太陽(yáng)能電池的工作原理課件PPT

太陽(yáng)能電池的工作原理硅太陽(yáng)電池化合物太陽(yáng)電池硅太陽(yáng)電池*以硅為基體材料的太陽(yáng)電池稱為硅太陽(yáng)電池。單晶硅（Singlecrystaline-Si）太陽(yáng)電池。多晶硅（Polycrystaline-Si）太陽(yáng)電池。非晶硅（Amorphous-Si）太陽(yáng)電池。微晶硅（μc-Si）太陽(yáng)電池。HIT(HeterojunctionwithIntrinsicThin-layer)電池。雙面太陽(yáng)電池?！?-1

太陽(yáng)電池的分類按基體材料分化合物太陽(yáng)電池**以化合物半導(dǎo)體材料制成的太陽(yáng)電池稱為化合物太陽(yáng)電池。單晶化合物太陽(yáng)電池。多晶化合物太陽(yáng)電池。有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)電池。染料敏化太陽(yáng)電池。按電池結(jié)構(gòu)分1.同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池pn結(jié)是同一種半導(dǎo)體材料的同質(zhì)結(jié)構(gòu)成的太陽(yáng)電池。2.異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池由禁帶寬度不同的半導(dǎo)體材料形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的太陽(yáng)電池。3.肖特基結(jié)太陽(yáng)電池利用金屬-半導(dǎo)體界面上的肖特基勢(shì)壘而構(gòu)成的太陽(yáng)電池稱肖特基結(jié)太陽(yáng)電池。4.復(fù)合結(jié)太陽(yáng)電池由兩個(gè)或多個(gè)pn結(jié)形成的太陽(yáng)電池稱為復(fù)合結(jié)太陽(yáng)電池。按用途分1.空間太陽(yáng)電池指在人造衛(wèi)星、宇宙飛船等航天器上應(yīng)用的太陽(yáng)電池。制作精細(xì)，價(jià)格較高。2.地面太陽(yáng)電池指用于地面陽(yáng)光發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)電池。具有較高的功率價(jià)格比。3.光敏傳感器光照強(qiáng)度不同，電流大小也不一樣?！?-2太陽(yáng)電池的工作原理P型和N型半導(dǎo)體3.2.1通常應(yīng)用的太陽(yáng)電池是一種將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，其基本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的P-N結(jié)組成。半導(dǎo)體(semiconductor)*定義：形成材料的電阻率界于金屬與絕緣材料之間的材料。電阻率在某個(gè)溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增加。電導(dǎo)率在10-4～104/（Ω.cm）之間。原子示意圖晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)N型半導(dǎo)體*n型半導(dǎo)體：硅晶體中摻入少量五價(jià)元素磷或砷原子。磷或砷原子稱為施主。這種雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠施主能級(jí)激發(fā)到導(dǎo)帶中去的電子來(lái)導(dǎo)電，稱為電子型半導(dǎo)體或n型半導(dǎo)體。額外電子P具有較高的功率價(jià)格比。當(dāng)溫度變化時(shí)，太陽(yáng)電池的輸出電壓會(huì)產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，溫度每變化1oC，太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓的變化值稱為電壓溫度系數(shù)，通常用β表示：在一定溫度和輻照度條件下，太陽(yáng)電池在開(kāi)路情況下的端電壓，亦即伏安特性曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓，通常用UOC來(lái)表示。6x106km2(1.【例3-1】某一面積為100cm2的太陽(yáng)電池，測(cè)得其最大功率為1.電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離，在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電勢(shì)。η=UmIm/AtPin電導(dǎo)率在10-4～104/（Ω.12x1015MWh/a可見(jiàn)光:380-780nm(46.短路電流(Short-circuitcurrent)§3-3太陽(yáng)電池的電學(xué)特性5W，則該電池的轉(zhuǎn)換效率是多少？54x1015MWh/a-直徑12756km對(duì)于n型半導(dǎo)體，電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度，電子為多數(shù)載流子稱為多子，空穴稱為少子。p型半導(dǎo)體：硅晶體中摻入少量三價(jià)硼原子。硼原子稱為受主。這種雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)主要取決于滿帶空穴運(yùn)動(dòng)，故稱空穴半導(dǎo)體或p型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體*空穴B對(duì)于p型半導(dǎo)體，電子濃度遠(yuǎn)小于空穴濃度，空穴為多數(shù)載流子稱為多子，電子稱為少子。P-N結(jié)(P-Njunction)3.2.2如果將n型和p型半導(dǎo)體兩者緊密結(jié)合，連成一體，導(dǎo)電類型相反的兩塊半導(dǎo)體之間的過(guò)渡區(qū)域，稱為P-N結(jié)?？臻g電荷區(qū)勢(shì)壘區(qū)耗盡區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)擴(kuò)散流漂移流平衡PN結(jié)熱平衡時(shí)：擴(kuò)散流=漂移流PN結(jié)中無(wú)凈電流。內(nèi)光電效應(yīng)3.2.3當(dāng)半導(dǎo)體的表面受到太陽(yáng)光照射時(shí)，如果其中有些光子的能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度，就能使電子掙脫原子核的束縛，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。實(shí)現(xiàn)條件：hv≥Eg

