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1、清华大学2012届毕业论文目录1.绪论11.1 课题研究背景11.2 太太阳能的的特点及及优势11.3 太太阳能电电池的分分类和研研究进展展21.3.11 按材材料分类类31.3.22 按形形态结构构分类71.4 本本文研究究的主要要内容82. 太阳阳能电池池基本知知识92.1 太太阳能电电池原理理及结构构92.1.11 太阳阳能电池池基本原原理92.1.22 太阳阳能电池池基本结结构102.2 太太阳能电电池主要要特性112.2.11 光谱谱响应特特性112.2.22 伏安安特性122.2.33 温度度特性132.2.44 太阳阳能电池池主要参参数142.3 太太阳能电电池等效效电路和和效率
2、分分析152.3.11 太阳阳能电池池等效电电路152.3.22 影响响太阳能能电池转转换效率率的因素素172.3.33 提高高太阳能能电池转转换效率率的各种种技术182.4 本本章小结结223. 聚光光高效太太阳能电电池研究究233.1 聚聚光光伏伏技术的的发展233.2 各各种聚光光太阳能能电池233.2.11 平面面结聚光光硅太阳阳能电池池243.2.22 垂直直结聚光光硅太阳阳能电池池243.2.33 聚光光砷化镓镓太阳能能电池273.3 各各种聚光光器在太太阳能电电池中的的应用283.4 本本章小结结294. 菲涅涅尔透镜镜太阳能能聚光器器研究304.1 菲菲涅尔透透镜原理理及特点点
3、304.1.11 菲涅涅尔透镜镜的光学学原理304.1.22 菲涅涅尔透镜镜的特点点及影响响因素324.2 用用于聚光光太阳能能电池的的柱面菲菲涅尔透透镜334.2.11 线聚聚焦透镜镜的光学学效率分分析334.2.22 柱面面菲涅尔尔透镜344.3 本本章小结结385. 总结结39参考文献：40致谢422第III页 共II页清华大学2012届毕业论文1 绪论论1.1 课题研研究背景景 自自人类社社会诞生生以来，能能源一直直是人类类生存和和发展的的重要物物质基础础。随着着社会的的发展，能能源在社社会发展展中的重重要性越越来越突突出，尤尤其是近近年来各各国日益益呈现出出来的能能源危机机问题，更更
4、加明显显地把能能源置于于社会发发展的首首要地位位。随着着化石能能源的逐逐步消耗耗以及化化石能源源的开发发和利用用所造成成的环境境污染和和生态破破坏问题题日益严严重，开开发和利利用能够够支撑人人类社会会可持续续发展的的新能源源和可再再生能源源成为人人类急切切需要解解决的问问题。新新能源与与可再生生能源是是指除常常规化石石能源和和大中型型水力发发电、核核裂变发发电之外外的生物物质能、太太阳能、风风能、小小水电、地地热能以以及海洋洋能等一一次能源源。诺贝贝尔奖获获得者美美国Riice Uniiverrsitty的Smaalleey教授授曾经指指出，在在未来的的50年里里，人类类面临着着随之而而来的1
5、10大问问题中，能能源问题题排在首首位。目目前人类类使用的的能源中中，化石石能源占占90以以上。而而到211世纪中中叶，其其比例将将减少到到人类使使用能源源的一半半，达到到其极值值，之后后核能和和可再生生能源将将占主导导地位。到到21000年时时，可再再生能源源将占人人类使用用能源的的l/3以上11。 新新能源和和可再生生能源的的开发利利用不仅仅可以解解决目前前世界能能源紧张张的问题题，还可可以解决决与能源源利用相相关的环环境污染染问题，促促进社会会和经济济可持续续性发展展。研究究和实践践表明，新新能源和和可再生生能源资资源丰富富、分布布广泛、可可以再生生且不污污染环境境，是国国际社会会公认的
6、的理想替替代能源源2 。在在诸多可可再生能能源中，包包括太阳阳能、风风能、潮潮汐能、地地热能、氢氢能和生生物质能能，太阳阳能所蕴蕴藏的能能量是所所有其他他可再生生能源能能量总和和的上千千倍,因因此发展展太阳能能潜力巨巨大。太太阳能作作为新能能源和可可再生能能源的一一种，因因其清洁洁环保，永永不衰竭竭的特点点，受到到世界各各国的青青睐。太太阳能是是21世世纪最有有潜力的的能源，太太阳能产产业是新新兴的朝朝阳行业业，具有有较高的的投资价价值。充充分开发发利用太太阳能，对对于节约约常规能能源、保保护自然然环境、促促进经济济发展都都有极为为重要的的现实意意义和深深远的历历史意义义3。1.2 太阳能能的
