太阳电池原理及参数授课时间 ：第 19讲：太阳电池原理及参数目的要求： 1、了解光伏发电的参数 2、掌握光伏发电的基本原理知识点或技能点： 光伏发电的基本原理重点难点： 重点：光伏发电的基本原理 难点：光伏发电的基本原理教学手段（含教具）：多媒体演示课外练习 或训练 ： 1、光伏发电发电 的应应用范围围 2、光伏发电发电 的基本原理图中，正电荷表示 硅原子，负电荷表示 围绕在硅原子旁边的 四个电子。而黄色的 表示掺入的硼原子， 因为硼原子周围只有3 个电子，所以就会产 生如图所示的蓝色的 空穴，这个空穴因为 没有电子而变得很不 稳定，容易吸收电子 而中和，形成P（ positive）型半导体 。 1.P型半导体2.N型半导体图中，正电荷表示 硅原子，负电荷表示 围绕在硅原子旁边的 四个电子。而黄色的 表示掺入的磷原子， 红色的为多余的电子 ，因为磷原子周围只 有5个电子，所以就会 有一个电子变得非常 活跃，形成N（ negative）型半导体 。 3、P-N结内电场的形成多子空穴，少子自由电子多子自由电子，少子空穴多子的扩散运动内电场浓度差P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体+形成空间电荷区4.P-N结光伏效应NP光照射到P-N结上，产生电子-空穴对， 然后在内建电场的作用下，电子被拉到N 极的一端，空穴被拉到P极的一端，使P 区的电势高于N区的电势，两端产生一个 光生电动势，在电子、空穴的移动过程 中形成光生电流，这一现象称为P-N结的 光生伏打效应。P PNP内电 场 EPNIphPNIph上电极下电极光生电 动势U2.太阳能电池发电的基本原理太阳能电池 发电原理是 根据P-N结 的光生伏打 效应，将太 阳光能直接 转化为电能 。光伏基础太阳电池分类太阳电池分类1、按结构分类：同质结太阳电池、异质结太阳电池、肖特基结 太阳电池、复合结太阳电池以及液晶太阳电池。同质节光伏电池：由同一种半导体材料所形成 的PN结或梯度结称为同质结。用同质结构成的 电池称为同质结太阳电池，如硅、砷化镓太阳 电池。异质结太阳电池：由两种禁带宽带不同的半 导体材料形成的异质结。用异质结构成的太阳 电池称为异质结太阳电池，如氧化锡/硅太阳能 电池、硫化亚铜/硫化镉太阳电池、砷化镓/硅太 阳电池等。肖特基结太阳电池：利用金属-半导体界面的肖 特基势垒构成的光伏电池，也称为MS太阳电池 ，如铂/肖特基太阳电池、铝/肖特基太阳电池等 。其原理是基于金属-半导体接触时，在一定条件 下产生整流接触的肖特基效应。光伏基础太阳电池分类太阳电池分类多结太阳电池：由多个P-N结形成的调养电池， 又称复合结太阳电池，有垂直多结太阳电池、水平 多结太阳电池等。液结太阳电池：用浸入电解质中的半导体构成 的太阳电池，也称为光电化学电池。2、按材料分类：晶体硅太阳电池（非晶硅薄膜、微晶硅薄膜、 纳晶硅薄膜太阳电池）、硒光电池、化合物 太阳电池（硫化镉，硒铟铜，碲化镉，砷化 镓太阳电池）以及染料太阳电池。光伏基础太阳电池分类太阳电池分类光伏基础太阳电池分类太阳电池分类光伏基础太阳电池分类太阳电池分类常规晶体硅太阳电池单晶硅太阳电池实验室最高效率：24.7%商业化批量生产效率：17%多晶硅太阳电池实验室最高效率：20.3%商业化批量生产效率：16%光伏基础太阳电池分类太阳电池分类非晶硅/微晶硅双叠层太阳电池光伏基础太阳电池分类太阳电池分类背面电极n-GaAs衬底n-GaAs缓冲区n-GaAs基区P-GaAs发射区P-AIGaAs窗口层P-GaAs帽层减反射膜正面电极有帽层PPNN型GaAs太阳电池结构示 光伏基础太阳电池分类太阳电池分类First Solar碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池 光伏基础太阳电池分类太阳电池分类CIGS太阳电池结构 光伏基础太阳电池分类太阳电池分类DSSC太阳电池结构 光伏基础太阳电池分类太阳电池分类n1.标准测试条件n光源辐照度：1000W/m2 ；是标准测试太阳能 电池的光线入射强度。 n测试温度： 2520C ； nAM1.5地面太阳光谱辐照度分布。AM的意思是air-mass 定义是：Path-length through the atmosphere relative to vertical thickness of the atmosphere。 就是光线通过大气的实际距离比上大气的垂直厚度 AM=1/cos , 其中=48.2o光伏基础太阳电池参数n2. 