太陽能光伏發(fā)電原理

太陽能光伏發(fā)電原理

太陽能光伏電池——太陽能

電能

太陽能光伏發(fā)電原理3.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

1.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

（1）自由電子與自由電子濃度物質(zhì)由原子組成，原子由原子核和核外電子組成，電子受原子核的作用，按一定的軌道繞核高速運動。能在晶體中自由運動的電子，稱為“自由電子”，它是導(dǎo)體導(dǎo)電的電荷粒子。自由電子濃度：單位體積中自由電子的數(shù)量，稱為自由電子濃度，用n表示，它是決定物體導(dǎo)電能力的主要因素之一。

3.1太陽能光伏發(fā)電原理

（2）晶體中自由電子的運動由于晶體內(nèi)原子的振動，自由電子在晶體中做雜亂無章的運動。

電流：導(dǎo)體中的自由電子在電場力作用下的定向運動形成電流。

遷移率：在單位電場強度（1V/cm）下，定向運動的自由電子的“直線速度”，稱為自由電子的遷移率，用表示，這也是決定物體導(dǎo)電能力的主要因素。

電導(dǎo)率：表征物體導(dǎo)電能力的物理量，用表示,=en

電阻：導(dǎo)體中的自由電子定向運動形成電流所受到的“阻力”，它也表征表征物體導(dǎo)電能力。導(dǎo)體的電阻特性用電阻率表示（=1/）。導(dǎo)體電阻3.1太陽能光伏發(fā)電原理

（3）導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

導(dǎo)體，導(dǎo)電能力強的物體，電阻率為10-9~l0-6cm

；

絕緣體，不能導(dǎo)電或者導(dǎo)電能力微弱到可以忽略不計的物體，電阻率為108~l020cm

；

半導(dǎo)體，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體，電阻率為10-5~l07cm

。

導(dǎo)電機理：金屬導(dǎo)體導(dǎo)電是自由電子（n恒定）在電場力作用下的定向運動，電導(dǎo)率基本恒定；半導(dǎo)體導(dǎo)電是電子和空穴在電場力作用下的定向運動。電子和空穴的濃度隨溫度、雜質(zhì)含量、光照等變化較大，影響其導(dǎo)電能力。3.1太陽能光伏發(fā)電原理2.硅的晶體結(jié)構(gòu)

（1）硅的原子結(jié)構(gòu)

硅(Si)原子，原子序數(shù)14，原子核外14個電子，繞核運動，分層排列：內(nèi)層2個電子(滿)，第二層8個電子(滿)，第三層4個電子(不滿)，如圖3-1所示。圖3-1硅的原子結(jié)構(gòu)及其原子能級3.1太陽能光伏發(fā)電原理

（2）硅的晶體結(jié)構(gòu)

硅晶體中的硅原子在空間按面心立方晶格結(jié)構(gòu)無限排列，長程有序。每個硅原子近鄰有四個硅原子，每兩個硅原子間有一對電子與這兩個原子的原子核都有相互作用，稱為共價鍵?；诠矁r鍵作用，是硅原子緊密地結(jié)合在一起，構(gòu)成晶體。圖3-2硅的晶胞結(jié)構(gòu)3.1太陽能光伏發(fā)電原理硅晶體和所有的晶體都是由原子(或離子、分子)在空間按一定規(guī)則排列而成。這種對稱的、有規(guī)則的排列叫做晶體的晶格。一塊晶體如果從頭到尾都按一種方向重復(fù)排列，即長程有序，就稱其為單晶體。在硅晶體中，每個硅原子近鄰有四個硅原子，每兩個相鄰原子之間有一對電子，它們與兩個相鄰原子核都有相互作用，稱為共價鍵。正是靠共價鍵的作用，使硅原子緊緊結(jié)合在一起，構(gòu)成了晶體。由許多小顆粒單晶雜亂無章地排列在一起的固體稱為多晶體。非晶體沒有上述特征，但仍保留了相互間的結(jié)合形式，如一個硅原子仍有四個共價鍵，短程看是有序的，長程無序，這樣的材料稱為非晶體，也叫做無定形材料。3.1太陽能光伏發(fā)電原理

