太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)-第3章

太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)第3章晶硅太陽(yáng)電池的基本原理1第3章晶硅太陽(yáng)電池的基本原理3.1太陽(yáng)電池的分類

3.2太陽(yáng)電池的工作原理3.3太陽(yáng)電池的電學(xué)特性主要內(nèi)容23.1太陽(yáng)電池的分類3.1.1按基體材料分類按基體材料分類晶硅太陽(yáng)電池單晶硅太陽(yáng)電池準(zhǔn)單晶硅太陽(yáng)電池多晶硅太陽(yáng)電池硅基薄膜太陽(yáng)電池非晶硅太陽(yáng)電池微晶硅太陽(yáng)電池化合物太陽(yáng)電池單晶化合物太陽(yáng)電池多晶化合物太陽(yáng)電池有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)電池染料敏化太陽(yáng)電池鈣鈦礦太陽(yáng)電池33.1太陽(yáng)電池的分類3.1.1按基體材料分類按用途分類同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池肖特基結(jié)太陽(yáng)電池復(fù)合結(jié)太陽(yáng)電池空間太陽(yáng)電池地面太陽(yáng)電池按電池結(jié)構(gòu)分類43.2太陽(yáng)電池的工作原理3.2.1半導(dǎo)體硅原子示意圖硅晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅晶體中每個(gè)原子周圍有4個(gè)相鄰原子，并和每一個(gè)相鄰原子共有兩個(gè)價(jià)電子，形成穩(wěn)定的8原子殼層53.2太陽(yáng)電池的工作原理3.2.2能帶結(jié)構(gòu)孤立原子中的電子占據(jù)固定的一組分離能級(jí)

相互靠近時(shí)，分離的能級(jí)擴(kuò)展，相互疊加原子間距和電子能級(jí)的關(guān)系6EF物理意義；能量為EF的能級(jí)上的一個(gè)狀態(tài)被電子占據(jù)的概率等于1/2E>EF：未被電子占據(jù)的概率大，即空出的狀態(tài)多（占據(jù)概率近似為0）；E<EF：被電子占據(jù)的概率大，即可近似認(rèn)為基本上被電子所占據(jù)（占據(jù)概率近似為1）。3.2太陽(yáng)電池的工作原理3.2.2能帶結(jié)構(gòu)費(fèi)米-狄拉克分布函數(shù)f(E)：任何給定能量E的一個(gè)允許電子能態(tài)的占有概率的結(jié)果7本征半導(dǎo)體：室溫條件下能產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，并具有一定電導(dǎo)率的半導(dǎo)體，是極純且沒(méi)有缺陷的半導(dǎo)體。摻雜半導(dǎo)體：通常情況下，由于半導(dǎo)體內(nèi)含有雜質(zhì)或存在晶格缺陷，使得作為自由載流子的（電子或空穴）一方增多，形成摻雜。存在多余電子的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體；存在多余空穴的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體。摻雜方式：間隙雜質(zhì)摻雜：雜質(zhì)原子擁擠在基質(zhì)晶體原子間的空隙中；替位雜質(zhì)摻雜：雜質(zhì)原子替換基質(zhì)晶體原子并保持晶體結(jié)構(gòu)有規(guī)律的排列3.2太陽(yáng)電池的工作原理3.2.3本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體8p型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)n型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)3.2太陽(yáng)電池的工作原理3.2.3本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體提供自由電子的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)接受電子的雜質(zhì)原子稱為受主雜質(zhì)93.2太陽(yáng)電池的工作原理3.2.4n型和p型半導(dǎo)體摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)磷某些位置上的硅原子被磷原子所取代多余1個(gè)價(jià)電子變成自由電子摻入的5價(jià)雜質(zhì)原子又稱為施主空穴稱為少數(shù)載流子，而將電子稱為多數(shù)載流子1.n型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體示意圖103.2太陽(yáng)電池的工作原理3.2.4n型和p型半導(dǎo)體摻入少量的3價(jià)雜質(zhì)硼共價(jià)鍵處出現(xiàn)空穴摻入的3價(jià)雜質(zhì)原子又稱為受主空穴稱為多數(shù)載流子，而將電子稱為少數(shù)載流子2.p型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體示意圖113.2太陽(yáng)電池的工作原理3.2.5p-n結(jié)p-n結(jié)：導(dǎo)電類型相反的兩塊半導(dǎo)體之間的過(guò)渡區(qū)域p區(qū)內(nèi)，空穴很多，電子很少；n區(qū)內(nèi)，電子很多，空穴很少1.多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)p-n結(jié)在p型和n型半導(dǎo)體交界面的兩邊，電子和空穴的濃度不相等，因此會(huì)產(chǎn)生多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)123.2太陽(yáng)電池的工作原理3.2.5p-n結(jié)p區(qū)：空穴從濃度大的p區(qū)向濃度小的n區(qū)擴(kuò)散n區(qū)：電子從濃度大的n區(qū)向濃度小的p區(qū)擴(kuò)散1.多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)p-n結(jié)擴(kuò)散結(jié)果：形成p-n結(jié)，交界面靠近n區(qū)的一邊帶正電荷，靠近p區(qū)的另一邊帶負(fù)電荷空間電荷區(qū)（也稱耗盡區(qū)）：形成p-n結(jié)的該區(qū)域內(nèi)建電場(chǎng)（或勢(shì)壘電場(chǎng)）：p-n結(jié)內(nèi)，產(chǎn)生由n區(qū)指向p區(qū)的反向電場(chǎng)133.2太陽(yáng)電池的工作原理3.2.5p-n結(jié)2.少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)勢(shì)壘（接觸電勢(shì)差）：其大小可表示為

