(整理)光伏发电实训系统

KNT-SPV01 光伏发电实训系统

实验指导书

（2011年全国职业院校技能大赛指定设备）

南京康尼科技实业有限公司

2011年3月

第一部分光伏发电系统基础

1.1 光伏电池

1.1.1 半导体与PN结

1．本征半导体

纯净半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质，纯净的半导体称为本征半导体。制造半导体器件的常用半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）等。本征硅半导体中的硅原子核最外层有四个价电子，硅晶体为共价键结构，硅原子最外层的价电子被共价键束缚，在低温下，这些共价键是完好的，本征硅半导体显示出绝缘体特性。当温度升高或受到光照等外界激发时，共价键中的某些价电子会获得能量，摆脱共价键束缚，成为可以自由运动的电子，在原来的共价键中留出空穴。这些空穴又会被邻近的共价键中的价电子填补，并在邻近的共价键中产生新的空穴，空穴运动是带负电荷的的价电子运动造成的，其效果是带正电荷的粒子在运动。可以认为，自由电子是带负电荷的载流子，空穴是带正电荷的载流子。因此，本征半导体中有两种载流子即电子和空穴，它们是成对出现的，称为电子-空穴对，两种载流子都可以传导电流。通常本征半导体中的载流子浓度很低，导电能力差。当温度升高或受到光照时，本征半导体中的载流子浓度按指数规律增加，半导体的导电能力也显著增加。

2．P型半导体和N型半导体

纯净半导体中加入了微量杂质，其导电能力会明显增强。在本征硅半导体中掺入微量三价元素，如硼（B）等，硼原子核的最外层有三个价电子，在形成共价键时，就产生了一个空穴，因此掺入微量三价元素后，本征硅半导体中的空穴浓度大大增加，半导体的导电能力明显提高，主要依靠空穴导电的半导体称为P型半导体。在P型半导体中，空穴浓度高于电子，空穴称为多数载流子，电子称为少数载流子。在本征硅半导体中掺入微量五价元素，如磷（P）等，磷原子核的最外层有五个价电子，在形成共价键时，就产生了一个自由电子，因此掺入微量五价元素后，本征硅半导体中的电子浓度大大增加，半导体的导电能力明显提高，主要依靠电子导电的半导体称为N型半导体。在N型半导体中，电子的浓度高于空穴，电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。无论是P型半导体还是N型半

导体，整个硅晶体中的正负电荷数量是相等的，是电中性的。

3．PN结

采用特殊制造工艺使硅半导体的一边为P型半导体，另一边为N型半导体。由于在P型半导体中的空穴浓度高于电子浓度，而在N型半导体中电子浓度高于空穴浓度，因此，在P型半导体和N型半导体的交界面存在空穴和电子的浓度差。多数载流子会从高浓度处向低浓度处运动，这种由浓度差引起的多数载流子运动称为扩散运动，扩散运动的结果是在交界面P区一侧失去空穴留下不能移动的负离子，在N区一侧失去电子留下不能移动的正离子。这样，在P型硅半导体和N 型硅半导体交界面的两侧出现了由不能移动的正负离子形成的空间电荷区，称之为PN结。空间电荷区中产生了一个从N区指向P区的电场，该电场由多数载流子扩散而形成，称为内电场。空间电荷区中没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽层。如图1所示是半导体PN结的结构示意图。

图1 半导体PN结的结构示意图

PN结中的内电场力会使P区的电子即少数载流子向N区运动，同时使N区的空穴即少数载流子向P区运动，少数载流子在内电场力的作用下的运动称为漂移运动。

扩散运动和漂移运动的方向是相反的，起初，空间电荷区较小，内电场较弱，扩散运动占优势。随后空间电荷区不断扩大，内电场增强，对多数载流子扩散的阻力不断增大，多数载流子扩散运动逐渐减弱，然而少数载流子的漂移运动不断增强。最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度相对稳定，流过PN结的扩散电流和漂移电流大小相等、方向相反，总电流保持为零。