7、特点点及优势势 太太阳能是是一种能能量巨大大的可再再生能源源，据估估算，太太阳能传传送到地地球上的的能源，每每40秒钟钟就有相相当于2210亿亿桶石油油的能量量传送到到地球，相相当于全全球一天天所消耗耗的能源源。在目目前的几几种新能能源技术术中，太太阳能以以其突出出的优势势被定位位为最具具前景的的未来能能源，有有无尽的的潜力。 在在常规能能源供给给紧张和和环保压压力不断断增大的的背景下下，世界界上许多多国家掀掀起了开开发利用用太阳能能的热潮潮，使太太阳能的的应用领领域不断断拓展，己己渗透到到人们生生活的每每一个角角落。 太太阳能的的优点主主要有以以下几个个方面: (I)来来源充足足:太阳阳光普
8、照照大地，无无论陆地地或海洋洋，无论论高山或或岛屿，都都处处皆皆有，可可直接开开发和利利用，且且勿须开开采和运运输。 (2)没没有污染染:开发发利用太太阳能不不会污染染环境。它它是最清清洁的能能源之一一，在环环境污染染越来越越严重的的今天，这这一点是是极其宝宝贵的。 (3)能能量巨大大:每年年到达地地球表面面上的太太阳辐射射能约相相当于1130万万亿吨标标煤,其其总量属属现今世世界上可可以开发发的最大大能源。 (4)可可长久使使用:根根据目前前太阳产产生的核核能速率率估算，氢氢的贮量量足够维维持上百百亿年，而而地球的的寿命也也约为几几十亿年年，从这这个意义义上讲，可可以说太太阳的能能量是用用之
9、不竭竭的。 目目前太阳阳能利用用的方式式有：太太阳能光光伏发电电，太阳阳能热利利用，太太阳能动动力利用用，太阳阳能光化化学利用用，太阳阳能生物物利用和和太阳能能光-光光利用。其其中太阳阳能光伏伏发电以以其优异异的特性性近年来来在全世世界范围围得到了了快速发发展，被被认为是是当前世世界上最最具发展展前景的的新能源源技术，各各发达国国家均投投入巨资资竞相研研究开发发，并积积极推进进产业化化进程，大大力开拓拓太阳能能光伏发发电的市市场应用用。 基基于以上上种种优优点，太太阳能的的相关应应用也是是十分广广泛，它它的应用用领域有有：太阳阳能集热热器、太太阳能热热力发电电、太阳阳能光伏伏发电、太太阳能海海
10、水挣化化、太阳阳能空调调、太阳阳能电动动车、太太阳能建建筑、太太阳能照照明灯、太太阳能灶灶、太阳阳能水泵泵系统等等，其中中不少应应用是利利用太阳阳能电池池把太阳阳能转化化为电能能加以应应用的。 太太阳能电电池又称称太阳能能晶片或或光电池池，是一一种利用用太阳光光直接发发电的光光电半导导体薄片片4。它只只要被光光照到，瞬瞬间就可可输出电电压及电电流。太太阳能电电池在物物理学上上称为太太阳能光光伏，简简称光伏伏。太阳阳能电池池具有重重量轻、能能经受外外部空间间的各种种复杂的的环境的的考验、性性能稳定定、灵敏敏度及光光电转换换效率高高、使用用寿命长长等优点点，使得得它在现现实生活活中得到到越来越越多
11、的应应用。 1.3 太阳能能电池的的分类和和研究进进展 太太阳能电电池是一一种利用用光伏效效应将太太阳光直直接转变变成电能能的半导导体器件件，使用用时无大大气和放放射性污污染，且且太阳能能是取之之不尽、用用之不竭竭的能源源，因而而受到国国内外普普遍重视视。太阳能光伏伏发电是是太阳能能开发和和利用的的一个重重要领域域。自从从19554年美美国科学学家恰宾宾和皮尔尔松55在美美国贝尔尔实验室室研制成成功实用用型单晶晶硅太阳阳能电池池以来，太太阳能电电池进入入实用阶阶段。220世纪纪60年代代，供空空间应用用的电池池设计成成熟；770年代代初，硅硅电池的的转换效效率大大大提高，太太阳能电电池开始始应
12、用于于地面；80年代代至900年代，由由于各国国政府的的重视，太太阳能电电池进入入高速发发展阶段段。进入80年年代后期期，随着着太阳能能电池成成本不断断下降，世世界光伏伏产品市市场进入入高速发发展。119811年，世世界太阳阳能电池池的产量量为6MMW，19994年达达到700MW，19997年年更是达达到1222MWW，至19998年年已达至至15774MWW，这期期间的平平均增长长速度为为25。从从19999年的的2000MW到到20004年的的12660MWW，平均均年增长长率超过过30，20004年年在20003年年的基础础上猛增增69。根根据美国国世界观观察所的的报告预预测，太太阳能