或λ≤hC/Eg太陽(yáng)電池基本工作原理3.2.4

吸收光子，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。

電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離，在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電勢(shì)。

將PN結(jié)用導(dǎo)線連接，形成電流。

在太陽(yáng)電池兩端連接負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了將光能向電能的轉(zhuǎn)換。At----包括柵線面積在內(nèi)的太陽(yáng)電池總面積；太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)非晶硅（Amorphous-Si）太陽(yáng)電池。通常應(yīng)用的太陽(yáng)電池是一種將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，其基本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的P-N結(jié)組成。-在地球表面的輻射功率1.§3-3太陽(yáng)電池的電學(xué)特性輸出功率:流進(jìn)負(fù)載的電流為I，負(fù)載端電壓為U5W，則該電池的轉(zhuǎn)換效率是多少？可見(jiàn)光:380-780nm(46.Um、Im----最大輸出功率點(diǎn)的電壓、電流；§3-1太陽(yáng)電池的分類54x1015MWh/a理想的太陽(yáng)電池等效電路：只有ISC和Id短路電流(Short-circuitcurrent)利用金屬-半導(dǎo)體界面上的肖特基勢(shì)壘而構(gòu)成的太陽(yáng)電池稱肖特基結(jié)太陽(yáng)電池。晶體硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)3.2.5上電極（-）抗反射層背面接觸基本晶體硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)3.2.6§3-3

太陽(yáng)電池的電學(xué)特性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件3.3.1大氣質(zhì)量—太陽(yáng)光線通過(guò)大氣層的路程對(duì)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射的影響AM0—地球大氣層外的太陽(yáng)輻射AM1—穿過(guò)1個(gè)大氣層的太陽(yáng)輻射（太陽(yáng)入射角為0）AM1.5—太陽(yáng)入射角為48.2°的太陽(yáng)輻射

國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定地面太陽(yáng)電池的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件是：光強(qiáng)：1000W/m2光譜分布：AM1.5電池溫度：25℃電性能測(cè)試大氣質(zhì)量(AM0-2)太陽(yáng)光譜

大氣質(zhì)量(AM)太陽(yáng)光譜定義幾何示意圖(AM=1/cosz=(1+(s/h)2)-1/2),s是高度為h的垂直竿的陽(yáng)光下投影長(zhǎng)度，z太陽(yáng)天頂角。太陽(yáng)數(shù)據(jù)

-直徑1392000km-表面積6.9x1012km2-表面溫度5500K-表面輻射密度63000kW/m2-輻射能量3.36x1024MWh/a-大氣層外太陽(yáng)光譜分布分類與所占比例紫外線:＜380nm(6.46%)

