第3章 太阳能电池的特性
第3章太阳能光伏控制器和逆变器2
• 图中E为输入的直流电压， R为逆变器的纯电阻性负载。 当开关S1、S3接通时，电 流流过S1、R、S3，负载R 上的电压极性是左正右负； • 当开关S1、S3断开，S2、 S4接通时，电流流过S2、R 和S4，负载上的电压极性 相反。若两组开关S1、S3 和S2、S4以某一频率交替 切换工作时，负载R上便可 得到这一频率的交变电压。
• 电力系统高压架空线路一般采用三相三线 制，三条线路分别代表a，b，c三相，我 们在野外看到的输电线路，三根线可能水 平排列，也可能是三角形排列的 • 火线与零线之间称为单相电，火线与火线 之间称为三相电。
逆变器的分类
• 按照逆变器输出功率大小的不同，可分为小功率 逆变器(<5kW)、中功率逆变器(5～50kW)、大功 率逆变器(>50kW)； • 按照逆变器隔离（转换）方式的不同，可分为带 工频隔离变压器方式、带高频隔离变压器方式、 不带隔离变压器方式。 • 按照逆变器输出能量的去向不同，可分为有源逆 变器和无源逆变器。 对太阳能光伏发电系统来说，在并网型光伏 发电系统中需要有源逆变器，而在离网独立型光 伏发电系统中需要无源逆变器。（连接电网的是 有源逆变，连接负载的是无源逆变） • 在太阳能光伏发电系统中还可将逆变器分为离网 型逆变器（应用在独立型光伏系统中的逆变器） 和并网型逆变器。
(1)推挽式逆变电路
• 该电路由两只共负极连接的功率开关管和一个初 级带有中心抽头的升压变压器组成。 • 升压变压器的中心抽头接直流电源正极，两只功 率开关管在控制电路的作用下交替工作，输出方 波或三角波的交流电力。
• 由于功率开关管的共负极连接，使得该电 路的驱动和控制电路可以比较简单，另外 由于变压器具有一定的漏感，可限制短路 电流，因而提高了电路的可靠性。 • 该电路的缺点是变压器效率低，带感性负 载的能力较差，不适合直流电压过高的场 合。
太阳能电池原理范文
太阳能电池原理范文太阳能电池是一种将太阳光能转化为电能的装置。
它是一种半导体器件，根据光伏效应原理工作。
在晴朗的阳光下，太阳光照射到太阳能电池表面，产生电子与空穴对。
通过合适的导线和电路布置，可以将产生的直流电能转化为有用的电能。
太阳能电池的基本结构通常是由两个半导体层构成，其中一个层被掺杂为p型，另一个层被掺杂为n型。
半导体的掺杂可以通过在原始材料中添加杂质元素来实现。
掺杂后的半导体中将产生多数载流子和少数载流子。
以p型层为例，它有许多绝缘层的正空穴，以及从n层移动过来的负电子。
当太阳能照射到太阳能电池的表面时，光子与半导体原子发生相互作用。
如果光子的能量大于半导体材料对能量吸收的门槛，光子将被吸收，将其能量传给被吸收的电子。
被激发的电子获得足够的能量以克服能带间隙并跃迁到导带。
这个过程使得原来的电子能带上留下空穴，从而产生一个电子-空穴对。
由于p型层具有许多正空穴，而n型层具有许多自由电子，新产生的电子和空穴将被电场力推到不同的区域，形成势差。
这个势差会引起电流的流动。
若将正极与p型层连接，负极与n型层连接，并将电路与电池连接，电流就会开始流动。
在太阳能电池中，不同的材料用于构成p型和n型层。
常用的材料包括硅、硒化铟、硫化镉等。
其中，硅是最广泛使用的材料，因为它具有稳定性好、物理性质可控且成本低廉等优点。
为了提高太阳能电池的效率，科学家和工程师们致力于改进太阳能电池的设计和制造工艺。
一种改善效率的方法是通过将多个太阳能电池组装在一起，形成太阳能电池组或太阳能电池阵列。
这种阵列可以在更广泛的光敏面积上接收太阳能，并提供更多的电能。
太阳能电池作为一种可再生能源的转换器，具有广泛的应用前景。
它可以用于为家庭和工业提供电力，也可以用于卫星和空间探测器等航天器的能源供应。
随着科学技术的不断发展，我们有望看到更高效、更持久、更美观的太阳能电池问世，进一步推动可再生能源的发展和利用。
太阳能电池输出特性的研究
太阳能电池可以吸收太阳光中的部分能量 ,并将吸收的太阳能转化为电能 。太阳能电池的输出特性是指 它吸收了太阳能量后 ,能够转化为多少电能与其它因素之间的关系 。太阳能电池的输出特性是一个很复杂的 性质 ,它和电池本身 、光照强度 、外接电路性质等等因素有关 。太阳能电池的输出特性有电压输出 、电流输出 、 功率输出 ,我们研究的是功率输出和电压 、电流 、外接电阻之间的关系以及最大输出功率和光照强度之间的关 系[3 ] 。实验装置于图 1 :
