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1、太阳电池发电原理太阳电池发电原理第1页，共36页，编辑于2022年，星期五授授课时间课时间：第第 19 19讲讲：太阳电池原理及参数目的要求：目的要求：1 1、了解光伏发电的参数、了解光伏发电的参数2 2、掌握光伏发电的基本原理、掌握光伏发电的基本原理知识点或技能点：知识点或技能点：光伏发电的基本原理光伏发电的基本原理重点难点：重点难点：重点：光伏发电的基本原理重点：光伏发电的基本原理难点：光伏发电的基本原理难点：光伏发电的基本原理教学教学手段（含教具）：手段（含教具）：多媒体演示多媒体演示课课外外练习练习或或训练训练：1 1 1 1、光伏、光伏、光伏、光伏发电发电发电发电的的的的应应应应用范
2、用范用范用范围围围围2 2 2 2、光伏、光伏、光伏、光伏发电发电发电发电的基本原理的基本原理的基本原理的基本原理第2页，共36页，编辑于2022年，星期五图中，正电荷表示硅图中，正电荷表示硅图中，正电荷表示硅图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕原子，负电荷表示围绕原子，负电荷表示围绕原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电在硅原子旁边的四个电在硅原子旁边的四个电在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入子。而黄色的表示掺入子。而黄色的表示掺入子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子的硼原子，因为硼原子的硼原子，因为硼原子的硼原子，因为硼原子周围只有周围只有周围只有周围只有3 3 3 3个电子
3、，所以个电子，所以个电子，所以个电子，所以就会产生如图所示的蓝就会产生如图所示的蓝就会产生如图所示的蓝就会产生如图所示的蓝色的空穴，这个空穴因色的空穴，这个空穴因色的空穴，这个空穴因色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不为没有电子而变得很不为没有电子而变得很不为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而稳定，容易吸收电子而稳定，容易吸收电子而稳定，容易吸收电子而中和，形成中和，形成中和，形成中和，形成P P P P（positivepositivepositivepositive）型半导体。）型半导体。）型半导体。）型半导体。1.P型半导体第3页，共36页，编辑于2022年，星期五2.N型半导体
4、图中，正电荷表示硅图中，正电荷表示硅图中，正电荷表示硅图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕原子，负电荷表示围绕原子，负电荷表示围绕原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电在硅原子旁边的四个电在硅原子旁边的四个电在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入子。而黄色的表示掺入子。而黄色的表示掺入子。而黄色的表示掺入的磷原子，红色的为多的磷原子，红色的为多的磷原子，红色的为多的磷原子，红色的为多余的电子，因为余的电子，因为余的电子，因为余的电子，因为磷磷磷磷原子原子原子原子周围只有周围只有周围只有周围只有5 5 5 5个电子，所个电子，所个电子，所个电子，所以就会有一个电子变得以就会有一个电子变得以
5、就会有一个电子变得以就会有一个电子变得非常活跃，形成非常活跃，形成非常活跃，形成非常活跃，形成N N N N（negativenegativenegativenegative）型半导）型半导）型半导）型半导体。体。体。体。第4页，共36页，编辑于2022年，星期五3 3、P-NP-N结内电场的形成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多子的扩散运动内电场内电场浓度差浓度差P P 型半导体型半导体型半导体型半导体N N 型半导体型半导体型半导体型半导体+形成空间电荷区形成空间电荷区第5页，共36页，编辑于2022年，星期五4.P-N4.P-N结光伏效应结光伏效应
6、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。PPNP内电场 EPNIph第6页，共36页，编辑于2022年，星期五PNIph上电极下电极光生电动势U第7页，共36页，编辑于2022年，星期五2.2.太阳能电池发电的基本原理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。第8页，共36页，编辑于2022年，星期五光伏基础太阳电池分类太阳电池分类1、按结构分类
7、：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。第9页，共36页，编辑于2022年，星期五 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
8、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第10页，共36页，编辑于2022年，星期五 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第11页，共36页，编辑于2022年，星期五光伏基础太阳电池分类太阳电池分类第12页，共36页，编辑于2022年，星期五光