可見(jiàn)光:380-780nm(46.25%)

紅外線:＞780nm(47.29%)-晶體Si太陽(yáng)電池光譜響應(yīng)范圍≤1100nm(50%)

-到太陽(yáng)的平均距離1.5x108km-直徑12756km-表面積5.11x108km2-陸地面積1.49x108km2(29.2%)-中國(guó)面積9.6x106km2(1.87%)?-大氣層外輻射密度（太陽(yáng)常數(shù)）13677W/m2-在地球空間方向上的輻射功率1.76x1011MW-在地球空間方向上的輻射能量1.54x1015MWh/a-在地球表面的的輻射密度(全球輻射)1000W/m2-在地球表面的輻射功率1.28x1011MW-在地球表面的輻射能量1.12x1015MWh/a-在中國(guó)的輻射能量2.09x1013MWh/a?地球的數(shù)據(jù)太陽(yáng)輻射到地球表面的傳播過(guò)程直射輻射漫射輻射散射吸收云層反射地面反射大氣質(zhì)量(AM0,AM1.5)太陽(yáng)光譜AM1.0與AM1.5太陽(yáng)光譜-大氣層外輻射密度（太陽(yáng)常數(shù)）13677W/m2Pm=ImUm：最大輸出功率輸出功率:流進(jìn)負(fù)載的電流為I，負(fù)載端電壓為U-大氣層外太陽(yáng)光譜分布分類與所占比例光強(qiáng)：1000W/m2n型半導(dǎo)體：硅晶體中摻入少量五價(jià)元素磷或砷原子。§3-3太陽(yáng)電池的電學(xué)特性12x1015MWh/a當(dāng)半導(dǎo)體的表面受到太陽(yáng)光照射時(shí)，如果其中有些光子的能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度，就能使電子掙脫原子核的束縛，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。半導(dǎo)體(semiconductor)*HIT(HeterojunctionwithIntrinsicThin-layer)電池。太陽(yáng)能電池的實(shí)際狀態(tài)等效電路短路電流(Short-circuitcurrent)具有較高的功率價(jià)格比。紅外線:＞780nm(47.AM1.5太陽(yáng)光譜與晶體硅太陽(yáng)電池的可用光譜范圍

太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層的情況AM0(1367W/m2)AM1.5(963W/m2)太陽(yáng)電池等效電路3.3.2太陽(yáng)能電池的理想狀態(tài)等效電路

理想的太陽(yáng)電池等效電路：只有ISC和IdIph太陽(yáng)能電池的實(shí)際狀態(tài)等效電路

實(shí)際太陽(yáng)電池等效電路：并聯(lián)一個(gè)旁路電流支路等效電路Iph太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)3.3.3輸出功率:流進(jìn)負(fù)載的電流為I，負(fù)載端電壓為U1.伏安特性曲線Isc:短路電流Voc:開(kāi)路電壓2.最大功率點(diǎn)輸出功率:流進(jìn)負(fù)載的電流為I，負(fù)載端電壓為UPm=ImUm：最大輸出功率M點(diǎn)：太陽(yáng)能電池的最佳工作點(diǎn)或最大功率點(diǎn)Im：最佳工作電流Um：最佳工作電壓Rm:最佳負(fù)載電阻3.開(kāi)路電壓(Open-circuitvoltage)在一定溫度和輻照度條件下，太陽(yáng)電池在開(kāi)路情況下的端電壓，亦即伏安特性曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓，通常用UOC來(lái)表示。4.短路電流(Short-circuitcurrent)在一定溫度和輻照度條件下，太陽(yáng)電池在端電壓為零時(shí)的輸出電流，亦即伏安特性曲線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流，通常用Isc來(lái)表示。當(dāng)U=0時(shí)，Isc=Iph。太陽(yáng)電池的短路電流Isc與太陽(yáng)電池的面積大小有關(guān)，面積越大，Isc越大。5.填充因子(FillFactor)填充因子是表征太陽(yáng)電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，定義為太陽(yáng)電池的最大功率與開(kāi)路電壓和短路電流的乘積之比，通常用FF或CF表示。FF=B/A6.太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)電池接受光照的最大功率與入射到該電池的全部輻射功率的百分比稱為太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率。即：η=UmIm/AtPin式中：Um、Im----最大輸出功率點(diǎn)的電壓、電流；At----包括柵線面積在內(nèi)的太陽(yáng)電池總面積；Pin----單位面積入射光的功率?！纠?-1】某一面積為100cm2的太陽(yáng)電池，測(cè)得其最大功率為1.5W，則該電池的轉(zhuǎn)換效率是多少？解：太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率η=UmIm/AtPin