13、电电池产业业将与通通讯行业业一起成成为发展展最快的的产业，到到21世纪纪中叶，光光伏发电电量将占占到世界界总发电电量的11/56,7。 目目前，太太阳能电电池的应应用已从从军事领领域、航航天领域域进入工工业、农农业、商商业、通通信、家家用电器器以及公公用设施施等部门门，尤其其可以方方便地在在边远地地区、高高山、沙沙摸、海海岛和农农村使用用，可节节省造价价很贵的的输电线线路。但但是在目目前阶段段，其成成本仍然然较高，发发出1kkw电需需要投资资上万美美元，经经济上的的限制了了其大规规模使用用8。 从从长远来来看，随随着太阳阳能电池池制造技技术的改改进以及及新的光光-电转转换装置置的发明明，各国国
14、对环境境的保护护和对再再生清洁洁能源的的巨大需需求，太太阳能电电池仍将将是利用用太阳辐辐射能比比较切实实可行的的方法，可可为人类类未来大大规模地地利用太太阳能开开辟广阔阔的前景景。 目目前，太太阳能电电池的种种类十分分多，按按材料分分一般主主要有单单晶硅电电池、多多晶硅电电池、非非晶硅电电池、化化合物电电池、有有机电池池和染料料敏化电电池等。为为了提高高效率降降低成本本，通过过技术改改进按形形态结构构分主要要有叠层层电池、薄薄膜电池池和聚光光电池等等。然而而综合考考虑材料料的价格格、环境境保护以以及转换换效率等等因素，以以硅为原原材料的的电池是是太阳能能电池最最重要的的成员。1.3.11 按按
15、材料分分类(1)单晶晶硅太阳阳能电池池 硅硅是一种种良好的的半导体体材料，禁禁带宽度度为1.1eVV，是间间接迁移移型半导导体，因因储量丰丰富，且且晶硅性性能稳定定、无毒毒，因此此成为太太阳能电电池研究究开发、生生产和应应用中的的主体材材料。 单单晶硅太太阳能电电池是开开发最早早也是最最快的一一种太阳阳能电池池，它的的构造和和生产工工艺已定定型，产产品已广广泛用于于空间和和地面。这这种太阳阳能电池池以高纯纯的单晶晶硅棒为为原料，纯纯度要求求99.9999。单单晶硅太太阳能电电池的基基本结构构为N+/P型型，多以以P型单晶晶硅片作作为基片片，电阻阻率的范范围为11-3，具有有比较高高的转换换效率
16、，规规模生产产的电池池组件的的效率可可达到112-l6，而而实验室室记录的的最高转转换效率率为244.49。单晶晶硅太阳阳能电池池的颜色色多为黑黑色或灰灰色，其其光学、电电学、力力学性能能均匀一一致，适适合于切切成小片片制作小小型光电电产品。从从目前来来看，单单晶硅电电池已十十分成熟熟，效率率高,寿寿命长，性性价比好好，是目目前最受受重视的的太阳能能电池。 (2)多晶晶硅太阳阳能电池池 多多晶硅是是单质硅硅的一种种形态。熔熔融的单单质硅在在过冷条条件下凝凝固时，硅硅原子以以金刚石石晶格形形态排列列成许多多晶核，如如这些晶晶核长成成晶面取取向不同同的晶粒粒，则这这些晶粒粒结合起起来，就就结晶成成
17、多晶硅硅。多晶晶硅可作作拉制单单晶硅的的原料。 多多晶硅太太阳能电电池具有有独特的的优势,与单晶晶硅相比比，多晶晶硅半导导体材料料的价格格比较低低廉,相相应的电电池单元元成本低低，非常常具有竞竞争优势势。但是是由于多多晶硅材材料存在在较多的的晶间界界而有较较多缺点点，转换换效率不不够高，实实验室的的最高转转换效率率为200.3100。多多晶硅太太阳能电电池的基基本结构构为N+/P型型,以PP型单晶晶硅片作作为基片片，电阻阻率的范范围为00.52。在制制作多晶晶硅电池池时，原原料高纯纯硅不是是拉成单单晶，而而是熔化化后浇铸铸成正方方形硅碇碇，可以以节省原原料和能能源。由由于多晶晶硅太阳阳能电池池
18、性能稳稳定适合合于建设设光伏电电站，也也可用作作光伏建建筑材料料。(3)非晶晶硅太阳阳能电池池 非非晶硅是是一种直直接能带带半导体体，它的的结构内内部有许许多所谓谓的“悬键”，也就就是没有有和周围围的硅原原子成键键的电子子，这些些电子在在电场作作用下就就可以产产生电流流，并不不需要声声子的帮帮助。因因而非晶晶硅可以以做得很很薄，还还有制作作成本低低的优点点。 非非晶硅太太阳能电电池的转转换效率率和稳定定性都不不够好，对对其研究究开始于于20世纪纪70年代代初。非非晶硅的的可见光光吸收系系数比单单晶硅大大，是单单晶硅的的40倍。1微米厚厚的非晶晶硅薄膜膜，可以以吸引大大约900有用用的太阳阳光能