3.能級和能帶圖

電子在原子中的軌道運動狀態(tài)具有不同的能量—能級(E),

單一的電子能級，分裂成能量非常接近但又大小不同的許多電子能級，形成一個“能帶”。圖3-3單原子的電子能級對應(yīng)的固體能帶

3.1太陽能光伏發(fā)電原理4.禁帶、價帶和導(dǎo)帶

電子只能在各能帶內(nèi)運動，能帶之間的區(qū)域沒有電子態(tài),這個區(qū)域叫做“禁帶”，用Eg

表示。完全被電子填滿的能帶稱為“滿帶”，最高的滿帶容納價電子，稱為“價帶”,價帶上面完全沒有電子的稱為“空帶”。

有的能帶只有部分能級上有電子,一部分能級是空的。這種部分填充的能帶,在外電場的作用下,可以產(chǎn)生電流。

而沒有被電子填滿、處于最高滿帶上的一個能帶稱為“導(dǎo)帶”。

3.1太陽能光伏發(fā)電原理

4.禁帶、價帶和導(dǎo)帶

(a)金屬(b)半導(dǎo)體(c)絕緣體圖3-4金屬、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶3.1太陽能光伏發(fā)電原理4.禁帶、價帶和導(dǎo)帶

圖3-4晶體的能帶3.1太陽能光伏發(fā)電原理4.禁帶、價帶和導(dǎo)帶

禁帶寬度Eg價電子要從價帶越過禁帶跳躍到導(dǎo)帶里去參與導(dǎo)電運動，必須從外界獲得大于或等于Eg的附加能量，Eg的大小就是導(dǎo)帶底部與價帶頂部之間的能量差，稱為“禁帶寬度”或“帶隙”

表3-1半導(dǎo)體材料的禁帶寬度

材料SiGeGaAsCu(InGa)SeInPCdTeCdSEg/eV1.120.71.41.041.21.42.63.1太陽能光伏發(fā)電原理

金屬與半導(dǎo)體的區(qū)別：金屬的導(dǎo)帶和價帶重疊在一起，不存在禁帶，在一切條件下具有良好的導(dǎo)電性。半導(dǎo)體有一定的禁帶寬度，價電子必須獲得一定的能量（>Eg）“激發(fā)”到導(dǎo)帶才具有導(dǎo)電能力。激發(fā)的能量可以是熱或光的作用。

常溫下，每立方厘米的硅晶體，導(dǎo)帶上約有l(wèi)010個電子，每立方厘米的導(dǎo)體晶體的導(dǎo)帶中約有1022個電子。絕緣體禁帶寬度遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體，常溫下激發(fā)到導(dǎo)帶上的電子非常少，固其電導(dǎo)率很低

。3.1太陽能光伏發(fā)電原理5.電子和空穴

電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶（自由電子）后，在價帶中留下一個空位，稱為空穴，空穴移動也可形成電流。電子的這種躍遷形成電子-空穴對。電子和空穴都稱為載流子。

電子-空穴對不斷產(chǎn)生，又不斷復(fù)合。圖3-5具有一個斷鍵的硅晶體3.1太陽能光伏發(fā)電原理6.摻雜半導(dǎo)體

晶格完整且不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。

硅半導(dǎo)體摻雜少量的五價元素磷(P)—

N型硅

：自由電子數(shù)量多—多數(shù)載流子（多子）；空穴數(shù)量很少—少數(shù)載流子（少子）。電子型半導(dǎo)體或n型半導(dǎo)體。

摻雜少量的三價元素硼(B)

—P型硅：空穴數(shù)量多—多數(shù)載流子（多子）；自由電子數(shù)量很少—少數(shù)載流子(少子)?？昭ㄐ桶雽?dǎo)體或p型半導(dǎo)體。圖3-6n型和p型硅晶體結(jié)構(gòu)3.1太陽能光伏發(fā)電原理6.摻雜半導(dǎo)體-雜質(zhì)能級在摻雜半導(dǎo)體中，雜質(zhì)原子的能級處于禁帶之中，形成雜質(zhì)能級。五價雜質(zhì)原子形成施主能級，位于導(dǎo)帶的下面；三價雜質(zhì)原子形成受主能級，位于價帶的上面(圖3-7)。施主（或受主）能級上的電子（或空穴）跳躍到導(dǎo)帶（或價帶）中去的過程稱為電離。電離過程所需的能量就是電離能（很小0.04eV

），摻雜雜質(zhì)幾乎全部電離。

圖3-7施主和受主能級3.1太陽能光伏發(fā)電原理7.載流子的產(chǎn)生與復(fù)合由于晶格的熱振動，電子不斷從價帶被“激發(fā)”到導(dǎo)帶，形成一對電子和空穴（即電子-空穴對），這就是載流子產(chǎn)生的過程。電子和空穴在晶格中的運動是無規(guī)則的導(dǎo)帶中的電子落進(jìn)價帶的空能級，使一對電子和空穴消失。這種現(xiàn)象叫做電子和空穴的復(fù)合，即載流子復(fù)合。

