6《太阳能电池及其应用》实践报告(参考)

《太阳能电池及其应用》
实践报告
专业光伏材料及应用
学生姓名
准考证号
指导教师
201 年月
目录
一实践目的 (3)
二太阳能电池的原理及结构 (3)
三太阳能电池参数 (5)
四太阳能电池基本特性 (5)
五实践心得 (7)
一实践目的
目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。

随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。

本实践课程的主要目的就是学习太阳能电池的原理，掌握太阳能电池的参数以及计算，以便在实际生活中的充分应用。

二太阳能电池的原理及结构
1 p-n结
如图 1(a) 所示, 使一块 n 型半导体和一块 p型半导体紧密地接触。

交界处 n 区一侧的电子浓度高, 形成一个要向 p 区扩散的正电荷区域; 同样, p 区一侧的空穴浓度高, 形成一个要向 n 区扩散的负电荷区域。

n 区和 p 区交界面两侧的正、负电荷薄层区域, 称之为“空间电荷区”, 即 p- n 结,如图 1(b)所示。

图一、p-n结示意图
在 p- n 结内, 有一个由 p- n 结内部电荷产生的, 从 n 区指向 p 区的电场, 叫做“内建电场”或“自建电场”。

由于存在内建电场, 在空间电荷区内将产生载流子的漂移运动, 使电子由 p 区拉回 n区, 使空穴由 n 区拉回 p 区, 其运动方向正好和扩散运动的
方向相反。

开始时, 扩散运动占优势, 空间电荷区内两侧的正负电荷逐渐增加, 空间电荷区增宽, 内建电场增强; 随着内建电场的增强, 漂移运动也随之增强, 阻止扩散运动的进行, 使其逐步减弱; 最后, 扩散的载流子数目和漂移的载流子数目相等而运动方向相反, 达到动态平衡。

此时在内建电场两边, n 区的电势高, p 区的电势低, 这个电势差称作 p- n 结势垒, 也叫内建电势差或接触电势差, 用符号UD 表示。

电子从 n 区流向 p 区, p 区相对于 n 区的电势差为负值。

由于 p 区相对于 n 区的电势为- UD(取 n 区电势为零), 所以 p 区中所有电子都具有一个附加电势能：
电势能=电荷×电势=(-q)×(-UD)=q UD (1) 通常将 qUD 称作势垒高度。

当p- n 结加上正向偏压( 即p 区接电源的正极, n 区接负极), 此时外加电压的方向与内建电场的方向相反, 使空间电荷区中的电场减弱。

这样就打破了扩散运动和漂移运动的相对平衡, 有电子源源不断地从 n 区扩散到 p 区, 空穴从 p 区扩散到 n 区, 使载流子的扩散运动超过漂移运动。

由于 n 区电子和 p 区空穴均是多子, 通过p- n 结的电流(称为正向电流)很大。

当p-n 结加上反向偏压 (即n 区接电源的正极, p 区接负极), 此时外加电压的方向与内建电场的方向相同, 增强了空间电荷区中的电场, 载流子的漂移运动超过扩散运动。

这时 n 区中的空穴一旦到达空间电荷区边界, 就要被电场拉向 p 区; p 区的电子一旦到达空间电荷区边界, 也要被电场拉向n 区。

它们构成 p-n 结的反向电流, 方向是由n 区流向p 区。

由于n 区中的空穴和 p 区的电子均为少子, 故通过 p-n 结的反向电流很快饱和, 而且很小。

电流容易从 p 区流向 n 区, 不易从相反的方向通过 p-n 结, 这就是p-n 结的单向导电性。

在经典的p-n 结理论中,在p-n 结两边延伸无限远距离(或发射区和基区的厚度远远大于少数载流子的扩散长度)的条件下,
22
/()/()O
n i n A P i P D J qD n L N qD n L N =+ 式中,q 为电子电荷;Dn 和Dp 分别为电子和空穴的扩散系数;Ln 和Lp 分别为电子和空穴的扩散长度;ni 为室温下的本征载流子浓度;假设基区和发射区均匀掺杂,掺杂浓度分别为NA 和ND 。

