太阳电池及其组件.docVIP

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RL，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Ibk，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Rsh来等效。其等效电路就绘制成图3.4的形式。IL为光生电流，ID为二极管电流，Rs为串联电阻，Rsh为并联电阻，I为输出电流，V为输出电压。RL为负载电阻其中暗电流等于总面积与Jbk乘积，而光电流IL为电池的有效受光面积AE与JL的乘积，这时的结电压Vj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Ibk应为结电压Vj的函数，而Vj又是通过式3.1与输出电压V相联系的。当负载RL从0变化到无穷大时，输出电压V则从0变到Voc，同时输出电流I便从Isc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Rs→0，Rsh→∞时，可得： 当外电路短路时（R=0，V = 0)，此时I最大，表达式为： Isc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Isc。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，Isc为与入射光强度成正比的值，在很弱的阳光下，Isc≤Io，因此 在很强的阳光下，Isc≥Io 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