一定的溫度下晶體內(nèi)產(chǎn)生和復(fù)合的電子-空穴對數(shù)目達(dá)到相對平衡，晶體的總載流子濃度保持不變，熱平衡狀態(tài)。由于光照作用，產(chǎn)生光生電子-空穴對，電子和空穴的產(chǎn)生率就大于復(fù)合率，形成非平衡載流子，稱為光生載流子。

3.1太陽能光伏發(fā)電原理

8.載流子的輸運半導(dǎo)體中存在能夠?qū)щ姷淖杂呻娮雍涂昭ǎ@些載流子有兩種輸運方式：漂移運動和擴散運動。載流子在熱平衡時作不規(guī)則的熱運動，與晶格、雜質(zhì)、缺陷發(fā)生碰撞，運動方向不斷改變，平均位移等于零，這種現(xiàn)象叫做散射。散射不會形成電流。半導(dǎo)體中載流子在外加電場的作用下，按照一定方向的運動稱為漂移運動。外界電場的存在使載流子作定向的漂移運動，并形成電流。擴散運動是半導(dǎo)體在因外加因素使載流子濃度不均勻而引起的載流子從濃度高處向濃度低處的遷移運動。擴散運動和漂移運動不同，它不是由于電場力的作用產(chǎn)生的，而是由于載流子濃度差的引起的。3.1.2p-n結(jié)n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體緊密接觸，在交界處n區(qū)中電子濃度高，要向p區(qū)擴散，在N區(qū)一側(cè)就形成一個正電荷的區(qū)域；同樣，p區(qū)中空穴濃度高，要向n區(qū)擴散，p區(qū)一側(cè)就形成一個負(fù)電荷的區(qū)域。這個n區(qū)和p區(qū)交界面兩側(cè)的正、負(fù)電荷薄層區(qū)域稱為“空間電荷區(qū)”，即p-n結(jié)—內(nèi)建電場E—電勢差UD—電勢能電勢能=電荷×電勢=(q)(UD)=qUDqUD通常稱作勢壘高度。

內(nèi)建電場一方面阻止“多子”的擴散運動，另一方面增強“少子”漂移運動，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。3.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.2p-n結(jié)(a)n區(qū)電子往P區(qū)(b)p區(qū)空穴往N區(qū)(c)p-n結(jié)電場擴散在n區(qū)形成帶擴散在p區(qū)形成帶正電的薄層A負(fù)電的薄層B圖3-8p-n結(jié)電子與空穴的擴散3.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.2p-n結(jié)(a)形成p-n結(jié)前載流子的擴散過程(b)空間電荷區(qū)和內(nèi)建電場圖3-8p-n結(jié)3.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.2p-n結(jié)—單向?qū)щ娦?/p>

當(dāng)p-n結(jié)加上正向偏壓，外加電場的方向與內(nèi)建電場的方向相反，打破了擴散運動和漂移運動的相對平衡，形成通過p-n結(jié)的電流（稱為正向電流），較大；當(dāng)p-n結(jié)加上反向偏壓，構(gòu)成p-n結(jié)的反向電流，很小。圖3-9p-n結(jié)單向?qū)щ娞匦?/p>

3.1太陽能光伏發(fā)電原理3.1.3光伏效應(yīng)—太陽能電池

1.光伏效應(yīng)當(dāng)太陽電池受到光照時，光在n區(qū)、空間電荷區(qū)和p區(qū)被吸收，分別產(chǎn)生電子-空穴對。由于入射光強度從表面到太陽電池體內(nèi)成指數(shù)衰減，在各處產(chǎn)生光生載流子的數(shù)量有差別，沿光強衰減方向?qū)⑿纬晒馍d流子的濃度梯度，從而產(chǎn)生載流子的擴散運動。

n區(qū)中產(chǎn)生的光生載流子到達(dá)p-n結(jié)區(qū)n側(cè)邊界時，由于內(nèi)建電場的方向是從n區(qū)指向p區(qū)，靜電力立即將光生空穴拉到p區(qū)，光生電子阻留在n區(qū)。

p區(qū)中到達(dá)p-n結(jié)區(qū)p側(cè)邊界的光生電子立即被內(nèi)建電場拉向n區(qū)，空穴被阻留在p區(qū)。

空間電荷區(qū)中產(chǎn)生的光生電子-空穴對則自然被內(nèi)建電場分別拉向n區(qū)和p區(qū)。3.1太陽能光伏發(fā)電原理

1.光伏效應(yīng)p-n結(jié)及兩邊產(chǎn)生的光生載流子就被內(nèi)建電場所分離，在p區(qū)聚集光生空穴，在n區(qū)聚集光生電子，使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電，在p-n結(jié)兩邊產(chǎn)生光生電動勢。上述過程通常稱作光生伏特效應(yīng)或光伏效應(yīng)。光生電動勢的電場方向和平衡p-n結(jié)內(nèi)建電場的方向相反。當(dāng)太陽能電池的兩端接上負(fù)載，這些分離的電荷就形成電流。

