太阳电池发电原理

光伏基础——太阳电池分类
异质结太阳电池：由两种禁带宽带不同的半 导体材料形成的异质结。用异质结构成的太阳 电池称为异质结太阳电池，如氧化锡/硅太阳能 电池、硫化亚铜/硫化镉太阳电池、砷化镓/硅太 阳电池等。
肖特基结太阳电池：利用金属-半导体界面的肖 特基势垒构成的光伏电池，也称为MS太阳电池， 如铂/肖特基太阳电池、铝/肖特基太阳电池等。 其原理是基于金属-半导体接触时，在一定条件下 产生整流接触的肖特基效应。
多子自由电子，少子空穴 内电场 N 型半导体
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
+ +
+ +
浓度差
多子的扩散运动
形成空间电荷区
4.P-N结光伏效应
光照射到P-N结上，产生电子-空穴对， 然后在内建电场的作用下，电子被拉到N 极的一端，空穴被拉到P极的一端，使P 区的电势高于N区的电势，两端产生一个 光生电动势，在电子、空穴的移动过程 中形成光生电流，这一现象称为P-N结的 光生伏打效应。
q ( U IR
s
) / A 0 kT
1)
U IR s R sh

这就是光照情况下太阳电池的电流与电压的关系。 画成图形，即为(I-V)特性曲线。
光伏基础——太阳电池等效电路

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在理想情况下： Rsh →∞ ， Rs→0 由此得到：

I= Iph – ID = Iph – Ioo{exp(qU/A0kT)-1}
光伏基础——太阳电池参数

2. 伏安(I-V)特性曲线
不 同 辐 照 度 下 电 池 的 特 性 曲 线 I-V
光伏基础——太阳电池参数
3. 开路电压 在一定的温度和辐照度条件下，光伏发电器在 空载(开路)情况下的端电压，通常用Voc来表示。 正比。
光伏基础——太阳电池参数



4. 短路电流 在一定的温度和辐照条件下，光伏发电器在端电压 为零时的输出电流，通常用Isc来表示。 Isc与太阳电池的面积大小有关，面积越大， Isc越 大。一般1cm2的太阳电池Isc值约为16~30mA。 Isc与入射光的辐照度成正比。 Isc随温度上升略有增加。
图中，正电荷表示 硅原子，负电荷表示 围绕在硅原子旁边的 四个电子。而黄色的 表示掺入的磷原子， 红色的为多余的电子 ，因为磷原子周围只 有5个电子，所以就 会有一个电子变得非 常活跃，形成N（ negative）型半导体 。
3、P-N结内电场的形成
多子空穴，少子自由电子 P 型半导体
－ － －－ － － － － －－ － － － － －－ － － － － －－ － －
光伏基础——太阳电池分类
多结太阳电池：由多个P-N结形成的调养电池， 又称复合结太阳电池，有垂直多结太阳电池、水平 多结太阳电池等。 液结太阳电池：用浸入电解质中的半导体构成 的太阳电池，也称为光电化学电池。 2、按材料分类： 晶体硅太阳电池（非晶硅薄膜、微晶硅薄膜、 纳晶硅薄膜太阳电池）、硒光电池、化合物 太阳电池（硫化镉，硒铟铜，碲化镉，砷化 镓太阳电池）以及染料太阳电池。
ID=Io{exp(qUj/A0kT)-1}
其中： Io为太阳电池在无光照时的饱和电流； A0为结构因子，它反映了p-n结的结构完整性对性 能的影响； K是玻尔兹曼恒量 T是热力学温度

光伏基础——太阳电池等效电路
因此得出:

I I ph I D I sh I ph I 00 ( e
光伏基础——太阳电池等效电路
实 际 的 太 阳 电 池 等 效 电 路
根据结点电流的关系可以推 出： Iph=ID+Ish+IL 则IL=Iph-ID-Ish 电压关系： UJ=UL+ILRS UJ=IshRsh
光伏基础——太阳电池等效电路
暗电流ID是注入电流和复合电流之和，可以简 化为单指数形式：
光伏基础——太阳电池分类
光伏基础——太阳电池分类
光伏基础——太阳电池分类
常规晶体硅太阳电池
单晶硅太阳电池
实验室最高效率：24.7% 商业化批量生产效率：17%
多晶硅太阳电池
实验室最高效率：20.3%
商业化批量生产效率：16%
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非晶硅/微晶硅双叠层太阳电池
光伏基础——太阳电池分类
I
光伏基础——太阳电池等效电路
寄生电阻：
串联电阻Rs的主要来源是：制造电池的半导体材 料的体电阻、电极和互联金属的电阻，以及电极 和半导体之间的接触电阻。 分流电阻Rsh则由于P-N结漏电引起的，其中包括 绕过电池边缘的漏电及由于结区存在晶体缺陷和 外来杂质的沉积物所以引起的内部漏电。 这两种寄生电阻都会起到减小填充因子的作用， 很高的Rs值和很低的Rsh值还会分别导致ISC和VOC 的降低。
小结
主要内容
1.太阳电池的发展历史与展望 2.太阳电池的应用
3.太阳能光伏兴起原因
4.P-N结光伏效应 5.太阳能电池发电的基本原理
太阳电池原理及参数
授课时间： 第 19讲：太阳电池原理及参数 目的要求： 1、了解光伏发电的参数 2、掌握光伏发电的基本原理 知识点或技能点： 光伏发电的基本原理 重点难点： 重点：光伏发电的基本原理 难点：光伏发电的基本原理 教学手段（含教具）：多媒体演示 课外练习或训练： 1、光伏发电的应用范围 2、光伏发电的基本原理