9、伏基础太阳电池分类太阳电池分类第13页，共36页，编辑于2022年，星期五常规晶体硅太阳电池单晶硅太阳电池单晶硅太阳电池单晶硅太阳电池单晶硅太阳电池实验室最高效率：实验室最高效率：实验室最高效率：实验室最高效率：24.7%24.7%商业化批量生产效率：商业化批量生产效率：商业化批量生产效率：商业化批量生产效率：17%17%多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池实验室最高效率：实验室最高效率：实验室最高效率：实验室最高效率：20.3%20.3%商业化批量生产效率：商业化批量生产效率：商业化批量生产效率：商业化批量生产效率：16%16%光伏基础太阳电池分类太阳电池分类第14页，共
10、36页，编辑于2022年，星期五非晶硅/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第15页，共36页，编辑于2022年，星期五背面电极背面电极n-GaAsn-GaAs衬底衬底n-GaAsn-GaAs缓冲区缓冲区n-GaAsn-GaAs基区基区P-GaAsP-GaAs发射区发射区P-AIGaAsP-AIGaAs窗口层窗口层P-GaAs帽层帽层减反射膜减反射膜正面电极正面电极有帽层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第16页，共36页，编辑于2022年，星期五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第17页，共3
11、6页，编辑于2022年，星期五CIGS太阳电池结构 光伏基础太阳电池分类太阳电池分类第18页，共36页，编辑于2022年，星期五DSSC太阳电池结构 光伏基础太阳电池分类太阳电池分类第19页，共36页，编辑于2022年，星期五n n1.1.标准测试条件标准测试条件n n光源辐照度：光源辐照度：10001000W/m2 ；是标准测试太阳能电是标准测试太阳能电池的光线入射强度。池的光线入射强度。n n测试温度：测试温度：2520C；n nAM1.5地面太阳光谱辐照度分布。地面太阳光谱辐照度分布。AMAM的意思是的意思是的意思是的意思是air-mass air-mass 定义是：定义是：定义是：定义
12、是：Path-length through the atmosphere relative to Path-length through the atmosphere relative to vertical thickness of the atmospherevertical 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就是光线通过大气的实际距离比上大气的垂直厚度就是光线通过大气的实际距离比上大气的垂直厚度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 ,AM=1/cos ,其其其其中中中中=48.2=48.2o o光
13、伏基础太阳电池参数太阳电池参数第20页，共36页，编辑于2022年，星期五n n2.2.2.2.伏安伏安伏安伏安(I-V)(I-V)(I-V)(I-V)特性曲线特性曲线特性曲线特性曲线光伏基础太阳电池参数太阳电池参数不不不不同同同同辐辐辐辐照照照照度度度度下下下下电电电电池池池池的的的的I I-V V特特特特性性性性曲曲曲曲线线线线第21页，共36页，编辑于2022年，星期五3.3.3.3.开路电压开路电压开路电压开路电压 在一定的温度和辐照度条件下，光伏发电器在空在一定的温度和辐照度条件下，光伏发电器在空在一定的温度和辐照度条件下，光伏发电器在空在一定的温度和辐照度条件下，光伏发电器在空载载
14、载载(开路开路开路开路)情况下的端电压，通常用情况下的端电压，通常用情况下的端电压，通常用情况下的端电压，通常用V V V Vococococ来表示。来表示。来表示。来表示。正比。正比。正比。正比。光伏基础太阳电池参数太阳电池参数第22页，共36页，编辑于2022年，星期五n n4.4.4.4.短路电流短路电流短路电流短路电流n n在一定的温度和辐照条件下，光伏发电器在端电压为在一定的温度和辐照条件下，光伏发电器在端电压为在一定的温度和辐照条件下，光伏发电器在端电压为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，通常用零时的输出电流，通常用零时的输出电流，通常用零时的输出电流，
15、通常用I I I Iscscscsc来表示。来表示。来表示。来表示。n nI I I Iscscscsc与太阳电池的面积大小有关，面积越大，与太阳电池的面积大小有关，面积越大，与太阳电池的面积大小有关，面积越大，与太阳电池的面积大小有关，面积越大，I I I Iscscscsc越大。越大。越大。越大。一般一般一般一般1cm1cm1cm1cm2 2 2 2的太阳电池的太阳电池的太阳电池的太阳电池I I I Iscscscsc值约为值约为值约为值约为1630mA1630mA1630mA1630mA。n nI I I Iscscscsc与入射光的辐照度成正比。与入射光的辐照度成正比。与入射光的辐照度