图 1 太阳能电流实验装置图
当光照强度一定时 ,也就是当 d 一定时 ,改变变阻箱的阻值 ,用数字万用表测量其两端的电压 ,这样就可以 得到输出功率与电阻 、输出电流 、输出电压之间的关系[1] 。改变光照强度 ,也就是调节太阳能电池与光源的距 离 d 值 ,测量几组不同的电压值 ,可以得到在不同的光照下的最大输出功率 ,以及最大输出功率和光照强度的 关系 。
太阳能电池的输出特性有电压输出电流输出功率输出我们研究的是功率输出和电压电流外接电阻之间的关系以及最大输出功率和光照强度之间的关太阳能电流实验装置图当光照强度一定时也就是当d一定时改变变阻箱的阻值用数字万用表测量其两端的电压这样就可以得到输出功率与电阻输出电流输出电压之间的关系
第1期
太阳能电池输出特性的研究
利用表 1 的数据计算得到输出功率和电阻关系如图 2 所示 ,从图 2 中可以看到 ,开始阶段输出功率随电阻
增大而增大 ,增大到一定值时 ,输出功率随电阻增大反而减少 ,当 R = 4100Ω 时 ,输出功率最大 , P = 0. 295mW 。
图 2 输出功率与电阻的关系曲线
根据表 1 数据计算得到输出功率 P 与输出电流 I 的关系如图 3 所示 :
第三章 太阳能电池原理
开路电压VOC： VOC kT ln( IL 1)
q
IS
填充因子 F Pmp IscVoc
光电转换效率
Pmp FVocIsc
Pi
Pi
Pmp是最大输出功率， Pi是输入功率
当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定以后，其值就取决 于开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子F的最大值。
3、入射光光谱：一般是标准化的AM1.5光源 4、太阳能电池的光学性能：电池的吸收和反射 5、载流子收集的可能性：主要取决于电池表面的钝化及电
池中的少子寿命
qV
I IL - IF IL - Is(e kT 1)
V kT ln( IL - I 1)
q
IS
当pn结开路（open circuit ）时即R趋于无穷大，得到
光谱响应度（SR） 太阳能电池的光谱响应度：单位光功率所产生的电流强度
SR Isc I L qne q EQE q(1 R) IQE
Pin ()
Pin ()
hc
n ph
hc
hc
EQE：外部量子效率（没有特殊说明时就是量子效率） IQE：内部量子效率
理想情况下，光谱响应度（λ≤ λg）与波长成正比。 实际情况并不成线性关系：波长较长时，电池对光的吸收弱，导致
带有电阻负载的pn结太阳能电池示意图
零偏下光电池工作 电流
光生电流IL 光生电压下的正向电流IF
qV
流经负载的电流 I IL - IF IL - Is(e kT 1)
太阳能电池的重要参数： 短路电流ISC；开路电压VOC；填充因子F；光电转换效率η
qV
I IL - IF IL - Is(e kT 1)
太阳能电池的测试ppt课件
光伏效应
太阳电池发电原理示意图
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
太阳电池的表征参数
光结电正流 向I电ph流ID
n
p
IIphIDIphI0exn q pB k D T V1
测量电池IV特性的原理
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
3.4 电性测试条件
1. 测试项目
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
3.1太阳模拟器
太阳电池是将太阳能转变成电能的半导体器件，从应
用和研究的角度来考虑，其光电转换效率、输出伏安特性 曲线及参数是必须测量的，而这种测量必须在规定的标准 太阳光下进行才有参考意义。如果测试光源的特性和太阳 光相差很远，则测得的数据不能代表它在太阳光下使用时 的真实情况，甚至也无法换算到真实的情况，考虑到太阳 光本身随时间、地点而变化，因此必须规定一种标准阳光 条件，才能使测量结果既能彼此进行相对比较，又能根据 标准阳光下的测试数据估算出实际应用时太阳电池的性能 参数。