19、。但但是，非非晶硅太太阳能电电池的稳稳定性较较差，从从而影响响了它的的迅速发发展。非非晶硅及及其合金金的光暗暗电导率率随着光光照时间间的加长长而减少少，经过过1700C2000C的退火火处理，又又可以恢恢复到光光照之前前的值。这这一现象象首先由由Staaebller和和Wroonskki发现现，被称称为S-W效应应111。SS-W效效应使非非晶硅太太阳能电电池的转转换效率率由于光光照时间间加长而而衰退，长长期以来来成为非非晶硅太太阳能电电池应用用的主要要障碍。 目目前非晶晶硅太阳阳能电池池存在的的问题是是光电转转换效率率偏低，国国际先进进水平为为10左左右，且且不够稳稳定，常常有转换换效率衰衰
20、降的现现象。所所以尚未未大量用用于大型型太阳能能电源，而而多半用用于弱光光电源，如如袖珍式式电子计计算器、电电子钟表表及复印印机等方方面。估估计效率率衰降问问题克服服后，非非晶硅太太阳能电电池将促促进太阳阳能利用用的大发发展，因因为它成成本低，质质量轻，应应用更为为方便，它它可以与与房屋的的屋面结结合构成成住户的的独立电电源。(4)化合合物太阳阳能电池池 化化合物太太阳能电电池包括括三五族族化合物物电池和和二六族族化合物物电池。三三五族化化合物电电池主要要有GaaAs电电池、IInP电电池、GGaSbb电池等等；二六六族化合合物电池池主要CCaS/CullnSee电池、CCAS/CdTTe电池
21、池等。在在三五族族化合物物太阳能能电池中中，GaaAs电电池的转转换效率率最高，可可达288；GaaAs是是二元化化合物，Ga是其它产品的副产品，非常稀少珍贵；As不是稀有元素，有毒。GaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池，这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感。由于具有这些特点，所以GaAs化合物材料也适合于制造高效单结电池。GaAs化合物太阳能电池虽然具有诸多优点，但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。为了解决这个问题，采用了聚光系统，该系统由于采用价格较低的塑料透镜和金属外壳，并且改进了电池性能，因
22、而深受广大用户青睐。(5)有机机太阳能能电池 有有机太阳阳能电池池具有柔柔韧性和和成本低低廉的优优势，是是近年出出现的新新型太阳阳能电池池。与结结构工艺艺复杂、成成本高昂昂、光电电压受光光强影响响波动大大的传统统半导体体固体太太阳能电电池相比比，有机机太阳能能电池制制备工艺艺简单，可可采用真真空蒸镀镀或涂敷敷的方法法制备成成膜，且且可以制制备在可可弯曲折折叠的衬衬底上形形成柔性性太阳能能电池。有有机物太太阳能电电池材料料的分子子结构还还可以自自行设计计合成。材材料选择择余地大大，加工工容易，毒毒性小，成成本低，可可制造面面积大，在在太阳能能电池产产业引起起了科学学家的极极大关注注。美国加州大大
23、学圣芭芭芭拉分分校的诺诺贝尔奖奖得主物物理学教教授Allan Heeegerr和同事事 Kwwanggheee Leee，以及及一个韩韩国科学学家小组组。利用用新的技技术，完完全在溶溶液中合合成出一一种效率率更高的的级联有有机太阳阳能电池池，将有有机太阳阳能电池池的效率率提高到到了6.5，已已经接近近7的商商业化标标准。由由于电池池以塑料料为主要要材料，因因此成本本比采用用多晶硅硅为材料料的普通通太阳能能电池低低得多。除除提高太太阳能电电池效率率外，新新技术还还能降低低制造成成本112。(6)染料料敏化太太阳能电电池 染染料敏化化纳米晶晶太阳能能电池是是最近二二十几年年发展起起来的一一种基于于