1.1.2 光伏电池的工作原理

光伏电池是半导体PN结接受太阳光照产生光生电势效应，将光能变换为电能的变换器。当太阳光照射到具有PN结的半导体表面，P区和N区中的价电子受到太阳光子的冲激，获得能量摆脱共价键的束缚产生电子和空穴多数载流子和少数载流子，被太阳光子激发产生的电子和空穴多数载流子在半导体中复合，不呈现导电作用。在PN结附近P区被太阳光子激发产生的电子少数载流子受漂移作用到达N区，同样，PN结附近N区被太阳光子激发产生的空穴少数载流子受漂移作用到达P区，少数载流子漂移对外形成与PN结电场方向相反的光生电场，一旦接通负载电路便有电能输出。图2是光伏电池受光线照射引起光生电势的示意图，①是光伏电池表面被反射的光线；②是太阳光子进入光伏电池表面，激发产生的电子和空穴在没有到达PN结时被复合；③是太阳光子到达PN结附近，激发产生的电子和空穴少数载流子在PN结漂移的作用下，产生光生电势；④是太阳光子到达光伏电池深处，远离PN结，激发产生的电子和空穴在没有到达PN结时被复合，与②情况类似；⑤是被光伏电池吸收，能量较小不能激发电子和空穴的太阳光子；

⑥是被光伏电池吸收且透射的光子。

图2 太阳光照射半导体产生电子和空穴的示意图

图2比较清楚地描述了光伏电池的电势是PN结附近由太阳光子激发的电子和空穴少数载流子通过漂移形成的，PN结附近的电子和空穴少数载流子通过漂移，电子流向N区，空穴流向P区。从外电路来看，P区为正、N区为负，如果接入负载，N区的电子通过外电路负载流向P区形成电子流，进入P区后与空穴复合。我们知道，电子流动方向与电流流动方向是相反的，光伏电池接入负载后，电流是从电池的P区流出，经过负载流入N区回到电池。

1.2 硅型光伏电池的电特性

1.2.1 等效电路

硅光伏电池的等效电路如图3（a）所示。其中，I ph是光伏电池输出的电流，也称为光生电流，I ph值正比光伏电池的面积和入射光的辐照度，1cm2光伏电池的I ph值约为16～25mA/cm2。环境温度升高，I ph值会略增大，温度每升高1ºC，I ph 值约上升78μA。I D是暗电流，是指光伏电池在无光照下由外电压作用下PN结流过的单向电流，无光照下的光伏电池的特性类似普通的二极管的特性。R s是串联电阻，主要由光伏电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅接触电阻等组成，阻值小于1Ω。R sh是旁路电阻，主要由光伏电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电阻，一般为几千欧姆。

R s和R sh是光伏电池的固有电阻，相当于光伏电池的内阻，因串联的R s值很小、并联的R sh值比较大，在进行电路分析和计算时，它们可以忽略不计。因此，硅光伏电池的等效电路相当于一个恒流源I ph和二极管并联，如图3（b）所示。

硅光伏电池的等效电路还应含有PN结形成的结电容和其它分布电容，通常光伏电池只有直流分量而没有高频交流分量，因此，这些电容可以忽略不计。

（a）（b）

图3 硅型光伏电池的等效电路

硅光伏电池的开路电压U oc是将光伏电池置于100mW/cm2的光照下，光伏电池输出开路即负载R L→∞时的输出电压值，硅光伏电池的开路电压一般为500～580mV，工作电流约为20～25mA/cm2，硅光伏电池的开路电压与电池面积无关，与入射光辐照度的对数成正比，与环境温度成反比。环境温度每上升1ºC，U oc值约下降2～3mV。

硅光伏电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4～100cm2不等。由于所能提供的电压和电流很小，一般不作为光伏电源使用。通常将多个光电池进行