标准测试条件：标准太阳光（标准光谱和标准辐照度）、 标准测试温度
使用模拟阳光时，光谱取决于电光源的种类和滤光、反光系统 辐照度可以用标准太阳电池短路电流的标定值来校准。
为了减少光谱失配误差，模拟阳光的光谱应尽量接近标准阳 光光谱，或选用和被测量电池光谱响应基本相同的标准太阳 电池。
第3章 太阳能电池的特性-2
其他效应 光强效应
聚光对太阳能电池的伏安特性的影响
&3.4.2
其他效应 光强效应
聚光太阳能电池
聚光太阳能电池是一种在光强大于一个太阳的光照下工作的太阳能电池。入射太阳
光被聚焦或透过光学器件形成高强度的光束射到小面积的太阳能电池中。
聚光太阳能电池有几个潜在的优势，包括比平板太阳能电池更高的转换效率和更低
&3.2.5
太阳能电池的参数 效率
发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。 效率的定义为电池输出的电能与射入电池的光能的比例。
除了反映太阳能电池的性能之外，效率还决定于入射光的光谱和
光强以及电池本身的温度。 在比较两块电池的性能时，必须严格控制其所处的环境。测量陆 地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度25°C。而空间太阳能电池 的光照则为AM0。
的成本。电池的短路电流大小与光的强度成线性关系，这种改变并没有带来转换效 率的提升，因为入射功率也随光强呈线性提高。
由于开路电压与短路电流呈对数关系，转换效率得以提升。因此，在聚光条件下，
VOC随着光强上升呈对数形式增加，如下面式子所示：
nkT ISC V' OC ln I q O
低光强
在光强变低时，并联电阻对电池的影响将慢慢变大。因为通过电池的前置 偏压和电流会随着光的强度的减小而减小，而电池的等效电阻也将开始接 近并联电阻的大小，分流到并联电阻的电流将增加，即增加了能量损失。 在多云的天气下，并联电阻高的电池比并联电阻低的电池保留更大部分的 电流。
&3.5.1太阳能电池的测量
太阳能电池中，引起串联电阻的因素有三种： 第一，穿过电池发射区和基区的电流流动； 第二，金属电极与硅之间的接触电阻； 第三便是顶部和背部的金属电阻。串联电阻对电池的主要影响
太阳电池工作原理 简单易懂
太阳电池工作原理简单易懂太阳能电池是一种利用光能转换为电能的装置，它是当今最为环保的新能源装置之一。
太阳能电池的基本结构是由单个或多个太阳能电池组合成的，它能够将太阳辐射光能转换为电能。
这些装置可以用于发电，也可以用于储蓄电能，是太阳能系统中的核心部件。
太阳能电池工作原理的核心是光电效应。
光电效应是指光照射到半导体材料上时，能量足够大的光子击中半导体的原子，使其电子获得足够的能量，从而跃迁到导带中。
具体来说，太阳能电池通常采用硅、砷化镓、硒化镉等半导体材料制成，这些材料都具有较好的光电转换性能。
在太阳能电池中，一般采用PN结构，也就是P型半导体和N型半导体通过PN结构组成的。
当太阳辐射光照射到PN结上时，能量大于带隙能量的光子击中PN结的P型半导体区，将该区的电子激发到导带中，同时也会在N型半导体区形成正空穴。
P型区导带中的电子和N型区价带中的空穴在PN结中形成电子-空穴对，并由电场驱使电子在N型区集中，空穴在P型区集中，从而在外接电路中形成电流。
太阳能电池还包括透明导电氧化物镀膜、背面金属等组成的透明电极层和重量轻、抗冲击、防腐蚀的外封装层。
这些层的作用是保护太阳能电池不受外部环境影响，同时也能起到传输电能和导电的作用。
通过上述介绍，我们可以了解太阳能电池工作原理的基本过程，即利用光电效应将太阳辐射光转换为电能。
正是由于这一原理的实现，太阳能电池才能成为高效、环保的能源装置，在太阳能利用领域有着广泛的应用前景。
由此可见，太阳能电池是一种非常重要的新能源利用技术，通过对太阳能电池工作原理的深入了解，我们可以更好地认识利用太阳能的实质，促进太阳能技术的推广和应用。