24、植物叶叶绿素光光合作用用原理研研制出的的太阳能能电池。这这是一种种使用宽宽禁带半半导体材材料的太太阳能电电池，宽宽带隙半半导体有有较高的的热力学学稳定性性和光化化学稳定定性，不不过本身身捕获太太阳光的的能力非非常差，但但将适当当的染料料吸附到到半导体体表面上上，借助助于染料料对可见见光的强强吸收，可可以将半半导体的的光谱响响应拓宽宽到可见见区，这这种现象象称为半半导体的的染料敏敏化作用用，而载载有染料料的半导导体称为为染料敏敏化半导导体电极极。 染染料敏化化太阳能能电池(DSSSC)最近取取得较大大进展。面面积(1100)DSSSC转换换效率已已达到66。这这类电池池所用主主要材料料为导电电玻
25、璃和和Ti00，来源源比较丰丰富，电电池制造造工艺也也比较简简单，具具有较大大的潜在在价格优优势。但但是这类类电池的的转换效效率还有有待进一一步提高高，电池池运行的的稳定性性还需要要进一步步经受考考验99。下下图分别别为传统统染料敏敏化太阳阳能电池池（图11.1）和和高性能能有机染染料敏化化太阳能能电池（图图1.22）。 图1.1传传统染料料敏化太太阳能电电池 图1.2 高高性能有有机染料料敏化太太阳能电电池 1.3.22 按按形态结结构分类类(1)叠层层太阳能能电池 叠叠层太阳阳能电池池是由两两种或两两种以上上不同带带隙的电电池有机机地叠加加组合而而成。一一般而言言，顶部部电池的的材料具具有
26、较宽宽的带隙隙，适于于吸收能能量较大大的太阳阳光能，而而底部电电池的材材料带隙隙较窄，适适于吸收收能量较较小的太太阳光能能。因此此，在单单结的基基础上，叠叠层太阳阳能电池池的转换换效率较较高。(2)薄膜膜太阳能能电池 太太阳能电电池实现现薄膜化化，是当当前国际际上研发发的主要要方向之之一。如如采用直直接从硅硅熔体中中拉出厚厚度在1100的的晶体硅硅带。人人们也在在研究利利用液相相或气相相沉积，如如化学气气相沉积积的方法法制备晶晶体硅薄薄膜作为为太阳能能电池材材料。这这时可以以采用成成本较低低的冶金金硅或者者其它廉廉价基体体材料，如如玻璃、石石墨和陶陶瓷等。在在廉价衬衬底上采采用低温温制备技技术
27、沉积积半导体体薄膜的的光伏器器件，材材料与器器件制备备可同时时完成，工工艺技术术简单，便便于大面面积连续续化生产产,制备备能耗低低，可以以缩短回回收期。在在不用晶晶体硅作作为基底底材料的的衬底上上气相沉沉积得到到的多晶晶硅转换换效率也也达到112以以上。(3)聚光光太阳能能电池 聚聚光太阳阳能电池池是降低低太阳能能电池系系统整体体造价的的一种措措施。它它通过聚聚光器使使较大面面积的阳阳光会聚聚在一个个较小的的范围内内，加大大光强，克克服太阳阳辐射能能流密度度低的缺缺陷，提提高光电电转换效效率，因因此可以以用较小小面积的的太阳能能电池获获得较高高的电能能输出。假假设太阳阳辐射为为lkWW平方方米
28、，如如果用普普通太阳阳能硅电电池提供供l0W的输出出功率，则则需要110平方方分米，价价值4000元的的电池。现现在我们们在1平方分分米、价价值400元的太太阳能电电池上放放置一个个面积为为15平方方分米价价值200元的聚聚光透镜镜，也可可以实现现lOWW功率的的输出。在在使用聚聚光器将将太阳浓浓缩155倍后照照射到太太阳能电电池上，提提供lOOW功率率所需成成本由4400元元降低到到60元，经经济性可可见一斑斑。国际际上大力力开展聚聚光太阳阳能电池池的研究究，一方方面能减减少昂贵贵的半导导体太阳阳能电池池片的用用量，另另一方面面可有效效提高单单位电池池面积的的输出功功率，是是极具潜潜力的太太
29、阳能光光伏发电电新技术术。 聚聚光太阳阳能电池池突破了了普通太太阳能电电池高成成本的制制约因素素，为太太阳能电电池的普普及开辟辟了一条条新的道道路。1.4 本文研研究的主主要内容容 我我国地域域广阔，人人口众多多，70000万万人生活活在无电电地区，而而且我国国广大西西部太阳阳光照充充足，因因此太阳阳能光伏伏发电在在我国的的发展前前景非常常好，太太阳能在在转换过过程中效效率较低低，100-200可转转变为电电能，其其余能量量以散热热的形式式损失掉掉了，所所以我国国应加大大在太阳阳能光伏伏发电领领域的投投资力度度，进行行高效率率低成本本太阳能能电池的的研究和和开发。 提提高太阳阳能电池池转换效效
