太陽電池發(fā)電原理

太陽電池發(fā)電原理第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六授課時間：第19講：太陽電池原理及參數(shù)目的要求：1、了解光伏發(fā)電的參數(shù)2、掌握光伏發(fā)電的基本原理知識點或技能點：光伏發(fā)電的基本原理重點難點：重點：光伏發(fā)電的基本原理難點：光伏發(fā)電的基本原理教學(xué)手段（含教具）：多媒體演示課外練習(xí)或訓(xùn)練：1、光伏發(fā)電的應(yīng)用范圍2、光伏發(fā)電的基本原理第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六

圖中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有3個電子，所以就會產(chǎn)生如圖所示的藍色的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P（positive）型半導(dǎo)體。

1.P型半導(dǎo)體第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六2.N型半導(dǎo)體

圖中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而黃色的表示摻入的磷原子，紅色的為多余的電子，因為磷原子周圍只有5個電子，所以就會有一個電子變得非?；钴S，形成N（negative）型半導(dǎo)體。

第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六3、P-N結(jié)內(nèi)電場的形成多子空穴，少子自由電子多子自由電子，少子空穴多子的擴散運動內(nèi)電場濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六4.P-N結(jié)光伏效應(yīng)NP光照射到P-N結(jié)上，產(chǎn)生電子-空穴對，然后在內(nèi)建電場的作用下，電子被拉到N極的一端，空穴被拉到P極的一端，使P區(qū)的電勢高于N區(qū)的電勢，兩端產(chǎn)生一個光生電動勢，在電子、空穴的移動過程中形成光生電流，這一現(xiàn)象稱為P-N結(jié)的光生伏打效應(yīng)。PPNP內(nèi)電場EPNIph第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六PNIph上電極下電極光生電動勢U第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六2.太陽能電池發(fā)電的基本原理太陽能電池發(fā)電原理是根據(jù)P-N結(jié)的光生伏打效應(yīng)，將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六光伏基礎(chǔ)——太陽電池分類1、按結(jié)構(gòu)分類：同質(zhì)結(jié)太陽電池、異質(zhì)結(jié)太陽電池、肖特基結(jié)太陽電池、復(fù)合結(jié)太陽電池以及液晶太陽電池。同質(zhì)節(jié)光伏電池：由同一種半導(dǎo)體材料所形成的PN結(jié)或梯度結(jié)稱為同質(zhì)結(jié)。用同質(zhì)結(jié)構(gòu)成的電池稱為同質(zhì)結(jié)太陽電池，如硅、砷化鎵太陽電池。第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六異質(zhì)結(jié)太陽電池：由兩種禁帶寬帶不同的半導(dǎo)體材料形成的異質(zhì)結(jié)。用異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的太陽電池稱為異質(zhì)結(jié)太陽電池，如氧化錫/硅太陽能電池、硫化亞銅/硫化鎘太陽電池、砷化鎵/硅太陽電池等。肖特基結(jié)太陽電池：利用金屬-半導(dǎo)體界面的肖特基勢壘構(gòu)成的光伏電池，也稱為MS太陽電池，如鉑/肖特基太陽電池、鋁/肖特基太陽電池等。其原理是基于金屬-半導(dǎo)體接觸時，在一定條件下產(chǎn)生整流接觸的肖特基效應(yīng)。光伏基礎(chǔ)——太陽電池分類第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六多結(jié)太陽電池：由多個P-N結(jié)形成的調(diào)養(yǎng)電池，又稱復(fù)合結(jié)太陽電池，有垂直多結(jié)太陽電池、水平多結(jié)太陽電池等。液結(jié)太陽電池：用浸入電解質(zhì)中的半導(dǎo)體構(gòu)成的太陽電池，也稱為光電化學(xué)電池。2、按材料分類：晶體硅太陽電池（非晶硅薄膜、微晶硅薄膜、納晶硅薄膜太陽電池）、硒光電池、化合物太陽電池（硫化鎘，硒銦銅，碲化鎘，砷化鎵太陽電池）以及染料太陽電池。光伏基礎(chǔ)——太陽電池分類第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六光伏基礎(chǔ)——太陽電池分類第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六光伏基礎(chǔ)——太陽電池分類第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六常規(guī)晶體硅太陽電池單晶硅太陽電池實驗室最高效率：24.7%商業(yè)化批量生產(chǎn)效率：17%多晶硅太陽電池實驗室最高效率：20.3%商業(yè)化批量生產(chǎn)效率：16%光伏基礎(chǔ)——太陽電池分類第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六非晶硅/微晶硅雙疊層太陽電池光伏基礎(chǔ)——太陽電池分類第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六背面電極n-GaAs襯底n-GaAs緩沖區(qū)n-GaAs基區(qū)P-GaAs發(fā)射區(qū)P-AIGaAs窗口層P-GaAs帽層減反射膜正面電極有帽層PPNN型GaAs太陽電池結(jié)構(gòu)示光伏基礎(chǔ)——太陽電池分類第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六FirstSolar碲化鎘(CdTe)薄膜太陽電池光伏基礎(chǔ)——太陽電池分類第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六CIGS太陽電池結(jié)構(gòu)光伏基礎(chǔ)——太陽電池分類第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六DSSC太陽電池結(jié)構(gòu)光伏基礎(chǔ)——太陽電池分類第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六1.標準測試條件光源輻照度：1000W/m2

