍一般在0.41.2m。左右。左右的范圍內(nèi)，不論是的范圍內(nèi)，不論

48、是波長小于波長小于0. 4m太太陽光分量輻射，還陽光分量輻射，還是波長大于是波長大于1.2m的太陽光無法產(chǎn)生的太陽光無法產(chǎn)生光電流。而硅型光光電流。而硅型光伏電池光譜響應(yīng)最伏電池光譜響應(yīng)最大靈敏度在大靈敏度在0.80.95m之間之間 硅型光伏電池的相應(yīng)光譜響應(yīng)曲線硅型光伏電池的相應(yīng)光譜響應(yīng)曲線 2.3.2 溫度特性和光照特性溫度特性和光照特性2.3.2 溫度特性和光照特性溫度特性和光照特性Pm=FFIscUoc1. 溫度的升高對硅電池的發(fā)電效率有不利影響溫度的升高對硅電池的發(fā)電效率有不利影響。2.光強越強，發(fā)光效果越好光強越強，發(fā)光效果越好通過對書中圖片的分析可以看到通過對書中圖片的分析可以看

49、到2.2.光強越強，發(fā)光效果越好光強越強，發(fā)光效果越好2.3.3 負載特性負載特性（1）無偏壓時光）無偏壓時光伏電池的伏安特性伏電池的伏安特性VRI1IRV（2）有偏壓和有電阻時的伏安特性）有偏壓和有電阻時的伏安特性bUERI1bIRUE理想光伏電池的等效電路圖理想光伏電池的等效電路圖只有負載只有負載沒有偏壓時的電路圖沒有偏壓時的電路圖PNUL有負載和偏壓時有負載和偏壓時的電路圖的電路圖PNULEbLbLLUERI2.4 光伏電池性能的檢測光伏電池性能的檢測n1.組裝工藝質(zhì)量檢查組裝工藝質(zhì)量檢查 n2.電性能測試電性能測試 1. 1. 組裝工藝質(zhì)量檢查組裝工藝質(zhì)量檢查 o普通檢測是用目測檢查和

50、光學(xué)儀器檢查，精密普通檢測是用目測檢查和光學(xué)儀器檢查，精密檢測可用紅外線發(fā)射法、聲發(fā)射法、紅外顯微鏡檢測可用紅外線發(fā)射法、聲發(fā)射法、紅外顯微鏡和全息照相技術(shù)等來檢測焊接質(zhì)量。和全息照相技術(shù)等來檢測焊接質(zhì)量。o主要檢查的內(nèi)容包括主要檢查的內(nèi)容包括光伏電池板表面光伏電池板表面、串并聯(lián)串并聯(lián)接點的焊接質(zhì)量接點的焊接質(zhì)量、封裝板的膠接質(zhì)量封裝板的膠接質(zhì)量等。等。o它是保證光伏發(fā)電工程質(zhì)量非常重要的環(huán)節(jié)，它是保證光伏發(fā)電工程質(zhì)量非常重要的環(huán)節(jié)，其質(zhì)量標準分為其質(zhì)量標準分為功能性功能性和和裝飾性裝飾性兩類。功能性質(zhì)兩類。功能性質(zhì)量問題直接影響到光伏陣列的性能指標、可靠性量問題直接影響到光伏陣列的性能指標、

51、可靠性和壽命和壽命;而裝飾性間題則影響不大。而裝飾性間題則影響不大。2.電性能測試電性能測試. . 電性能電性能測試光源測試光源的發(fā)展的發(fā)展 早期進行光伏電池或光伏陣列的電性能測試，所早期進行光伏電池或光伏陣列的電性能測試，所用光源只是用光源只是理想天氣條件下的自然光源理想天氣條件下的自然光源。它的它的優(yōu)勢是優(yōu)勢是：可使大面積的光伏陣列均勻受光，測量可使大面積的光伏陣列均勻受光，測量結(jié)果真實可信，經(jīng)濟實用結(jié)果真實可信，經(jīng)濟實用; ; 缺點是：缺點是：好天可遇不可求好天可遇不可求，同時，同時自然光源的輻射強度自然光源的輻射強度既不穩(wěn)定也不可調(diào)既不穩(wěn)定也不可調(diào)，做一條隨光強連續(xù)變化特性曲線，做一條

52、隨光強連續(xù)變化特性曲線的試驗需要的周期時間長。這些都對光伏電池的試驗的試驗需要的周期時間長。這些都對光伏電池的試驗條件帶來很大的局限性。條件帶來很大的局限性。測試光源測試光源的發(fā)展的發(fā)展n為此，人們從為此，人們從2020世紀世紀5 05 0年代末期年代末期開始逐漸嘗試開始逐漸嘗試用各式各樣的燈光來模擬太陽光做試驗，其中包用各式各樣的燈光來模擬太陽光做試驗，其中包括白熾燈、鎢燈、水銀弧燈和高壓氛弧燈等。隨括白熾燈、鎢燈、水銀弧燈和高壓氛弧燈等。隨著科學(xué)的進步，各種著科學(xué)的進步，各種太陽模擬器太陽模擬器也應(yīng)運而生。也應(yīng)運而生。n它們不但能模擬產(chǎn)生出與真實太陽類似的輻射它們不但能模擬產(chǎn)生出與真實太陽類似的輻射光譜的光源。光譜的光源。n 還能以平行光束的形式照射到被測物體上。還能以平行光束的形式照射到被測物體上。使用太陽模擬器的最大