q

為電子電量（-1.6×10?19C）；

T

為絕對(duì)溫度；

k

為玻爾茲曼常數(shù)；

nn、np分別為n型和p型半導(dǎo)體材料中的電子濃度；

pn、pp分別為n型和p型半導(dǎo)體材料中的空穴濃度14漂移運(yùn)動(dòng)：少數(shù)載流子在內(nèi)建電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方向與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反平衡狀態(tài)：漂移與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)趨向平衡，此時(shí)載流子數(shù)目相等而運(yùn)動(dòng)方向相反，總電流為零3.2太陽(yáng)電池的工作原理3.2.6光生伏特效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體的表面受到太陽(yáng)光照射時(shí)，如果其中有些光子的能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度，就能使電子掙脫原子核的束縛，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)

條件：所吸收的光子能量要大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，即:為光子能量；是普朗克常數(shù)；是光波頻率；Eg是半導(dǎo)體材料的禁帶寬度（c是光速，是光波波長(zhǎng)），可改寫為：該波長(zhǎng)稱為截止波長(zhǎng)，以lg

表示，波長(zhǎng)大于lg的光子不能產(chǎn)生載流子波長(zhǎng)大于lg的光子不能產(chǎn)生載流子光電轉(zhuǎn)換原理：內(nèi)光電效應(yīng)15有光照射時(shí)，在太陽(yáng)電池上、下極之間就會(huì)有一定的電勢(shì)差，用導(dǎo)線連接負(fù)載，就會(huì)產(chǎn)生直流電3.2太陽(yáng)電池的工作原理3.2.7太陽(yáng)電池基本工作原理太陽(yáng)電池工作原理圖太陽(yáng)電池可以作為電源使用16光電轉(zhuǎn)換的物理過(guò)程如下:（1）光子被吸收，p-n結(jié)的兩邊產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，如圖（a）所示。（2）產(chǎn)生的電子和空穴，通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)空間電荷區(qū)，如圖（b）所示。（3）電子?空穴對(duì)被電場(chǎng)分離，因此，p區(qū)的電子從高電位滑落至n區(qū)，而空穴沿著相反方向移動(dòng)，如圖（c）所示。（4）若p-n結(jié)是開路的，則在結(jié)兩邊積累的電子和空穴產(chǎn)生開路電壓，如圖（d）所示。3.2太陽(yáng)電池的工作原理3.2.7太陽(yáng)電池基本工作原理光電轉(zhuǎn)換的物理過(guò)程17BSF晶硅太陽(yáng)電池基體材料是p型硅晶體，厚度在0.18mm左右，通過(guò)擴(kuò)散形成0.25mm左右的n型半導(dǎo)體3.2太陽(yáng)電池的工作原理3.2.8晶硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)BSF晶硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)圖183.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.1標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定地面太陽(yáng)電池的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件如下：光源輻照度：1000W/m2；測(cè)試溫度：25℃；AM1.5地面太陽(yáng)光譜輻照度分布AM0和AM1.5的太陽(yáng)光譜輻照度具體分布193.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.2太陽(yáng)電池等效電路理想的太陽(yáng)電池等效電路實(shí)際的太陽(yáng)電池等效電路Iph：恒流源ID：暗電流I：流過(guò)負(fù)載的電流Rsh：旁路電阻Rs：串聯(lián)電阻203.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.2太陽(yáng)電池等效電路用等效電路來(lái)預(yù)計(jì)太陽(yáng)電池的輸出和效率:I0為新的指數(shù)前因子；A0為p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)因子，反映了p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)完整性對(duì)性能的影響在理想情況下（Rsh→∞，Rs→0），則由上式可得：負(fù)載R短路時(shí)，即Vj=0（忽略串聯(lián)電阻），Isc=Iph；

