太陽(yáng)能發(fā)電原理及應(yīng)用講座原理

太陽(yáng)能發(fā)電原理及應(yīng)用講座原理第1頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六太陽(yáng)電池種類第2頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六硅太陽(yáng)電池第3頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.按照結(jié)構(gòu)分類：同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池

異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池

肖特基結(jié)太陽(yáng)電池復(fù)合結(jié)太陽(yáng)電池

液結(jié)太陽(yáng)電池等第4頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.按照用途分類：空間太陽(yáng)電池地面太陽(yáng)電池光敏傳感器第5頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六航天器上的光伏系統(tǒng)第6頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第7頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六火星車第8頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4.按照工作方式分類：平板太陽(yáng)電池聚光太陽(yáng)電池第9頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六聚光太陽(yáng)電池第10頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二.硅太陽(yáng)電池的工作原理硅原子的外層電子殼層中有4個(gè)電子。在太陽(yáng)輻照時(shí)，會(huì)擺脫原子核的束縛而成為自由電子，并同時(shí)在原來(lái)位置留出一個(gè)空穴。電子帶負(fù)電；空穴帶正電。在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。第11頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六硅原子示意圖第12頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六如果在硅晶體中攙入能夠俘獲電子的3價(jià)雜質(zhì)，如：硼，鋁，鎵或銦等，就成了空穴型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱p型半導(dǎo)體。如果在硅晶體中攙入能夠釋放電子的磷，砷，或銻等5價(jià)雜質(zhì)，就成了電子型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱n型半導(dǎo)體。第13頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六若將這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起，由于電子和空穴的擴(kuò)散，在交界面處便會(huì)形成p-n結(jié)，并在結(jié)的兩邊產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，又稱勢(shì)壘電場(chǎng)。第14頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)第15頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

當(dāng)太陽(yáng)光（或其他光）照射到太陽(yáng)電池上時(shí)，電池吸收光能，能量大于禁帶寬度的光子，穿過(guò)減反射膜進(jìn)入硅中，激發(fā)出光生電子–孔穴對(duì)，并立即被內(nèi)建電場(chǎng)分離，光生電子被送進(jìn)n區(qū)，光生孔穴則被推進(jìn)p區(qū)，這樣在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生電子-孔穴對(duì)被分離，在光電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累，即產(chǎn)生了“光生電壓”，這就是“光生伏打效應(yīng)”（簡(jiǎn)稱光伏）。在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，在負(fù)載中就有“光生電流”流過(guò)，從而獲得功率輸出。第16頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第17頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第18頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第19頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六太陽(yáng)電池的極性

太陽(yáng)電池一般制成p+/n型結(jié)構(gòu)或n+/p型結(jié)構(gòu)，其中第一個(gè)符號(hào)，即p+和n+表示太陽(yáng)電池正面光照半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型；第二個(gè)符號(hào)，即n和p表示太陽(yáng)電池背面襯底半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型。下圖為在p型半導(dǎo)體材料上擴(kuò)散磷元素，形成n+/p型結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池。上表面為負(fù)極；下表面為正極。第20頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三.太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)第21頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六四.太陽(yáng)電池基本參數(shù)1.標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件光源輻照度：1000W/m2；測(cè)試溫度：25±20C；AM1.5地面太陽(yáng)光譜輻照度分布。第22頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六AM1.5太陽(yáng)光譜分布第23頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.伏安(I-V)特性曲線受光照的太陽(yáng)電池，在一定的溫度和輻照度以及不同的外電路負(fù)載下，流入負(fù)載的電流I和電池端電壓V的關(guān)系曲線。下圖為某個(gè)太陽(yáng)電池組件的(I-V)特性曲線示意圖。第24頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六不同輻照度下電池的I-V特性曲線第25頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.開路電壓在一定的溫度和輻照度條件下，光伏發(fā)電器在空載(開路)情況下的端電壓，通常用Voc來(lái)表示。太陽(yáng)電池的開路電壓與電池面積大小無(wú)關(guān)，通常單晶硅太陽(yáng)電池的開路電壓約為450-600mV，最高可達(dá)690mV。太陽(yáng)電池的開路電壓與入射光譜輻照度的對(duì)數(shù)成正比。

第26頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4.短路電流在一定的溫度和輻照條件下，光伏發(fā)電器在端電壓為零時(shí)的輸出電流，通常用Isc來(lái)表示。Isc與太陽(yáng)電池的面積大小有關(guān)，面積越大，Isc越大。一般1cm2的太陽(yáng)電池Isc值約為16~30mA。Isc與入射光的輻照度成正比。Isc隨溫度上升略有增加。第27頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.最大功率點(diǎn)在太陽(yáng)電池的伏安特性曲線上對(duì)應(yīng)最大功率的點(diǎn)，又稱最佳工作點(diǎn)。6.最佳工作電壓太陽(yáng)電池伏安特性曲線上最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓。通常用Vm表示7.最佳工作電流太陽(yáng)電池伏安特性曲線上最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流。通常用Im表示第28頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六8.轉(zhuǎn)換效率受光照太陽(yáng)電池的最大功率與入射到該太陽(yáng)電池上的全部輻射功率的百分比。