希望太阳能电池在未来的发展中能够发挥更大的作用，为人类的可持续发展做出更多的贡献。
太阳电池习题(修改)
《太阳能光伏电池及其应用》习题第一章总论一、填空题：1、人类文明的进步与人类社会工业化、近代化的变迁，都称为和变迁。
2、21世纪文明的宏伟构想时，被称为最大课题的问题占据了重要地位。
3、人们生活所需的能源可发分为维持个人生命的和、及生产活动中使用的生活能源两部分。
4、伴随着能源工业化的进展，人们选择更方便、更经济性的能源形态，也就是说，这一技术革新也是基于而产生的。
5、不同于化石能源的消费的原子能发电，称之为的太阳能发电、风力发电的应用。
6、当务之急要在化学能源枯竭之前找到的替代能源。
7、3E三重矛盾是在发展的过程中，伴随着的消费，以化石能源为主体的资源需求结构会造成对的破坏。
8、到达地球表面的太阳能，是通过几乎接近真空的宇宙空间，以的形式辐射过来。
9、太阳能到达地球的总辐射能量应该是太阳常数与的乘积。
10、太阳能电池的转换效率几乎是的，与其所利用的装置规模的无关。
11、光发电是对的有效利用。
二、选择题1、人们生活所必需的能源可以分为维持个人生命的生理能源和（）、社会活动及生产活动中使用的生活经验能源两部分。
A、日常生活B、社会生活C、劳动生活D、物质生活2、点燃近代产业革命之火的是发明蒸汽机的（）A、贝尔B、詹姆斯·瓦特C、爱迪生D、埃特尼·勒努瓦3、属于生态发电的有：太阳能发电和（）。
A、火力发电B、水力发电C、煤炭发电D、风力发电4、煤炭的可开采( )年。
A、43年B、61年C、231年D、73年5、天然气的可开采( )年。
A、43年B、61年C、231年D、73年6、3E指的是：经济、能源和（）。
A、地球环境B、海洋C、森林D、陆地7、世界各国对温室气体排放量，以1990年为基准，到2010年日本要消减( ).A、10%B、8%C、6%D、5%8、采用石油发电方式引起的有害气体CO2排放量是（）。
A、322.8 g/KW·hB、178 g/KW·hC、258.5 g/KW·hD、7.8 g/KW·h9、能量通过约1.5亿km的空间到达地球的大气层附近时，其辐射能量密度约为（），这个值叫太阳常数。
太阳能电池的结构和基本原理
玻璃衬底非晶硅太阳能电池的 典型结构如图所示。
玻璃衬底非
晶硅太阳能电池是 先在玻璃衬底上淀 积透明导电薄膜， 然后依次用等离子 体反应沉积p型、I 型和n型三层a-Si， 接着再蒸涂金属电 极铝，电池电流从 透明导电薄膜和电 极铝引出。
不锈钢衬底非晶硅太阳能电池 的典型结构如图所示。
不锈钢衬底型太阳 能电池是在不锈钢 衬底上沉积pin非晶 硅层，其上再沉积 透明导电薄膜，最 后与单晶硅电池一 样制备梳状的银收 集电极。电池电流 从下面的不锈钢和 上面的梳状电极引 出。
Voc＝
kT q
ln(
IL Is
+1)
2、短路电流Isc 如将pn结短路（V=0），因而IF=0，这时所得的
电流为短路电流Isc。显然，短路电流等于光生电流， 即：
Isc = IL
３、填充因子FF
在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该
点所对应的矩形面积，其中只，光 子将进入pn结区，甚至更深入到半导体内部。 能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结 的两边产生电子-空穴对。在光激发下多数载 流子浓度一般改变较小，而少数载流子浓度 却变化很大，因此应主要研究光生少数载流 子的运动。
无光照
光照激发
由于pn结势垒区内存在较强的内建电场（自n区指向 p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相 反方向运动：p区的电子穿过p-n结进入n区；n区的空穴进 入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在p-n结两端 形成了光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。由于光 照在p-n结两端产生光生电动势，相当于在p-n结两端加正 向电压 V，使势垒降低为qVD-qV，产生正向电流IF.