；是標準測試太陽能電池的光線入射強度。

測試溫度：25±20C；AM1.5地面太陽光譜輻照度分布。AM的意思是air-mass定義是：Path-lengththroughtheatmosphererelativetoverticalthicknessoftheatmosphere。就是光線通過大氣的實際距離比上大氣的垂直厚度AM=1/cosφ,其中φ=48.2o光伏基礎(chǔ)——太陽電池參數(shù)第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六2.伏安(I-V)特性曲線光伏基礎(chǔ)——太陽電池參數(shù)不同輻照度下電池的I-V特性曲線第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六3.開路電壓在一定的溫度和輻照度條件下，光伏發(fā)電器在空載(開路)情況下的端電壓，通常用Voc來表示。正比。

光伏基礎(chǔ)——太陽電池參數(shù)第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六4.短路電流在一定的溫度和輻照條件下，光伏發(fā)電器在端電壓為零時的輸出電流，通常用Isc來表示。Isc與太陽電池的面積大小有關(guān)，面積越大，Isc越大。一般1cm2的太陽電池Isc值約為16~30mA。Isc與入射光的輻照度成正比。Isc隨溫度上升略有增加。光伏基礎(chǔ)——太陽電池參數(shù)第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六5.最大功率點

在太陽電池的伏安特性曲線上對應(yīng)最大功率的點，又稱最佳工作點。6.最佳工作電壓

太陽電池伏安特性曲線上最大功率點所對應(yīng)的電壓。通常用Vm表示。7.最佳工作電流

太陽電池伏安特性曲線上最大功率點所對應(yīng)的電流。通常用Im表示光伏基礎(chǔ)——太陽電池參數(shù)第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六8.填充因子(曲線因子)太陽電池的最大功率與開路電壓和短路電流乘積之比，通常用FF表示：

FF=ImVm/IscVoc

IscVoc是太陽電池的極限輸出功率

ImVm是太陽電池的最大輸出功率填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。

光伏基礎(chǔ)——太陽電池參數(shù)第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六9.轉(zhuǎn)換效率

受光照太陽電池的最大功率與入射到該太陽電池上的全部輻射功率的百分比。

η=VmIm/Pin

或η=FF*Isc*Voc/Pin其中Vm和Im分別為最大輸出功率點的電壓和電流，Pin為太陽光輸入功率。光伏基礎(chǔ)——太陽電池參數(shù)第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六10.電流溫度系數(shù)

在規(guī)定的試驗條件下，被測太陽電池溫度每變化10C，太陽電池短路電流的變化值，通常用α表示。

對于一般晶體硅電池：

α=+0.1%/0C11.電壓溫度系數(shù)在規(guī)定的試驗條件下，被測太陽電池溫度每變化10C，太陽電池開路電壓的變化值，通常用β表示。對于一般晶體硅電池：

β=-0.38%/0C

光伏基礎(chǔ)——太陽電池參數(shù)第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六(1)理想太陽電池等效電路：相當于一個電流為Iph的恒流電源與一只正向二極管并聯(lián)。流過二極管的正向電流稱為暗電流ID.流過負載的電流為I負載兩端的電壓為U光伏基礎(chǔ)——太陽電池等效電路第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六IphIDVRI理想的太陽電池等效電路光伏基礎(chǔ)——太陽電池等效電路第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六串聯(lián)電阻Rs的主要來源是：制造電池的半導(dǎo)體材料的體電阻、電極和互聯(lián)金屬的電阻，以及電極和半導(dǎo)體之間的接觸電阻。分流電阻Rsh則由于P-N結(jié)漏電引起的，其中包括繞過電池邊緣的漏電及由于結(jié)區(qū)存在晶體缺陷和外來雜質(zhì)的沉積物所以引起的內(nèi)部漏電。這兩種寄生電阻都會起到減小填充因子的作用，很高的Rs值和很低的Rsh值還會分別導(dǎo)致ISC和VOC的降低。寄生電阻：光伏基礎(chǔ)——太陽電池等效電路第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六根據(jù)結(jié)點電流的關(guān)系可以推出：Iph=ID+Ish+IL則IL=Iph-ID-Ish電壓關(guān)系：UJ=UL+ILRSUJ=IshRsh光伏基礎(chǔ)——太陽電池等效電路實際的太陽電池等效電路第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六暗電流ID是注入電流和復(fù)合電流之和，可以簡化為單指數(shù)形式：

ID=Io{exp(qUj/A0kT)-1}其中：Io為太陽電池在無光照時的飽和電流；

A0為結(jié)構(gòu)因子，它反映了p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)完整性對性能的影響；

K是玻爾茲曼恒量T是熱力學(xué)溫度

光伏基礎(chǔ)——太陽電池等效電路第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六因此得出:這就是光照情況下太陽電池的電流與電壓的關(guān)系。畫成圖形，即為(I-V)特性曲線。光伏基礎(chǔ)——太陽電池等效電路第33頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六在理想情況下：Rsh

→∞，Rs→0由此得到：I=Iph–

ID=Iph–

Ioo{exp(qU/A0kT)-1}在負載短路時，即Uj=0(忽略串聯(lián)電阻)，便得到短路電流，其值恰好與光電流相等

Isc=Iph光伏基礎(chǔ)——太陽電池等效電路第34頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六因此得出：