16、成正比。与入射光的辐照度成正比。n nI I I Iscscscsc随温度上升略有增加。随温度上升略有增加。随温度上升略有增加。随温度上升略有增加。光伏基础太阳电池参数太阳电池参数第23页，共36页，编辑于2022年，星期五n n5.5.5.5.最大功率点最大功率点最大功率点最大功率点 在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的点，又在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的点，又在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的点，又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。称最佳工作点。称最佳工作点。称最佳工作点。n n6.6.6.6.最佳工作电压最佳工作电压最佳工作电压最佳工作电压
17、太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电压。太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电压。太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电压。太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电压。通常用通常用通常用通常用V V V Vm m m m表示。表示。表示。表示。n n7.7.7.7.最佳工作电流最佳工作电流最佳工作电流最佳工作电流 太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电流。太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电流。太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电流。太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电流。通常用通常用通常用通常用I I I Im m m m表示表示表示表示光伏基础太阳电池
18、参数太阳电池参数第24页，共36页，编辑于2022年，星期五n n8.8.8.8.填充因子填充因子填充因子填充因子(曲线因子曲线因子曲线因子曲线因子)太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比，通常用之比，通常用之比，通常用之比，通常用FFFFFFFF表示：表示：表示：表示：FF=IFF=IFF=IFF=Im m m mV V V Vm m m m/I/I/I/IscscscscV V V Vococococn n I I I IscscscscV V V Voco
19、cococ是太阳电池的极限输出功率是太阳电池的极限输出功率是太阳电池的极限输出功率是太阳电池的极限输出功率n n I I I Im m m mV V V Vm m m m是太阳电池的最大输出功率是太阳电池的最大输出功率是太阳电池的最大输出功率是太阳电池的最大输出功率n n 填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数。填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数。填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数。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太阳电池参数第25页，共36页，编辑于2022年，星期五n n9.9.9.9.转换效率转换效率转换效率转换效率 受光照太阳
20、电池的最大功率与入射到该太阳电池受光照太阳电池的最大功率与入射到该太阳电池受光照太阳电池的最大功率与入射到该太阳电池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。上的全部辐射功率的百分比。上的全部辐射功率的百分比。上的全部辐射功率的百分比。=V=V=V=Vm m m m I I I Im m m m/P/P/P/Pinininin 或或或或=FF*IFF*IFF*IFF*Iscscscsc*V*V*V*Voc oc oc oc/P/P/P/Pininininn n其中其中其中其中V V V Vm m m m和和和和I I I Im m m m分别为最大输出功率点的电压和电
21、流，分别为最大输出功率点的电压和电流，分别为最大输出功率点的电压和电流，分别为最大输出功率点的电压和电流，P P P Pinininin为太阳光输入功率。为太阳光输入功率。为太阳光输入功率。为太阳光输入功率。光伏基础太阳电池参数太阳电池参数第26页，共36页，编辑于2022年，星期五n n10.10.10.10.电流温度系数电流温度系数电流温度系数电流温度系数 在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化1 1 1 10 0 0 0C C C C，太阳电池短路电流的变化值
22、，通常用，太阳电池短路电流的变化值，通常用，太阳电池短路电流的变化值，通常用，太阳电池短路电流的变化值，通常用表示。表示。表示。表示。对于一般晶体硅电池对于一般晶体硅电池对于一般晶体硅电池对于一般晶体硅电池 ：=+0.1%/=+0.1%/=+0.1%/=+0.1%/0 0 0 0C C C Cn n11.11.11.11.电压温度系数电压温度系数电压温度系数电压温度系数 在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化1 1 1 10 0 0 0C C C C，太阳电池开路电