在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，pn结两端建立起稳定的电势差Voc，（p区相对于n区是正的）， 这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通，只要光照 不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起了电源的 作用。这就是光电池的基本原理。
太阳能光伏电池特性实验研究
３ 刘 荣． 自然 能供 电技 术． 北京 ： 学 出版 社 ．０ ０ 科 ２０
４ 陈 维 ．户 用 光 伏 建 筑 一 体 化 发 电 系 统及 太 阳 能 半 导 体 照 明技 术研
阳辐射强度的拟合 曲线。从图中可以看出： ①不同环境温度
究［ ． Ｄ］ 中国科 学技 术大学，０６ ２０
时输 出功 率为 ８１Ｗ ． ． ６ 已经 降至最 大输 出功 率的 ２ ％。 ０
图 ５为 太 阳 能 电 池 的 伏 安 特 性 曲 线 及 功 率 随 电 压 变 化 曲 线 ， 图 中 可 以 看 出 ， 电 压 在 ０ １Ｖ 之 间 变 化 时 ， 流 从 当 ～４ 电 变 化 不 大 ．输 出 功 率 随 着 电 压 的 增 大 缓 慢 增 大 ．电 压 大 于
阻抗 ） 的影 响 ， 从而 使得太 阳能电池 的输 出功率发 生变化 ， 其 实际转换 效率受 到一定 限制 。因此 ． 太 阳能光 伏 电池 输 出 对
特性 的研 究成 为了一个重要课 题… 与 跟踪式太 阳能光伏系 统相 比， 固定 式太 阳能光 伏 系统有着 结构 简单 、 本低 廉等 成 优点 。太 阳能光伏 电池表 面温度将 随辐 射能 的增 强而升 高 。 在一定程 度上影 响了太 阳能 电板的输 出功率 。 本文 主要 对 固 定式单 晶硅太 阳能 电池输 出功率等进行 了实验研究 。
压 及流 过 负载 的 电流 。当太 阳辐 射 为 ９ ８ ，环境 温 度 为 ３． ８ ３ ．℃时 。 验结果如 图 ２至图 ５所示 。 ９５ 实
－ ＊ ＊ 口
如果 负载 Ｒ 不 短路 ， 那么 Ｐ Ｎ结 内流 过 的电流 ，方 向 － ｄ 与光生 电流方 向相 反 ． 会抵 消部分 光生 电流 ． 少数载 流子 使 注入和扩 散 。太 阳能 电池 输 出的净 电流 ， 是光 生电流 和 二极 管电 流 ，之差 ，故太 阳能 电池的光 伏 ＩＶ特性 可表示 ｄ — 为：
太阳能电池及特性
光生电流密度Jph理论极限值/mAcm-2
90
80
70
黑体辐射
60 AM0
50
40
AM1.5
30
20
10 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
禁带宽度Eg/eV
§4.1 PN结的光生伏特效应
§4.1.2 光电压
光照射在p-n结的太阳能电池时，由于光生伏特效应，在 p-n结两端形成与内建电场相反的电动势，即光生电压。
光子的数量的比例。
W
QE 0 GR(x)CP(x)dx
量子效率与波长相对应，即与光子能量相对应。 如果某个特定波长的所有光子都被吸收，并且其所产生的
少数载流子都能被收集，则这个特定波长的所有光子的量 子效率都是相同的。 而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。
§4.1.1 光生电流
通常，波长小于350nm的光子的量子效率不予测量，因为 在1.5大气质量光谱中，这些短波的光所包含能量很小。
§4.2.1 理想太阳能电池的伏安特性
短路电流Isc ： 将太阳电池短路，V=0，则ID=0，所得电流为短路电流ISC
I SC I ph
短路电流Isc是太阳能电池能输出的最大电流 开路电压Voc ： 太阳能电池开路，输出电流I=0，即Iph=ID：
特性。 在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为
在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。 在远离电场的区域，其收集概率将下降。 当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域产生时，那
么它的收集概率是相当低的。
§4.1.1 光生电流
收集概率： 当载流子在与内建电场外的区域产生时，非平衡少数载流 子边扩散边复合，它扩散到内建电场边界的概率，既是收集 概率。在N区产生的空穴的收集概率如式
太阳能电池的基本特性
太阳能电池的基本特性袁 镇,贺立龙(西安创联电气科技(集团)有限责任公司 陕西西安 710065)摘 要:能源危机与环境污染是人类正面临的重大挑战,开发新能源和可再生清洁能源是21世纪最具决定影响的技术领域之一。
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,对太阳能电池的研究与开发也变得日益重要。
从太阳能电池的结构、工作原理出发,系统地论述了表征太阳能电池特性的短路电流、开路电压和填充因子等参数以及外界条件对他们的影响。
