太阳电池及其组件

第3章太阳电池及其组件

太阳能光伏发电系统最核心的器件是太阳电池。太阳电池质量的好坏直接影响太阳能光伏发电系统的输出功率及使用寿命，本章重点讲解太阳电池的原理、特性及种类；太阳电池组件的概念及结构。

3.1 太阳电池

3.1.1太阳电池原理

太阳电池是利用半导体光生伏打效应（Photovoltaic Effect）的半导体器件。当太阳光照射到由p型和n型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的p-n结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后,在导带和价带中产生非平衡载流子—电子和空穴。它们分别在p区和n 区形成浓度梯度，并向p- n结作扩散运动，到达结区边界时受p-n结势垒区存在的强内建电场作用将空穴推向p区电子推向n区，在势垒区的非平衡载流子亦在内建电场的作用下，各向相反方向运动，离开势垒区，结果使p区电势升高，n区电势降低，p-n结两端形成光生电动势，这就是p-n结的光生伏打效应。太阳电池热平衡时的能带见图3.1，太阳电池在光照下p-n结能带见图3.2。

在光照条件下，只要具有足够能量的光子进入p-n区附近才能产生电子─空穴对。对于晶体硅太阳电池来说，太阳光谱中波长小于1.1μm的光线都可能产生光伏效应。对于不同材料

的太阳电池来说，尽管光谱相应的范围是不同的，但光电转换的原理是一致的。如图3.3所示，在p-n结的内建电场作用下，n区的空穴向p区运动，而p区的电子向n区运动，

最后造成在太阳电池受光面(上表面）有大量负电荷（电子）积累，而电池背光面（下表面）有大量正电荷（空穴）积累。如在电池上、下表面做上金属电极，并用导线接上负载，在负载上就有电流通过。只要太阳光照持续不断，负载上就一直有电流通过。

3.1.2太阳电池的基本特性

1.太阳电池的输出特性

(1)等效电路

为了描述太阳电池的工作状态，往往将太阳电池及负载系统用一等效电路来模拟。在恒定光照下，一个处于工作状态的太阳电池，其光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可把它看做是恒流源。光电流一部分流经负载R L，在负载两端建立起端电压V，反过来它又正向偏置于p-n结二极管，引起一股与光电流方向相反的暗电流I bk，但是，由于前面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。流经负载的电流，经过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻R s来表示。由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻R sh 来等效。其等效电路就绘制成图3.4的形式。I L为光生电流，I D为二极管电流，R s为串联电阻，R sh为并联电阻，I为输出电流，V为输出电压。R L为负载电阻其中暗电流等于总面积与J bk乘积，而光电流I L为电池的有效受光面积A E与J L的乘积，这时的结电压V j不等于负载的端电压，由图可见结点压的表达式为：

(2) 输出特性

根据上图就可以写出太阳电池输出电流I和输出电压V之间的关系

其中暗电流I bk应为结电压V j的函数，而V j又是通过式3.1与输出电压V相联系的。当负载R L从0变化到无穷大时，输出电压V则从0变到V oc，同时输出电流I便从I sc变到0，由此得到电池的输出恃性曲线，如图3.5所示。曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵横坐标，即为工作电流和工作电压，其乘积P=IV为电池的输出功率。

2. 短路电流

太阳电池的短路电流等于其光生电流。分析短路电流的最方便的方法是将太阳光谱划分成许多段，每一段只有很窄的波长范围，并找出每一段光谱所对应的电流，电池的总短路电流是全部光谱段贡献的总和：

式中：λo为本征吸收波长限；R(λ)为表面反射率；F(λ)为太阳光谱中波长为λ~λ+ dλ间隔内的光子数。

F(λ)的值很大的程度上依赖于太阳天顶角。

由图3.5可知，当R s→0，R sh→∞时，可得：

当外电路短路时（R=0，V = 0)，此时I最大，表达式为：

I sc称为短路电流。由于光照产生的非平衡载流子各向相反方向扩散和漂移，从而内部构成自n区流向p区的光生电流，在p-n结短路情况下构成短路电流I sc。如果将p-n结与外电路接通，对于恒定光照，就会有恒定电流流过电路，在非静电力的作用下p-n 结起了电源的作用。在外电路接上负载后，负载中便有电流过，该电流称为太阳电池的工作电流，或称输出电流。负载两端的电压称工作电压。

3. 开路电压

对理想p-n结且不考虑太阳电池有限尺寸的影响，在开路情况下，光照p-n结两端建立光生电势，称为开路电压，表达式如下：

在可以忽略串联、并联电阻的影响时，I sc为与入射光强度成正比的值，在很弱的阳光下，Is c≤I o，因此

在很强的阳光下，Isc≥I o

由此可见，在较弱阳光时，硅太阳电池的开路电压随光的强度作近似直线的变化。而当有较强的阳光时，V oc则与入射光的强度的对数成正比。图3.6表示具有代表性的硅和GaAs 太阳电池的I sc与V oc之间的关系。Si与GaAs比较，因GaAs的禁带宽度宽，故I o值比Si的小几个数量级，GaAs的V oc值比Si的髙0.45伏左右。假如结形成的很好，禁带宽度愈宽的半导体，V oc也愈大。

4. 太阳电池伏安特性曲线

太阳电池的工作电流和电压随着负载电阻的变化而变化，将不同阻值所对应的工作电压和电流值绘制成曲线就得到太阳电池的伏安特性曲线，如图3.5所示。

由于太阳电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳电池的温度，因此太阳电池组件的测量必须在标准条件下（STC─Standard Test Condition）进行，测量条件被“欧洲委员会”定义为101号标准，其条件是：

光谱辐照度为1000W/m2，光谱为AM1.5，电池温度为25℃。

在这种条件下,太阳电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，单位为峰瓦(W P)。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟器测定，并和国际认证机构的标准化的太阳电池进行比较。

5. 填充因子

如果负载的电阻值使得工作电流和电压的乘积最大，即得到了最大的输出功率，用符号P m表示，即有：

V m和I m分别是太阳电池工作时的最大工作电压和电流。

填充因子是最大输出功率与电池的短路电流和开路电压乘积的比值。用FF表示：

填充因子是衡量电池输出特性的重要指标，代表电池在最佳负载时所能输出的最大功率，其值越大表明太阳电池的输出特性越好，FF值可由如下的经验式给出：

式中：是归一化开路电压；V oc=qV oc/nkT，n为二极管品质因子。当V oc >15时，该公式的精确度可达4位有效数字。实际上，由于受串联电阻和并联电阻的影响，电池的实际填充因子的值低于上述给出的理想值。

6. 转换效率

转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻R时，得到的最大能量转换效率，其定义为：

即电池的最大功率输出与入射功率之比，由式3.11可知，填充因子正好是I─V曲线下最大长方形面积与乘积V oc.I sc之比，所以转换效率可表示为：