太阳能发电原理及应用讲座原理1

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1、第二章太阳电池工作原理一.太阳电池分类1.按照基体材料分类：晶硅太阳电池，包括：单晶硅和多晶硅太阳电池非晶硅太阳电池薄膜太阳电池化合物太阳电池，包括：砷化镓电池；硫化镉电池；碲化镉电池；硒铟铜电池等有机半导体太阳电池太阳电池种类硅太阳电池2.按照结构分类：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液结太阳电池等3.按照用途分类：空间太阳电池地面太阳电池光敏传感器航天器上的光伏系统火星车4.按照工作方式分类：平板太阳电池聚光太阳电池聚光太阳电池二.硅太阳电池的工作原理硅原子的外层电子壳层中有4个电子。在太阳辐照时，会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。

2、电子带负电；空穴带正电。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。硅原子示意图如果在硅晶体中搀入能够俘获电子的3价杂质，如：硼，鋁，镓或铟等，就成了空穴型半导体，简称p型半导体。如果在硅晶体中搀入能够释放电子的磷，砷，或锑等5价杂质，就成了电子型半导体，简称n型半导体。若将这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成p-n结，并在结的两边产生内建电场，又称势垒电场。p-n结内建电场当太阳光（或其他光）照射到太阳电池上时，电池吸收光能，能量大于禁带宽度的光子，穿过减反射膜进入硅中，激发出光生电子–孔穴对，并立即被内建电场分离，光生电子被送进n区，光生孔穴则被推进p区，

3、这样在内建电场的作用下，光生电子-孔穴对被分离，在光电池两端出现异号电荷的积累，即产生了“光生电压”，这就是“光生伏打效应”（简称光伏）。在内建电场的两侧引出电极并接上负载，在负载中就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。太阳电池的极性太阳电池一般制成p+/n型结构或n+/p型结构，其中第一个符号，即p+和n+表示太阳电池正面光照半导体材料的导电类型；第二个符号，即n和p表示太阳电池背面衬底半导体材料的导电类型。下图为在p型半导体材料上扩散磷元素，形成n+/p型结构的太阳电池。上表面为负极；下表面为正极。三.太阳电池的结构四.太阳电池基本参数1.标准测试条件光源辐照度：1000W/m2；测试

4、温度：25±20C；AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。AM1.5太阳光谱分布2.伏安(I-V)特性曲线受光照的太阳电池，在一定的温度和辐照度以及不同的外电路负载下，流入负载的电流I和电池端电压V的关系曲线。下图为某个太阳电池组件的(I-V)特性曲线示意图。不同辐照度下电池的I-V特性曲线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。太阳电池的开路电压与电池面积大小无关，通常单晶硅太阳电池的开路电压约为450-600mV，最高可达690mV。太阳电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。4.短路电流在一定的温度和辐照条件下，光伏发电器在端

5、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。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8.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=VmIm/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

6、。世界主要太阳电池新记录电池种类转换效率(%)研制单位备注单晶硅电池24.7±0.5澳大利亚新南威尔士大学4cm2面积GaAs多结电池34.7±1.7Spectrolab333倍聚光多晶硅电池20.3±0.5德国弗朗霍夫研究所1.002cm2面积InGaP/GaAs30.8±1.0日本能源公司4cm2面积非晶硅电池12.8±0.7美国USSC公司0.27cm2面积CIGS电池19.5±0.6美国可再生能源实验室0.41cm2面积CdTe电池16.5±0.5美国可再生能源实验室1.032cm2面积多晶硅薄膜电池16.6±0.4德国斯图加特大学4.017cm2面积纳米硅电池10.1±0.2日本钟

7、渊公司2微米膜(玻璃衬底)氧化钛有机纳米电池11.0±0.5EPFL0.25cm2面积GaInP/GaAs/Ge37.3±1.9Spectrolab175倍聚光背接触聚光硅电池26.8±0.8美国SunPower公司96倍聚光中国太阳电池实验室最高效率最高效率面积(cm2)单晶硅电池20.42×2多晶硅电池14.532×2GaAs电池20.11×1聚光硅电池172×2CdS/CuxS电池12几个mm2CuIn