23、压的变化值，通常用，太阳电池开路电压的变化值，通常用，太阳电池开路电压的变化值，通常用，太阳电池开路电压的变化值，通常用表示。表示。表示。表示。n n对于一般晶体硅电池对于一般晶体硅电池对于一般晶体硅电池对于一般晶体硅电池 ：=-0.38%/=-0.38%/=-0.38%/=-0.38%/0 0 0 0C C C C 光伏基础太阳电池参数太阳电池参数第27页，共36页，编辑于2022年，星期五n n(1)(1)(1)(1)理想太阳电池等效电路：理想太阳电池等效电路：理想太阳电池等效电路：理想太阳电池等效电路：n n相当于一个电流为相当于一个电流为相当于一个电流为相当于一个电流为I I I Ip
24、hphphph的恒流电源与一只正向二极管并联。的恒流电源与一只正向二极管并联。的恒流电源与一只正向二极管并联。的恒流电源与一只正向二极管并联。n n流过二极管的正向电流称为暗电流流过二极管的正向电流称为暗电流流过二极管的正向电流称为暗电流流过二极管的正向电流称为暗电流I I I ID D D D.n n流过负载的电流为流过负载的电流为流过负载的电流为流过负载的电流为I I I In n负载两端的电压为负载两端的电压为负载两端的电压为负载两端的电压为U U U U光伏基础太阳电池等效电路太阳电池等效电路第28页，共36页，编辑于2022年，星期五I IphphI ID DV VR RI I理理理
25、理想想想想的的的的太太太太阳阳阳阳电电电电池池池池等等等等效效效效电电电电路路路路光伏基础太阳电池等效电路太阳电池等效电路第29页，共36页，编辑于2022年，星期五串联电阻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第30页，共36页，编辑于2022年，星期五
26、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+ILRSUJ=IshRsh光伏基础太阳电池等效电路太阳电池等效电路实实实实际际际际的的的的太太太太阳阳阳阳电电电电池池池池等等等等效效效效电电电电路路路路第31页，共36页，编辑于2022年，星期五 暗电流暗电流暗电流暗电流I I I ID D D D是注入电流和复合电流之和，可以简化为是注入电流和复合电流之和，可以简化为是注入电流和复合电流之和，可以简化为是注入电流和复合电流之和，可以简化为单指数形式：单指数形式：单指数形式：单指数形式：I I I ID D D D=I=I=I=Io o
27、o oexp(qUexp(qUexp(qUexp(qUj j j j/A/A/A/A0 0 0 0kT)-1kT)-1kT)-1kT)-1 其中其中其中其中：n nI I I Io o o o为太阳电池在无光照时的饱和电流；为太阳电池在无光照时的饱和电流；为太阳电池在无光照时的饱和电流；为太阳电池在无光照时的饱和电流；n n A A A A0 0 0 0为结构因子，它反映了为结构因子，它反映了为结构因子，它反映了为结构因子，它反映了p-np-np-np-n结的结构完整性对性能的影响；结的结构完整性对性能的影响；结的结构完整性对性能的影响；结的结构完整性对性能的影响；n n K K K K是玻尔
28、兹曼恒量是玻尔兹曼恒量是玻尔兹曼恒量是玻尔兹曼恒量 T T T T是热力学温度是热力学温度是热力学温度是热力学温度 光伏基础太阳电池等效电路太阳电池等效电路第32页，共36页，编辑于2022年，星期五n n因此得出因此得出因此得出因此得出:n n这就是光照情况下太阳电池的电流与电压的关系。画成图这就是光照情况下太阳电池的电流与电压的关系。画成图这就是光照情况下太阳电池的电流与电压的关系。画成图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，即为形，即为形，即为形，即为(I-V)I-V)特性曲线。特性曲线。特性曲线。特性曲线。光伏基础太阳电池等效电路太阳电池等效电路第33页，共36页，编辑
29、于2022年，星期五n n在理想情况下：在理想情况下：在理想情况下：在理想情况下：R R R Rshshshsh ，R R R Rs s s s0000 由此得到：由此得到：由此得到：由此得到：n nI=II=II=II=Iph ph ph ph I I I ID D D D =I =I =I =Iph ph ph ph I I I Iooooooooexp(qU/Aexp(qU/Aexp(qU/Aexp(qU/A0 0 0 0kT)-1kT)-1kT)-1kT)-1n n在负载短路时，即在负载短路时，即在负载短路时，即在负载短路时，即U U U Uj j j j=0(=0(=0(=0(忽略串
30、联电阻忽略串联电阻忽略串联电阻忽略串联电阻)，便得到短路电，便得到短路电，便得到短路电，便得到短路电流，其值恰好与光电流相等流，其值恰好与光电流相等流，其值恰好与光电流相等流，其值恰好与光电流相等 I I I Iscscscsc=I=I=I=Iphphphph光伏基础太阳电池等效电路太阳电池等效电路第34页，共36页，编辑于2022年，星期五n n因此得出：因此得出：I=II=Iph ph I ID D =I=Isc sc I Iooooexp(qU/Aexp(qU/A0 0kT)-1kT)-1n n在在负载R R时,输出出电流流0,0,便得到便得到开路电压开路电压U Uococ其其值由下式确定：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第35页，共36页，编辑于2022年，星期五主要内容1.1.太阳电池的发展历史与展望太阳电池的发展历史与展望2.2.太阳电池的应用太阳电池的应用3.3.太阳能光伏兴起原因太阳能光伏兴起原因4.P-N4.P-N结光伏效应结光伏效应5.5.太阳能电池发电的基本原理太阳能电池发电的基本原理小结第36页，共36页，编辑于2022年，星期五