关键词:太阳能电池;短路电流;开路电压;填充因子;转换效率中图分类号:TN366 文献标识码:B 文章编号:1004373X (2007)1616303The B asic Characteristics of Solar CellsYUAN Zhen ,H E Lilong(Xi ′an Chuanglian Electronic Component (Group )Co.L td.,Xi ′an ,710065,China )Abstract :The energy crisis and pollution of environment is serious challenge for human being.It is the most critical and in 2fluential technology areas.Solar energy is a regenerative and clean energy.The research of solar cells becomes more and more important.In this paper the parameters which are used to character the solar cells are systematically discussed based on the structure and working principle of solar cells ,and the effect of environment conditions on these parameters are also discussed.These parameters are short circuit current ,open circuit voltage and fill factor.K eywords :colar cells ;short circuit current ;open circuit voltage ;fill factor ;conversion efficiency收稿日期:20070313 太阳能电池是利用半导体光生伏特效应((Photovol 2taic Effect )做成的半导体器件,也是一种电离辐射效应的应用。
太阳能光伏技术概论
太阳电池发展史
➢1990年世界太阳能电池年产量超过46.5MW。 ➢1991 年 世 界 太 阳 能 电 池 年 产 量 超 过 55.3MW ； 瑞 士 Gratzel教授研制的纳米TiO2染料敏化太阳能电池效率达 到7%。
➢1992年世界太阳能电池年产量超过57.9MW。 ➢1993年世界太阳能电池年产量超过60.1MW。
➢2004 年 世 界 太 阳 能 电 池 年 产 量 超 过 1200MW ； 德 国 Fraunhofer ISE多晶硅太阳能电池效率达到20.3%；非 晶硅太阳能电池占市场份额4.4%，降为1999年的1/3， CdTe占1.1%；而CIS占0.4%。
预计未来世界太阳 能发电产业的发展
➢2010年通过技术突破，太阳能电池成本进一步降低， 在世界能源供应中占有一定的份额；德国可再生能源发 电达到12.5%。
中国太阳能发电发展史
➢1958年我国开始研制太阳能电池。
➢1959年中国科学院半导体研究所研制成功第一片具有 实用价值的太阳能电池。
➢1971年3月在我国发射的第二颗人造卫星——科学实验 卫星实践一号上首次应用由天津电源研究所研制的太阳 能电池。
➢1973年在天津港的海面航标灯上首次应用由天津电源 研究所研制的太阳能电池，航标灯上应用14.7W太阳能 电池。
简单立方晶格
面心立方晶格 Au、Ag、Cu、Al…
体心立方晶格 Li、Na、K、Fe…
六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd…
电子共有化
1、周期性势场
(1) 孤立原子(单价) 电子所在处的电势为U，电子的电势能为V。电势能是 一个旋转对称的势阱。
-e U
●V
U
r
●
+
第三章 太阳能电池
3.3 光生电流的收集效率
3.3.1光生载流子的收集 光生载流子的收集
• 连续性方程，以电子为例： Dn(d2np/dx2)-(np-np0)/τ+GL=0 其中GL=ａ· Fph · exp(-ａx) • 光子收集效率： η=（Jn+Jp）/（q · Fph ） 其中Jn=qDn(dnp/dx) Jp=-qDp(dpn/dx)
• 光电流与结电流 光生电场在内部产生——结电流Ij 光生电压在外部产生——光电流IL=短路电 流 I = IL- Ij = IL- I0 [ exp(qV/kT) -1 ]
• 开路电压Voc I = 0，即IL- I0 [ exp(qV/kT) -1 ] = 0 Voc = ( kT/q ) · ln( 1+IL/I0 )
少子寿命
有一个最佳值
• 填充因子（占空因数） FF = (Imp · Vmp) / (Isc · Voc) = 0.7-0.8 • 转换效率
η=单位面积输出的电功率/单位面积输入的电功率 =( FF · Isc · Voc / A ) / 100mW/cm2
主要内容