負(fù)載R→∞時(shí)，輸出電流趨近于0，

開路電壓Voc的大小由下式?jīng)Q定：Voc?=

(A0kT/q)ln(Iph

/I0+1)213.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.2太陽(yáng)電池等效電路太陽(yáng)電池的電流?電壓關(guān)系a—暗電流?電壓關(guān)系曲線；b—光照下電流?電壓關(guān)系曲線；c—變換坐標(biāo)得到太陽(yáng)電池電流?電壓關(guān)系曲線223.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.3太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)太陽(yáng)電池的伏安特性曲線：當(dāng)負(fù)載R從0變到無(wú)窮大時(shí)，負(fù)載兩端的電壓V和流過(guò)的電流I之間的關(guān)系曲線太陽(yáng)電池的伏安特性曲線1.伏安特性曲線233.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.3太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)在一定的太陽(yáng)輻照度和工作溫度的條件下，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻RL到某一值Rm時(shí)，在曲線上得到一點(diǎn)M，對(duì)應(yīng)的工作電流Im和工作電壓Vm的乘積為最大，即Pm=ImVm=Pmax則稱M點(diǎn)為該太陽(yáng)電池的最佳工作點(diǎn)（或最大功率點(diǎn)）太陽(yáng)電池的伏安特性曲線2.最大功率點(diǎn)243.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.3太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)在一定的太陽(yáng)輻照度和工作溫度的條件下，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻RL到某一值Rm時(shí)，在曲線上得到一點(diǎn)M，對(duì)應(yīng)的工作電流Im和工作電壓Vm的乘積為最大，即Pm=ImVm=Pmax則稱M點(diǎn)為該太陽(yáng)電池的最佳工作點(diǎn)（或最大功率點(diǎn)）太陽(yáng)電池的伏安特性曲線2.最大功率點(diǎn)253.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.3太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)

在一定的溫度和輻照度條件下，太陽(yáng)電池在空載（開路）情況下的端電壓，也就是伏安特性曲線與橫坐標(biāo)相交的一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓通常用Voc來(lái)表示。3.開路電壓（Voc）4.短路電流（Isc）

在一定的溫度和輻照度條件下，太陽(yáng)電池在端電壓為零時(shí)的輸出電流，也就是伏安特性曲線與縱坐標(biāo)相交的一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流，通常用Isc來(lái)表示。263.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.3太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)定義為太陽(yáng)電池的最大功率與開路電壓和短路電流的乘積之比，通常用FF來(lái)表示：5.填充因子（曲線因子）IscVoc是太陽(yáng)電池的極限輸出功率，ImVm是太陽(yáng)電池的最大輸出功率填充因子是表征太陽(yáng)電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，F(xiàn)F越大，太陽(yáng)電池的最大輸出功率越接近于極限輸出功率，性能越好。273.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.3太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)6.轉(zhuǎn)換效率（h）太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率

受光照太陽(yáng)電池的最大功率與入射到該太陽(yáng)電池上的全部輻射功率的百分比:Vm和Im分別為最大輸出功率點(diǎn)的電壓和電流；At為包括柵線面積在內(nèi)的太陽(yáng)電池總面積（也稱全面積）；Pin為單位面積入射光的功率h