30、率，降降低成本本，关键键是提高高太阳能能的利用用率，而而聚光太太阳能电电池能有有效提高高电池转转换效率率和降低低成本，其其中聚光光器的设设计和跟跟踪技术术是该类类电池在在研究中中要解决决的关键键技术。本本文主要要对电池池聚光系系统中的的聚光器器进行研研究。主主要完成成如下工工作： (1)掌掌握太阳阳能电池池基本工工作原理理、基本本结构及及主要特特性。 (2)分分析太阳阳能电池池转换效效率及影影响因素素。(3)研究究提高太太阳能电电池转换换效率主主要技术术。2 太阳阳能电池池基本知知识2.1 太阳能能电池原原理及结结构 太阳能能电池是是利用半半导体材材料的光光伏效应应把太阳阳光直接接转换成成电能
31、的的一种固固体器件件，即主主要利用用了PNN结的光光伏效应应。 半半导体硅硅是+44价元素素，有44个价电电子。当当掺入少少量杂质质元素磷磷后，若若干个硅硅原子中中会有一一个被+5价的的磷原子子替代，这这时它就就多余一一个价电电子，成成为自由由电子，这这种有多多余自由由电子的的半导体体叫做NN型半导导体。半半导体硅硅中掺有有+3价杂杂质元素素硼之后后，同样样会出现现一个硅硅原子被被硼原子子替代的的情况。由由于硼是是三价的的，这时时它就缺缺少一个个价电子子，即多多余一个个空穴，这这种有多多余空穴穴的半导导体叫做做P型半导导体。当一块硅片片一面制制成N型半导导体，另另一面制制成P型半导导体时，在在
32、两种半半导体的的交界面面区域里里会形成成一个特特殊的薄薄层，界界面的PP型一侧侧带负电电，N型一侧侧带正电电。这是是由于PP型半导导体多空空穴，NN型半导导体多自自由电子子，出现现了浓度度差。NN区的电电子会扩扩散到PP区，P区的空空穴会扩扩散到NN区，一一旦扩散散就形成成了一个个由N指向P的“内建电电场”，从而而阻止扩扩散进行行。达到到平衡后后，就形形成了一一个特殊殊的薄层层，这个个薄层叫叫做耗尽尽层，即即空间电电荷区。太太阳能电电池就跟跟半导体体的这种种结构有有关。2.1.11 太太阳能电电池基本本原理 图图2.11 太太阳能电电池发电电原理 当有适当当波长的的光照射射到p-n结上上后，由
33、由于光伏伏效应而而在势垒垒区两边边产生了了电动势势。如图图2.11，设入入射光垂垂直p-n结结结面。如如果结较较浅，光光子将进进入p-n结结结区，甚甚至更深深入到半半导体内内部。能能量大于于禁带宽宽度的光光子，由由本征吸吸收在结结的两边边产生电电子-空空穴对。在在光激发发下多数数载流子子浓度一一般改变变较小，而而少数载载流子浓浓度却变变化很大大，因此此主要分分析光生生少数载载流子的的运动。 p-n结结两边的的光生少少数载流流子受结结势垒区区内存在在的较强强内建电电场(自自n区指指向p区区)的作作用，各各自向相相反方向向运动；p区的的电子穿穿过p-n结进进入n区区；n区区的空穴穴进入pp区，使使
34、p端电电势升高高，n端端电势降降低，于于是在pp-n结结两端形形成了光光生电动动势，这这就是pp-n结结的光生生伏特效效应。由由于光照照在p-n结两两端产生生光生电电动势，相相当于在在p-nn结两端端加正向向电压，产产生正向向电流。 在p-nn结开路路的情况况下，光光生电流流和正向向电流相相等时，pp-n结结两端建建立起稳稳定的电电动势（pp区相对对于n区区是正的的），即即光电池池的开路路电压。如如将p-n结与与电路接接通源，只只要光照照不停止止，就会会有源源源不断的的电流通通过电路路，p-n结结起了电电源的作作用。这这就是光光电池的的基本原原理。2.1.22 太太阳能电电池基本本结构典型的太
35、阳阳能电池池的结构构如图22.2所所示。硅硅的PNN接合处处，被夹夹在上、下下两个金金属接触触层之间间。上金金属接触触层是栅栅格状的的，以容容许光线线射到PPN接合合之上。PN接合的项部有一层防反射薄层以减少从光亮的硅表面反射出来的光线。这就是太阳能板的表面看起来 很暗淡的原因。 图2.2 太阳阳能电池池结构图图2.2 太阳能能电池主主要特性性 太太阳能电电池的特特性可大大致分为为：光伏伏器件特特性，如如光谱特特性、照照度特性性，半导导体器件件特性，如如输出特特性、温温度特性性、二极极管特性性等。太太阳能电电池的输输出特性性通常是是指伏安安特性曲曲线(包括开开路电压压、短路路电流、填填充因子子
