光伏发电原理及应用

2015-2019年中国太阳能光伏发电产业深度分析及发展规划咨询建议报告

光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接

转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太

阳电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元

器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳

定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需

要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到

玩具，光伏电源可以无处不在。

光生伏特效应英文名称:Photovoltaic effect。光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件传感器);侧向光生伏特效应(殿巴效应)--(可制作半导体位置敏感器件(反转光敏二极管)传感器);PN结光生伏特效应--(可

制作光电池、光敏二极管和光敏三极管传感器)。

P-N结：

太阳能电池发电的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以P型硅和N型硅对外部来说是电中性的。如将P型硅或N型硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。尽管通过光的能量电子从化学键中被释放，由此产生电子-空穴对，但在很短的时间内(在μS范围内)电子又被捕获，即电子和空穴"复合"。

当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P 区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的"内电场"，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是

P-N结。

至今为止，大多数太阳能电池厂家都是通过扩散工艺，在P型硅片上形成N 型区，在两个区交界就形成了一个P-N结(即N+/P)。太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P-N结。

如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子

能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子-空穴对。界面

层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子

向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P

区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接

入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为~。通过光照在界

面层产生的电子-空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电

池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。

光伏发电系统组成

太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)

组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为:

(一)太阳能电池板:太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，

也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。

(二)太阳能控制器:太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项;

(三)蓄电池:一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍

镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。

(四)逆变器:太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。

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