η=VmIm/Pin其中Vm和Im分別為最大輸出功率點(diǎn)的電壓和電流，Pin為太陽(yáng)光輸入功率。第29頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六世界主要太陽(yáng)電池新記錄電池種類轉(zhuǎn)換效率(%)研制單位備注單晶硅電池24.7±0.5澳大利亞新南威爾士大學(xué)4cm2面積GaAs多結(jié)電池34.7±1.7Spectrolab333倍聚光多晶硅電池20.3±0.5德國(guó)弗朗霍夫研究所1.002cm2面積InGaP/GaAs30.8±1.0日本能源公司4cm2面積非晶硅電池12.8±0.7美國(guó)USSC公司0.27cm2面積CIGS電池19.5±0.6美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室0.41cm2面積CdTe電池16.5±0.5美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室1.032cm2面積多晶硅薄膜電池16.6±0.4德國(guó)斯圖加特大學(xué)4.017cm2面積納米硅電池10.1±0.2日本鐘淵公司2微米膜(玻璃襯底)氧化鈦有機(jī)納米電池11.0±0.5EPFL0.25cm2面積GaInP/GaAs/Ge37.3±1.9Spectrolab175倍聚光背接觸聚光硅電池26.8±0.8美國(guó)SunPower公司96倍聚光第30頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六中國(guó)太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)室最高效率最高效率面積(cm2)單晶硅電池20.42×2多晶硅電池14.532×2GaAs電池20.11×1聚光硅電池172×2CdS/CuxS電池12幾個(gè)mm2CuInSe2電池8.571×1CdTe電池73mm2多晶硅薄膜電池13.61×1非晶硅電池11.2(單結(jié))8.66.2幾個(gè)mm210×1030×30二氧化鈦納米有機(jī)電池101×1第31頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.填充因子(曲線因子)太陽(yáng)電池的最大功率與開路電壓和短路電流乘積之比，通常用FF(或CF)表示：

FF=ImVm/IscVoc

IscVoc是太陽(yáng)電池的極限輸出功率

ImVm是太陽(yáng)電池的最大輸出功率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)。

第32頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六10.電流溫度系數(shù)在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，被測(cè)太陽(yáng)電池溫度每變化10C，太陽(yáng)電池短路電流的變化值，通常用α表示。對(duì)于一般晶體硅電池

α=+0.1%/0C

第33頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六11.電壓溫度系數(shù)在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，被測(cè)太陽(yáng)電池溫度每變化10C，太陽(yáng)電池開路電壓的變化值，通常用β表示。對(duì)于一般晶體硅電池

β=-0.38%/0C第34頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六12.太陽(yáng)電池等效電路(1)理想太陽(yáng)電池等效電路：相當(dāng)于一個(gè)電流為Iph的恒流電源與一只正向二極管并聯(lián)。流過(guò)二極管的正向電流稱為暗電流ID.流過(guò)負(fù)載的電流為I負(fù)載兩端的電壓為V第35頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六理想的太陽(yáng)電池等效電路

IphIDV

R

I第36頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六(2)實(shí)際太陽(yáng)電池等效電路：由于漏電流等產(chǎn)生的旁路電阻Rsh由于體電阻和電極的歐姆電阻產(chǎn)生的串聯(lián)電阻Rs在Rsh兩端的電壓為：Vj=(V+IRS)因此流過(guò)旁路電阻Rsh的電流為：

ISh=(V+IRS)/Rsh流過(guò)負(fù)載的電流：

I=Iph–

ID–ISh

第37頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六實(shí)際的太陽(yáng)電池等效電路

Rs

IphID

RshIshV

R

I第38頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

暗電流ID是注入電流和復(fù)合電流之和，可以簡(jiǎn)化為單指數(shù)形式：

ID=Ioo{exp(qVj/A0kT)-1}其中：Ioo為太陽(yáng)電池在無(wú)光照時(shí)的飽和電流；

A0為結(jié)構(gòu)因子，它反映了p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)完整性對(duì)性能的影響；

K是玻爾茲曼恒量

第39頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六因此得出:這就是光照情況下太陽(yáng)電池的電流與電壓的關(guān)系。畫成圖形，即為(I-V)特性曲線。第40頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六在理想情況下：Rsh

→∞，Rs→0由此得到：I=Iph–

ID=Iph–

Ioo{exp(qV/A0kT)-1}在負(fù)載短路時(shí)，即Vj=0(忽略串聯(lián)電阻)，便得到短路電流，其值恰好與光電流相等

Isc=Iph第41頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六因此得出：

I=Iph–

ID

=Isc–

Ioo{exp(qV/A0kT)-1}在負(fù)載R→∞時(shí),輸出電流→0,便得到開路電壓Voc其值由下式確定：

第42頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六五.提高晶體硅電池效率的方法1.紫光電池采用淺結(jié)(如0.1-0.15μm),和密柵(如30條/cm),克服了“死層”,增加了電池的蘭紫光響應(yīng),提高了電池的效率。2.背電場(chǎng)(BSF)電池在常規(guī)電池n+/p或p+/n的硅電池背面增加一層p+或n+層,即形成背電場(chǎng),可以使電池性能提高,并且不受電阻率和一定范圍內(nèi)單晶片厚度變化的影響。

第43頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.絨面電池采用選擇性腐蝕溶液,使(100)硅片表面形成微小的金字塔型的小丘,小丘密度大約為108-109個(gè)/厘米2。依靠表面金字塔形的方錐結(jié)構(gòu),對(duì)光進(jìn)行多次反射,不僅減少了反射損失,而且改變了光在硅中的前進(jìn)方向,延長(zhǎng)了光程,增加了光生載流子的產(chǎn)量；曲折的絨面又增加了p-n結(jié)面積,從而增加對(duì)光生