=?VmIm/(At·Pin)28【例3-1】某一尺寸為158.75cm×158.75cm的方形單晶硅太陽(yáng)電池，測(cè)得其最大功率為5.7W，則該電池的轉(zhuǎn)換效率是多少？解：根據(jù)式h

=?VmIm/(At·Pin),有h

=Vm

Im/(At·Pin)

=

5.7/(158.75×158.75×10-4×1000)

=

22.62%3.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.3太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)293.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.3太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)7.短路電流溫度系數(shù)（a）在溫度變化時(shí)，太陽(yáng)電池的輸出電流會(huì)產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，溫度每變化1℃，太陽(yáng)電池短路電流的變化值稱為短路電流溫度系數(shù)，通常用表示a表示。I0為

25℃時(shí)的短路電流。對(duì)于一般晶硅太陽(yáng)電池：a

=

+(0.06～0.1)%/℃，這表示溫度升高時(shí)，短路電流略有上升Isc

=?I0(1+aDT)303.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.3太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)8.開路電壓溫度系數(shù)（b）Voc

=?V0(1+bDT)

其中，V0為25℃時(shí)的開路電壓。對(duì)于一般晶硅太陽(yáng)電池：b

=-(0.3～0.4)%/℃，這表示溫度升高時(shí)，開路電壓會(huì)下降在溫度變化時(shí)，太陽(yáng)電池的輸出電壓也會(huì)產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，溫度每變化1℃，太陽(yáng)電池開路電壓的變化值稱為開路電壓溫度系數(shù)，通常用b表示。313.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.3太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)9．最大功率溫度系數(shù)在溫度變化時(shí)，太陽(yáng)電池的輸出功率要產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，溫度每變化1℃，太陽(yáng)電池輸出功率的變化值稱為功率溫度系數(shù)，通常用g表示。由于Isc=I0(1+aDT

)，Voc=V0(1+bDT)，因此理論最大功率為:Pmax

=?IscVoc=I0V0(1+aDT)(1+bDT)

=?I0V0[1+(a

+b

)

DT+a

bDT2]忽略平方項(xiàng)，得Pmax

=?P0[1+(a+b

)

DT]=P0(1+gDT)323.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.3太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)10．太陽(yáng)輻照度的影響開路電壓Voc：當(dāng)輻照度較弱時(shí)，開路電壓與入射光譜輻照度呈近似線性變化；

在太陽(yáng)輻照度較強(qiáng)時(shí),開路電壓與入射光譜輻照度呈對(duì)數(shù)關(guān)系變化短路電流Isc：在入射光的輻照度比標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（1000W/m2）不是大很多的情況下，太陽(yáng)電池的短路電流Isc與入射光的輻照度成正比關(guān)系最大功率點(diǎn)：太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)也會(huì)隨著太陽(yáng)輻照度的變化而變化333.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.3太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)某光伏組件在不同溫度下的伏安特性曲線某光伏組件在不同輻照度下的伏安特性曲線343.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.4影響太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的因素Voc隨Eg的增大而增大，Isc隨Eg的增大而減小存在一個(gè)最佳禁帶寬度，使效率達(dá)到最高半導(dǎo)體禁帶寬度與太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系1.禁帶寬度353.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.4影響太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的因素少子壽命長(zhǎng)短的關(guān)鍵是在材料制備和電池生產(chǎn)過(guò)程中，要避免形成復(fù)合中心2.溫度溫度主要對(duì)Voc起作用，Voc隨著溫度降低而減小，轉(zhuǎn)換效率h也隨之下降太陽(yáng)電池的溫度敏感性還取決于開路電壓的大小，即電池的電壓越大，受溫度的影響就越小。3.少子壽命少數(shù)載流子的復(fù)合壽命又稱少子壽命少子壽命越長(zhǎng)，Isc越大；減小暗電流并增大Voc363.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.4影響太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的因素4.光強(qiáng)入射光的強(qiáng)度影響太陽(yáng)電池的參數(shù)，包括短路電流、開路電壓、填充因子、轉(zhuǎn)換效率及并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻等一個(gè)太陽(yáng)就相當(dāng)于AM1.5大氣質(zhì)量下的標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)，即1kW/m2聚光可以提高太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率373.3開發(fā)利用太陽(yáng)能的重要意義

3.3.4影響太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的因素重?fù)诫s效應(yīng)：隨著摻雜濃度增