实际的太阳电池都是有限尺寸的,需对Jo 进行修正。

三 太阳能电池参数
①开路电压
受光照的太阳电池处于开路状态, 光生载流子只能积累于p- n 结两侧产生光生电动势, 这时在太阳电池两端测得的电势差叫做开路电压, 用符号Uoc 表示。

②短路电流
把太阳电池从外部短路测得的最大电流称为短路电流, 用符号 Isc 表示。

③最大输出功率
把太阳电池接上负载, 负载电阻中便有电流流过, 该电流称为太阳电池的工作电流, 也称负载电流或输出电流。

负载两端的电压称为太阳电池的工作电压。

太阳电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的, 将不同阻值所对应的工作电压和电流值作成曲线, 就得到太阳电池的伏安特性曲线。

如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大, 即可获得最大输出功率 Pm, Pm=UmIm 。

此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压 Um 和最佳工作电流 Im 。

④填充因子
太阳电池的另一个重要参数是填充因子FF, 它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比：
I m m m
oc sc oc sc
P U FF U I U I ==
（2）
⑤转换效率
太阳电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率, 等于太阳电池的输出功率与入射到太阳电池表面的能量之比：
m oc sc
in in
P FFU I P P η=
= （3）
四 太阳能电池基本特性
太阳电池的电路图及等效电路分别如图 4, 图 5 所示。

当电池的外负载电阻 RL=0 时, 所测的电流为电池的短路电流 Isc 。

测量短路电流的方法, 是用内阻小于 1 Ω的电流表接在太阳电池的两端。

Isc 值与太阳电池的面积有关, 面积越大, Isc 值越大。

一般来说, 1 cm2 太阳电池的 Isc 值约为 16～30 mA 。

同一块太阳电池, 其 Isc 的值与入射光的辐照度成正比; 当环境温度升高时, Isc 略有上升。

当 RL 为无穷大时, 所测得的电压为电池的开路电压 Uoc 。

二极管电流 ID 为通过 p-n 结的总扩散电流, 其方向与Isc 相反。

Rs 为串联电阻, 它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面接触电阻所组成。

Rsh 为旁路电阻, 它是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的。

一个理想的太阳池, 串联电阻 Rs 很小, 而并联电阻 Rsh 很大。

由于 Rs 和 Rsh 分别串联和并联在电路中, 所以在理想的电路计算时, 可以忽略不计。

由于填充因子决定了太阳能的电池的功率输出，最大输出功率与串联电阻有关，其关系式大致如下：
'('')'(1)(1)'mp sc
m mp mp s mp mp s mp s mp
oc
I I P V I R I P R P R V V ≈-≈-
≈-
如果太阳能电池的特征电阻定义如下：
oc
ch sc V R I =
那么可以定义一个“归一化的Rs ”为
s
s ch
R r R =
因此
0(1)s FF FF r ≈-
或者根据更加准确的经验公式
2
0(1 1.1) 5.4s s s r FF FF r ≈-+
它对于rs<0.4并且Voc>10时有效。

同样的，对于分流电阻来说，可以定义
sh
sh ch
R r R =
类似地，可以得出
01
(1)
sh FF FF r ≈-
或者与之前一样，使用更为准确的表达式：
0[exp()1]/s s
L sh V IR V IR I I I nkT q R ++=---
为结合串联电阻和分流电阻的影响，可以使用前面提到的FFsh 的表达式，只要将式
中FFo 的值用FFs 代替。

五 实践心得
通过实践，对太阳能电池的原理、电池组件的参数有了一个全面是认识，对今后从事这方面的工作打下了非常重要的实践基础。

在实践的过程中，认识到，组件高效和高寿命如何保证，可以从以下几方面着手：
1、高转换效率、高质量的电池片；
2、高质量的原材料，例如：高的交联度的EVA 、高粘结强度的封装剂（中性硅酮树脂胶）、高透光率高强度的钢化玻璃等；
3、合理的计算以及应用；。