圖3-10光伏效應(yīng)示意圖

3.1太陽能光伏發(fā)電原理

1.光伏效應(yīng)—太陽能電池當(dāng)太陽能電池的兩端接上負(fù)載，光伏電動勢就形成電流。圖3-11太陽電池的發(fā)電原理3.1太陽能光伏發(fā)電原理2.1.4太陽電池的結(jié)構(gòu)和性能1.太陽電池的結(jié)構(gòu)最簡單的太陽電池是由p-n結(jié)構(gòu)成的，如圖3-142示，其上表面有柵線形狀的上電極，背面為背電極，在太陽電池表面通常還鍍有一層減反射膜。

圖3-12太陽電池的結(jié)構(gòu)和符號3.1太陽能光伏發(fā)電原理

1.太陽電池的結(jié)構(gòu)硅太陽電池一般制成p/n型結(jié)構(gòu)或n/p型結(jié)構(gòu)。太陽電池輸出電壓的極性，p型一側(cè)電極為正，n型一側(cè)電極為負(fù)。

根據(jù)太陽電池的材料和結(jié)構(gòu)不同，分為許多種形式，如p型和n型材料均為相同材料的同質(zhì)結(jié)太陽電池(如晶體硅太陽電池)；p型和n型材料為不同材料的異質(zhì)結(jié)太陽電池[硫化鎘/碲化鎘(CdS/CdTe)，硫化鎘/銅銦硒(CdS/CulnSe2)薄膜太陽電池]；金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)太陽電池；絨面硅太陽電池；激光刻槽掩埋電極硅太陽電池；鈍化發(fā)射結(jié)太陽電池；背面點接觸太陽電池；疊層太陽電池等。

3.1太陽能光伏發(fā)電原理

2.太陽電池的技術(shù)參數(shù)（1）開路電壓（Uoc）受光照的太陽電池處于開路狀態(tài)，光生載流子只能積累于p-n結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢，這時在太陽電池兩端測得的電勢差叫做開路電壓，用符號Uoc表示。（2）短路電流（Isc）如果把太陽電池從外部短路測得的最大電流，稱為短路電流，用符號Isc表示。圖3-13硅光電池的開路電壓和短路電流與光照度關(guān)系

3.1太陽能光伏發(fā)電原理

（3）最大輸出功率（P）把太陽電池接上負(fù)載，負(fù)載電阻中便有電流流過，該電流稱為太陽電池的工作電流（I），也稱負(fù)載電流或輸出電流。負(fù)載兩端的電壓稱為太陽電池的工作電壓(U)。太陽電池的輸出功率P=UI。太陽電池的工作電壓和電流是隨負(fù)載電阻而變化的，將不同阻值所對應(yīng)的工作電壓和電流值作成曲線，就得到太陽電池的伏安特性曲線。如果選擇的負(fù)載電阻值能使輸出電壓和電流的乘積最大，即可獲得最大輸出功率（Pm）

。此時的工作電壓和工作電流稱為最佳工作電壓（Um）和最佳工作電流（Im

），Pm=UmIm。3.1太陽能光伏發(fā)電原理

（4）填充因子（FF）太陽電池的另一個重要參數(shù)是填充因子FF，它是最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比：

（5）轉(zhuǎn)換效率（）太陽電池的轉(zhuǎn)換效率指在外部回路上連接最佳負(fù)載電阻時的最大能量轉(zhuǎn)換效率，等于太陽電池的最大輸出功率與入射到太陽電池表面的能量之比：3.1太陽能光伏發(fā)電原理

3.太陽電池的伏-安特性及等效電路太陽電池的電路及等效電路如圖3-14所示。ID(二極管電流)為通過p-n結(jié)的總擴散電流，與Isc反向；Rs串聯(lián)電阻，主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻和電極與硅表面接觸電阻所組成，很?。籖sh為旁路電阻，主要由硅片的邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的，很大。

(a)光照時太陽電池的電路(b)光照時太陽電池的等效電路圖3-14太陽電池的電路及等效電路3.1太陽能光伏發(fā)電原理當(dāng)RL=0時，所測的電流為電池的短路電流Isc。Isc與電池面積成正比，1cm2太陽電池的Isc值為16~30mA；同一塊太陽電池，Isc值與入射光的輻照度成正比；當(dāng)環(huán)境溫度升高時，Isc略有上升。當(dāng)RL為無窮大時，所測得的電壓為電池的開路電壓Uoc，Uoc隨光照度變化不大。(a)光照時太陽電池的電路(b)光照時太陽電