36、)。 以以下就太太阳能电电池的光光谱响应应特性、伏伏安特性性、温度度特性及及主要参参数作简简单介绍绍。2.2.11 光光谱响应应特性光谱响应表表示不同同波长的的光子产产生电子子-空穴穴对的能能力。也也就是说说，在阳阳光照射射激发作作用下，太太阳能电电池所收收集到的的光生电电流与到到电池表表面上的的入射波波长有着着直接的的关系。光光谱特性性的测量量是用一一定强度度的单色色光照射射太阳能能电池，测测量此时时的短路路电流IIsc；然然后依次次改变单单色光的的波长，再再重新测测量电流流。光谱响应曲曲线有时时候称为为量子效效率(外量子子效率)曲线，也也可以用用收集效效率(内量子子效率)曲线来来表示。二二
37、者并不不一致，一一般来说说，量子子效率(外量子子效率)是指入入射多少少光子产产生多少少电子的的比率，即即入射到到电池上上的每个个光子产产生的电电子-空空穴对或或少数载载流子的的数目，而而收集效效率(内量子子效率)是指吸吸收多少少光子产产生多少少电子的的比率，即即在电池池中被吸吸收的每每个光子子产生的的电子空空穴对或或少数载载流子的的数目。能能量转换换效率是是输入多多少的光光能够产产生多少少电能的的比率数数。由于于入射的的光子不不一定都都被吸收收，产生生的电子子不一定定都产生生电能，因因此一般般而言，内内量子效效率最高高，而能能量转换换效率最最低，但但它们都都是可以以测量或或计算的的。在太太阳能
38、电电池中，只只有那些些能量大大于其材材料禁带带宽度的的光子才才能在被被吸收时时产生电电子-空空穴对，而而那些能能量小于于禁带宽宽度的光光子即使使被吸收收也不能能产生电电子-空空穴对(它们只只是使材材料变热热)。这就就是说，材材料对光光的吸收收存在一一个截止止频率（长长波限）。并并且当禁禁带宽度度增加时时，被材材料吸收收的总太太阳能就就越来越越少。 对对太阳辐辐射光线线来说，能能得到最最好工作作性能的的半导体体材料，其其截止波波长应在在0.88以上，包包括从红红色到紫紫色全部部可见光光。每种种太阳能能电池对对太阳光光线都有有其自己己的光谱谱响应曲曲线，它它表示电电池对不不同波长长的光的的灵敏度度
39、(光电转转换能力力)。太阳阳能电池池的光谱谱响应特特性在很很大程度度上依赖赖于太阳阳能电池池的设计计、结构构、材料料的特性性、结的的深度和和光学涂涂层。使使用滤光光膜和玻玻璃盖片片可以进进一步改改善光谱谱响应。太太阳能电电池的光光谱响应应随着温温度和辐辐照度损损失而变变化。2.2.22 伏伏安特性性 太太阳能电电池在短短路条件件下的工工作电流流称为短短路光电电流（），短路路光电流流等于光光子转换换成电子子-空穴穴对的绝绝对数量量。此时时，电池池输出的的电压为为零。太太阳能电电池在开开路条件件下的输输出电压压称为开开路光电电压()，此此时，电电池的输输出电流流为零。具具有PNN结的太太阳能电电池
40、在不不受光照照时，相相当于一一个二极极管，外外加电压压和电流流的关系系曲线叫叫作光电电池的暗暗特性曲曲线，如如图2.3中中所示的的曲线。在在一定的的光照下下，可以以得出端端电压和和电路中中通过负负载的工工作电流流的关系系曲线，叫叫作光电电池的伏伏安特性性曲线，如如图2.3所所示的曲曲线。其其中，表表示最大大功率点点电压，表示最大功率点电流，为最大功率点功率，表示为：。在一定的日照强度和温度下，太阳能电池有唯一的最大输出功率点，太阳能电池只有工作在最大功率点才会使其输出的功率最大。 图2.3 太阳能能电池在在无光照照和光照照下的电电流-电电压曲线线在一定的光光照下，光光生电流流IL是一个个常量。
41、这这两条曲曲线在第第四象限限所包围围的区域域就是太太阳能电电池的输输出功率率区域。把把曲线上上下翻转转，平移移坐标轴轴位置，即即可以得得到通常常使用的的伏安特特性曲线线，如图图2.4所所示。曲曲线在II 轴上上的截距距为短路路电流，在在V 轴上上的截距距为开路路电压。图图2.4中中的虚线线表示在在一定的的负载电电阻时的的关系，称称为负载载线。负负载电阻阻R为某一一值时的的直线与与特性曲曲线的交交点坐标标为使用用这个负负载电阻阻时的端端电压VV 和电电流 II。 图2.4 太阳能能电池的的伏安特特性曲线线2.2.33 温温度特性性 太太阳能电电池的开开路电压压随着温温度的上上升而下下降，大大体上