=1.5/（100×10-4）×1000=15%7.電流溫度系數(shù)當(dāng)溫度變化時(shí)，太陽(yáng)電池的輸出電流會(huì)產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，溫度每變化1oC，太陽(yáng)電池短路電流的變化值稱為電流溫度系數(shù)，通常用α表示：當(dāng)溫度變化時(shí)，太陽(yáng)電池的輸出電壓會(huì)產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，溫度每變化1oC，太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓的變化值稱為電壓溫度系數(shù)，通常用β表示：8.電壓溫度系數(shù)5—太陽(yáng)入射角為48.在太陽(yáng)電池兩端連接負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了將光能向電能的轉(zhuǎn)換。12x1015MWh/a在一定溫度和輻照度條件下，太陽(yáng)電池在開(kāi)路情況下的端電壓，亦即伏安特性曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓，通常用UOC來(lái)表示。-表面溫度5500K§3-2太陽(yáng)電池的工作原理由禁帶寬度不同的半導(dǎo)體材料形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的太陽(yáng)電池。開(kāi)路電壓(Open-circuitvoltage)紫外線:＜380nm(6.36x1024MWh/aHIT(HeterojunctionwithIntrinsicThin-layer)電池。當(dāng)溫度變化時(shí)，太陽(yáng)電池的輸出電壓會(huì)產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，溫度每變化1oC，太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓的變化值稱為電壓溫度系數(shù)，通常用β表示：在太陽(yáng)電池兩端連接負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了將光能向電能的轉(zhuǎn)換。指用于地面陽(yáng)光發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)電池。太陽(yáng)電池的短路電流Isc與太陽(yáng)電池的面積大小有關(guān)，面積越大，Isc越大。溫度對(duì)太陽(yáng)電池的影響電流溫度系數(shù)：0.1%電壓溫度系數(shù)：-0.4%（-2.3mV/℃)曲線1—25℃曲線2—35℃129.功率溫度系數(shù)當(dāng)溫度變化時(shí)，太陽(yáng)電池的輸出功率會(huì)產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，溫度每變化1oC，太陽(yáng)電池輸出功率的變化值稱為功率溫度系數(shù)，通常用γ表示。忽略平方項(xiàng)，得：10.太陽(yáng)輻照度的影響硅太陽(yáng)電池化合物太陽(yáng)電池硅太陽(yáng)電池*以硅為基體材料的太陽(yáng)電池稱為硅太陽(yáng)電池。單晶硅（Singlecrystaline-Si）太陽(yáng)電池。多晶硅（Polycrystaline-Si）太陽(yáng)電池。非晶硅（Amorphous-Si）太陽(yáng)電池。微晶硅（μc-Si）太陽(yáng)電池。HIT(HeterojunctionwithIntrinsicThin-layer)電池。雙面太陽(yáng)電池?！?-1

太陽(yáng)電池的分類按基體材料分化合物太陽(yáng)電池**以化合物半導(dǎo)體材料制成的太陽(yáng)電池稱為化合物太陽(yáng)電池。單晶化合物太陽(yáng)電池。多晶化合物太陽(yáng)電池。有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)電池。染料敏化太陽(yáng)電池?！?-2太陽(yáng)電池的工作原理P型和N型半導(dǎo)體3.2