• • • • • • • 3.0 序言 3.1 半导体中的光吸收 3.2 太阳电池的工作原理 3.3 光生电流的收集效率 3.4 太阳电池设计的几个问题 3.5 各种太阳电池 3.6 总结
3.1 半导体中的光吸收
3.1.1光吸收过程及本征吸收 光吸收过程及本征吸收 本征吸收
• 半导体材料对光吸收
非本征吸收
光能量经半导体吸收，使价带电子 • 本征吸收： 跃迁到导带（即载流子越过Eg）。
跃迁吸收
• 本征吸收
非跃迁吸收
激子吸收
• 非本征吸收
杂质迁吸收 自由载流子吸收 晶格吸收
单晶硅太阳能电池的性能研究
目录第一章绪论................................................... 错误!未定义书签。
1.1 太阳能是人类最理想的能源............................... 错误!未定义书签。
1.2 太阳能发电是最理想的新能源技术......................... 错误!未定义书签。
1.3 太阳能发电的应用....................................... 错误!未定义书签。
1.4 太阳能发电的前景....................................... 错误!未定义书签。
第二章单晶硅太阳能电池的理论基础............................. 错误!未定义书签。
2.1 关于P-N结............................................. 错误!未定义书签。
2.2 光电流................................................. 错误!未定义书签。
2.3 光电压................................................. 错误!未定义书签。
2.4 太阳电池的等效电路..................................... 错误!未定义书签。
第三章单晶硅太阳能电池的性能分析............................. 错误!未定义书签。
3.1 硅太阳电池的结构....................................... 错误!未定义书签。
3.2 单晶硅太阳电池的主要性能参数........................... 错误!未定义书签。
3.2.1 输出特性与光强关系............................... 错误!未定义书签。
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§ 3.1.4 理想太阳能电池 量子效率
所谓“量子效率”，即太阳能电池所收集的载流 子的数量与入射光子的数量的比例。量子效率即可以与 波长相对应又可以与光子能量相对应。如果某个特定波 长的所有光子都被吸收，并且其所产生的少数载流子都 能被收集，则这个特定波长的所有光子的量子效率都是 相同的。而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。 下图将描述理想太阳能电池的量子效率曲线。
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§ 3.1.2 理想太阳能电池 光生电流
第二个过程是pn结通过对这些光生载流子的收集， 即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。 pn结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光 生少数载流子到达pn结，将会被内建电场移到另一个区， 然后它便成了多数载流子。如果用一根导线把发射区跟 基区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外 部电路。
面反射、对长波光的吸收的
减少和短扩散长度
理想量子 效率曲线
能量低于禁带宽度的光 不能被吸收，所以长波 长的量子效率为零。
前端表面复合导致蓝光响应的减小。
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§ 3.1.1 理想太阳能电池 太阳能电池的结构
前端接触电极
减反射膜
发射区 基区
电子空穴对 背接触电极
太阳能电池的横截面
§ 3.1.1 理想太阳能电池 太阳能电池的结构
太阳能电池运行的基本步骤： • 光生载流子的产生 • 光生载流子聚集成电流 • 产生跨越太阳能电池的高电压 • 能量在电路和外接电阻中消耗
收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小。光
生电流大小等于电池各处的载流子生成速率乘以该处的收集概率。
下面是硅在光照为AM1.5下光生电流的方程，包括了生成率和收集
概率。
JL
W
q0
G
x CP
x dx
w
q 0
H0exd CP x dx
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收集概率
生成率
在电池中的距离