42、温温度每上上升1，电压压下降22-2.3；短路路电流则则随着温温度的上上升而微微微地上上升；电电池的输输出功率率P则随着着温度的的上升而而下降，每每升高11，约损损失0.35-0.45。温温度对太太阳能电电池的影影响：载载流子的的扩散系系数随温温度的增增高而增增大，所所以少数数载流子子的扩散散长度也也随着温温度的升升高稍有有增大，因因此，光光生电流流也随着着温度的的升高有有所提高高。但是是I 随温温度的升升高指数数增大，而而随温度度的升高高急剧下下降。当当温度升升高时，I-U 曲线形状改变，填充因子下降，故转换效率随温度的增加而降低。图2.5和图2.6是太阳能电池在相同日照下不同温度的输出特性
43、曲线和常温下不同日照的输出特性曲线。图2.5不不同温度度下的输输出特性性曲线图2.6不不同日照照下的输输出特性性曲线由特性曲线线可知，效效率随着着照度的的上升而而上升，因因此可以以通过提提高电池池单位面面积上的的照度来来提高电电池效率率，即使使用聚光光技术。效效率又随随着温度度的上升升而下降降，即太太阳能电电池转换换率具有有负的温温度系数数。所以以在应用用时，如如果使用用聚光器器，则聚聚光器的的聚光倍倍数不能能过大，以以免造成成结温过过高使电电池转换换率下降降甚至损损害电池池。此外外，在聚聚光电池池系统中中应加有有相应的的电池冷冷却装置置。2.2.44 太太阳能电电池主要要参数 不不论是一一般
44、的化化学电池池还是太太阳能电电池，其其输出特特性一般般都是用用如图22.3所所示的伏伏安特性性曲线来来表示，短短路电流流，开路路电压，最最大输出出功率是是它的主主要输出出参数。转转换效率率和填充充因子是是衡量电电池品质质的主要要参数。(1)光伏伏电池的的光电转转换效率率是指电电池受光光照时的的最大输输出功率率与照射射到电池池上的入入射光的的功率的的比值，用用式子表表示为： (2.11)式中，和分分别为光光伏阵列列最大电电流(AA)和最最大电压压(V)。光伏电池的的光电转转换效率率是衡量量电池质质量和技技术水平平的重要要参数，它它与电池池的结构构、结构构特性、材材料特性性、工作作温度和和环境温温
45、度变化化等有关关。在温温度恒定定的情况况下，电电池的转转换效率率会随光光强的增增加而增增加。对对于一个个给定的的功率输输出，电电池的转转换效率率决定了了所需的的电池板板的数量量，所以以电池达达到尽可可能高的的转换效效率是极极其重要要的。而而这个结结论就为为提高转转换效率率提供了了一种途途径：可可以通过过加装聚聚光器来来加强光光照强度度，从而而减少光光伏电池池的使用用，降低低光伏发发电的成成本。(2)填充充因子又称曲线因因子，即即光伏电电池最大大功率与与开路电电压Voc 和短路路电流IIsc乘积积的比值值，用符符号FFF表示： (2.22)填充因子是是评价光光伏电池池性能优优劣的一一个重要要参数
46、。影影响填充充因子的的因素是是多方面面的，它它既和电电池材料料的PNN结曲线线因子常常数、串串联电阻阻，并联联电阻等等内部参参数有关关，还与与光伏电电池的工工作温度度、光照照强度等等外部条条件有关关。一般般l，它它的值越越高，表表明光伏伏电池输输出特性性越近于于矩形，电电池的光光电转换换效率越越高113-115。2.3 太阳阳能电池池等效电电路和效效率分析析2.3.11 太太阳能电电池等效效电路太阳能电池池受光的的照射便便产生电电流。这这个电流流随着光光强的增增加而增增大，当当接受的的光强度度一定时时，可以以将电池池看作恒恒流电源源。太阳阳能电池池可看作作PN结型型二极管管，在光光的照射射下产
47、生生正向偏偏压，所所以在PPN结为为理想状状态的情情况下，可可等效为为电流源源和一个个理想二二极管的的并联电电路。但但是在实实际的太太阳能电电池中，由由于电池池表面和和背面的的电极和和接触，以以及材料料本身具具有一定定的电阻阻率，流流经负载载的电流流经过它它们时，必必然引起起损耗，在在等效电电路中可可将它们们的总效效果用一一个串联联电阻来来表示；同时，由由于电池池边沿的的漏电，在在电池的的微裂痕痕、划痕痕等处形形成的金金属桥漏漏电等，使使一部分分本该通通过负载载的电流流短路，这这种作用用可用一一个并联联电阻来来等效表表示116。此此时的等等效电路路可用图图2.7来来描述，太太阳能电电池的输输出电流流I 可表表示为：