光伏基础——太阳电池等效电路
(1)理想太阳电池等效电路： 相当于一个电流为Iph的恒流电源与一只正向二极管 并联。 流过二极管的正向电流称为暗电流ID. 流过负载的电流为I 负载两端的电压为U


光伏基础——太阳电池等效电路
理 想 的 太 阳 电 池 等 效 电 路
Iph
ID
V
R
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DSSC太阳电池结构
光伏基础——太阳电池参数



1.标准测试条件 光源辐照度：1000W/m2 ；是标准测试太阳能 电池的光线入射强度。 测试温度： 25±20C ； AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。
AM的意思是air-mass 定义是：Path-length through the atmosphere relative to vertical thickness of the atmosphere。 就是光线通过大气的实际距离比上大气的垂直厚度 AM=1/cos φ , 其中φ=48.2o
N
内电 场E
N Iph
P
P
上电极
N Iph P
下电极
光生电 动势U
2.太阳能电池发电的基本原理
太阳能电池 发电原理是 根据P-N结 的光生伏打 效应，将太 阳光能直接 转化为电能。
光伏基础——太阳电池分类
1、按结构分类： 同质结太阳电池、异质结太阳电池、肖特基结 太阳电池、复合结太阳电池以及液晶太阳电池。 同质节光伏电池：由同一种半导体材料所形成 的PN结或梯度结称为同质结。用同质结构成的 电池称为同质结太阳电池，如硅、砷化镓太阳 电池。
正面电极 P-GaAs帽层 减反射膜
P-AIGaAs窗口层
P-GaAs发射区 n-GaAs基区 n-GaAs缓冲区 n-GaAs衬底
背面电极
有帽层PPNN型GaAs太阳电池结构示
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First Solar碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池
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CIGS太阳电池结构
最大输出功率 日照强度 太阳能电池受光面积 100% Pmax [ KW ] E[ KW m
2

(%)
] A[m ]
2
100%
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10. 电流温度系数 在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变 化10C ，太阳电池短路电流的变化值，通常用α 表示。 对于一般晶体硅电池 ： α =+0.1%/0C 11. 电压温度系数 在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变 化10C ，太阳电池开路电压的变化值，通常用β 表示。 对于一般晶体硅电池 ： β =-0.38%/0C
在负载短路时，即Uj=0(忽略串联电阻)，便得到短 路电流，其值恰好与光电流相等

Isc= Iph
光伏基础——太阳电池等效电路

因此得出：
I= Iph – ID = Isc – Ioo{exp(qU/A0kT)-1}

在负载R→∞时,输出电流→0,便得到开路电压Uoc 其值由下式确定：
U oc A 0 kT q ln( I ph / I 00 1 )

8. 填充因子(曲线因子) 太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流 乘积之比，通常用FF表示：
FF = ImVm/ IscVoc

IscVoc是太阳电池的极限输出功率 ImVm是太阳电池的最大输出功率
填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重 要参数。

光伏基础——太阳电池参数

9. 转换效率 受光照太阳电池的最大功率与入射到该太 阳电池上的全部辐射功率的百分比。 η = Vm Im / Pin 或η = FF* Isc*Voc / Pin 其中Vm和Im分别为最大输出功率点的电压和电流， Pin为太阳光输入功率。
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5. 最大功率点 在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的 点，又称最佳工作点。 6. 最佳工作电压 太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的 电压。通常用Vm表示。 7. 最佳工作电流 太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的 电流。通常用Im表示
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1.P型半导体
图中，正电荷表示 硅原子，负电荷表示 围绕在硅原子旁边的 四个电子。而黄色的 表示掺入的硼原子， 因为硼原子周围只有 3个电子，所以就会 产生如图所示的蓝色 的空穴，这个空穴因 为没有电子而变得很 不稳定，容易吸收电 子而中和，形成P（ positive）型半导体 。
2.N型半导体