伏安(I-V)特性曲线光伏基础太阳电池参数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。 正比。 光伏基础太阳电池参数n4. 短路电流n在一定的温度和辐照条件下，光伏发电器在端电压 为零时的输出电流，通常用Isc来表示。nIsc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1630mA。nIsc与入射光的辐照度成正比。nIsc随温度上升略有增加。光伏基础太阳电池参数n5. 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。n6. 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。n7. 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表示光伏基础太阳电池参数n8. 填充因子(曲线因子)太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流 乘积之比，通常用FF表示： FF = ImVm/ IscVocn IscVoc是太阳电池的极限输出功率n ImVm是太阳电池的最大输出功率n 填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要 参数。光伏基础太阳电池参数n9. 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。= Vm Im / Pin或= FF* Isc*Voc / Pinn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。光伏基础太阳电池参数n10. 电流温度系数在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变 化10C ，太阳电池短路电流的变化值，通常用 表示。对于一般晶体硅电池 ：=+0.1%/0Cn11. 电压温度系数在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变 化10C ，太阳电池开路电压的变化值，通常用 表示。n对于一般晶体硅电池 ： =-0.38%/0C光伏基础太阳电池参数n(1)理想太阳电池等效电路： n相当于一个电流为Iph的恒流电源与一只正向二极管 并联。n流过二极管的正向电流称为暗电流ID.n流过负载的电流为In负载两端的电压为U光伏基础太阳电池等效电路太阳电池等效电路IphIDVRI理想的太阳电池等效电路光伏基础太阳电池等效电路太阳电池等效电路串联电阻Rs的主要来源是：制造电池的半导体材 料的体电阻、电极和互联金属的电阻，以及电极 和半导体之间的接触电阻。 分流电阻Rsh则由于P-N结漏电引起的，其中包括 绕过电池边缘的漏电及由于结区存在晶体缺陷和 外来杂质的沉积物所以引起的内部漏电。 这两种寄生电阻都会起到减小填充因子的作用， 很高的Rs值和很低的Rsh值还会分别导致ISC和VOC 的降低。寄生电阻：光伏基础太阳电池等效电路太阳电池等效电路根据结点电流的关系可以推 出： Iph=ID+Ish+IL 则IL=Iph-ID-Ish 电压关系： UJ=UL+ILRS UJ=IshRsh光伏基础太阳电池等效电路太阳电池等效电路实际的太阳电池等效电路暗电流ID是注入电流和复合电流之和，可以简 化为单指数形式： ID=Ioexp(qUj/A0kT)-1其中： nIo为太阳电池在无光照时的饱和电流； n A0为结构因子，它反映了p-n结的结构完整性对性 能的影响； n K是玻尔兹曼恒量T是热力学温度光伏基础太阳电池等效电路太阳电池等效电路n因此得出:n这就是光照情况下太阳电池的电流与电压的关系。 画成图形，即为(I-V)特性曲线。光伏基础太阳电池等效电路太阳电池等效电路n在理想情况下： Rsh ， Rs0由此得到： nI= Iph ID= Iph Iooexp(qU/A0kT)-1n在负载短路时，即Uj=0(忽略串联电阻)，便得到短 路电流，其值恰好与光电流相等Isc= Iph光伏基础太阳电池等效电路太阳电池等效电路n因此得出：I= Iph ID= Isc Iooexp(qU/A0kT)-1n在负载负载R时时,输输出电电流0,便得到开路电压Uoc 其值由下式确定：光伏基础太阳电池等效电路太阳电池等效电路主要内容1.太阳电池的发展历史与展望2.太阳电池的应用3.太阳能光伏兴起原因4.P-N结光伏效应5.太阳能电池发电的基本原理小结