“收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生 的载流子被pn结收集并参与到电流流动的概率，它的大小 取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。在 耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为在 这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。在原来电场 的区域，其收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大 于扩散长度的区域产生时，那么它的收集概率是相当低的。 相似的，如果载流子是在靠近电池表面这样的高复合区的 区域产生，那么它将会被复合。下面的图描述了表面钝化 和扩散长度对收集概率的影响。
§ 3.1.2 理想太阳能电池 光生电流
动画展示了短
路情况下的理想电 流。理想短路情况 下电子和空穴在pn 结的流动。少数载 流子不能穿过半导 体和金属之间的界 限，如果要阻止复 合并对电流有贡献 的话，必须通过pn 结的收集。
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§ 3.1.3 理想太阳能电池 收集概率
§ 3.1.3 理想太阳能电池 收集概率
对收集概率的计算，红线代表发射区的扩散长度，蓝 线代表基区的发射长度。
在耗散区的收集概 率相同
收
背表面
集 概 率
强钝化的太阳能 电池
弱钝化的太阳 能电池
前端表面
低扩散长度的太阳
能电池。
电池中距离表面的距离
在高复合率的情况下， 其表面的收集概率很低。
§ 3.1.3 理想太阳能电池 收集概率
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§ 3.1.4 理想太阳能电池 量子效率
下图为硅太阳能电池的量子效率。通常，波长小于
350nm的光子的量子效率不予测量，因为在1.5大气质量光谱 中，这些短波的光所包含能量很小。
总量子效率的减小是由反射效应和 过短的扩散长度引起的。
量
子
效
率
红光响应的降低是由于背表
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§ 3.1.3 理想太阳能电池 收集概率
在1.5光谱下硅的生成速率。注意，电池表面的生成率是 最高的，因此电池对表面特性是很敏感的。
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§ 3.1.3 理想太阳能电池 收集概率
收集概率的不一致产生了光生电流的光谱效应。 例如，表面的收集概率低于其他部分的收集概率。比 较下图的蓝光、红光和红外光，蓝光在硅表面的零点 几微米处几乎被全部吸收。因此，如果顶端表面的收 集概率非常低的话，入射光中蓝光将不对光生电池做 出贡献。
E-H
§ 3.1.3 理想太阳能电池 收集概率
归 一 化 的
对 生 成 率
上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长 0.45μm的蓝光拥有高吸收率，为105cm-1，也因此它在非常靠近顶端 表面处被吸收。波长0.8μm的红光的吸收率103cm-1，因此其吸收长 度更深一些。1.1μm红外光的吸收率为103cm-1，但是它几乎不被吸 收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。
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§ 3.1.2 理想太阳能电池 ห้องสมุดไป่ตู้生电流
在太阳能电池中产生的电流叫做“光生电流”， 它的产生包括了两个主要的过程。
第一个过程是吸收入射光子并产生电子空穴对。 电子空穴对只能由能量大于太阳能电池的禁带宽度的光 子产生。然而，电子（在p型材料中）和空穴（在n型 材料中）是处在亚稳定状态的，在复合之前其平均生存 时间等于少数载流子的寿命。如果载流子被复合了，光 生电子空穴对将消失，也产生不了电流或电能了。
第三章： 太阳能电池的特性
§ 3.1 理想太阳能电池 § 3.2 太阳能电池的
参数 § 3.3 电阻效应 § 3.4 其他效应 § 3.5 对太阳能电池
的测量
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§ 3.1.1 理想太阳能电池 太阳能电池的结构
太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电的电 子器件。入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电 压的形式来产生电能。这个过程的发生需要两个条件， 首先，被吸收的光要能在材料中把一个电子激发到高 能级，第二，处于高能级的电子能从电池中移动到外 部电路。在外部电路的电子消耗了能量然后回到电池 中。许多不同的材料和工艺都基本上能满足太阳能转 化的需求，但实际上，几乎所有的光伏电池转化过程 都是使用组成 pn结形式的半导体材料来完成的。