太阳电池及其组件Word文档格式.docx

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对于晶体硅太阳电池来说，太阳光谱中波长小于1.1μm的光线都可能产生光伏效应。

对于不同材料的太阳电池来说，尽管光谱相应的范围是不同的，但光电转换的原理是一致的。

如图3.3所示，在p-n结的内建电场作用下，n区的空穴向p区运动，而p区的电子向n区运动，

最后造成在太阳电池受光面（上表面）有大量负电荷（电子）积累，而电池背光面（下表面）有大量正电荷（空穴）积累。

如在电池上、下表面做上金属电极，并用导线接上负载，在负载上就有电流通过。

只要太阳光照持续不断，负载上就一直有电流通过。

3.1.2太阳电池的基本特性

1.太阳电池的输出特性

（1）等效电路

为了描述太阳电池的工作状态，往往将太阳电池及负载系统用一等效电路来模拟。

在恒定光照下，一个处于工作状态的太阳电池，其光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可把它看做是恒流源。

光电流一部分流经负载RL，在负载两端建立起端电压V，反过来它又正向偏置于p-n结二极管，引起一股与光电流方向相反的暗电流Ibk，但是，由于前面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。

流经负载的电流，经过它们时，必然引起损耗。

在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻Rs来表示。

由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻Rsh来等效。

其等效电路就绘制成图3.4的形式。

IL为光生电流，ID为二极管电流，Rs为串联电阻，Rsh为并联电阻，I为输出电流，V为输出电压。

RL为负载电阻其中暗电流等于总面积与Jbk乘积，而光电流IL为电池的有效受光面积AE与JL的乘积，这时的结电压Vj不等于负载的端电压，由图可见结点压的表达式为：

（2）输出特性

根据上图就可以写出太阳电池输出电流I和输出电压V之间的关系

其中暗电流Ibk应为结电压Vj的函数，而Vj又是通过式3.1与输出电压V相联系的。

当负载RL从0变化到无穷大时，输出电压V则从0变到Voc，同时输出电流I便从Isc变到0，由此得到电池的输出恃性曲线，如图3.5所示。

曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵横坐标，即为工作电流和工作电压，其乘积P=IV为电池的输出功率。

2.短路电流

太阳电池的短路电流等于其光生电流。

分析短路电流的最方便的方法是将太阳光谱划分成许多段，每一段只有很窄的波长范围，并找出每一段光谱所对应的电流，电池的总短路电流是全部光谱段贡献的总和：

式中：

λo为本征吸收波长限；

R（λ）为表面反射率；

F（λ）为太阳光谱中波长为λ~λ+dλ间隔内的光子数。

F（λ）的值很大的程度上依赖于太阳天顶角。

由图3.5可知，当Rs→0，Rsh→∞时，可得：

当外电路短路时（R=0，V=0），此时I最大，表达式为：

Isc称为短路电流。

由于光照产生的非平衡载流子各向相反方向扩散和漂移，从而内部构成自n区流向p区的光生电流，在p-n结短路情况下构成短路电流Isc。

如果将p-n结与外电路接通，对于恒定光照，就会有恒定电流流过电路，在非静电力的作用下p-n结起了电源的作用。

在外电路接上负载后，负载中便有电流过，该电流称为太阳电池的工作电流，或称输出电流。

负载两端的电压称工作电压。

3.开路电压

对理想p-n结且不考虑太阳电池有限尺寸的影响，在开路情况下，光照p-n结两端建立光生电势，称为开路电压，表达式如下：

在可以忽略串联、并联电阻的影响时，Isc为与入射光强度成正比的值，在很弱的阳光下，Isc≤Io，因此

在很强的阳光下，Isc≥Io

由此可见，在较弱阳光时，硅太阳电池的开路电压随光的强度作近似直线的变化。

而当有较强的阳光时，Voc则与入射光的强度的对数成正比。

图3.6表示具有代表性的硅和GaAs太阳电池的Isc与Voc之间的关系。

Si与GaAs比较，因GaAs的禁带宽度宽，故Io值比Si的小几个数量级，GaAs的Voc值比Si的髙0.45伏左右。

假如结形成的很好，禁带宽度愈宽的半导体，Voc也愈大。

4.太阳电池伏安特性曲线

太阳电池的工作电流和电压随着负载电阻的变化而变化，将不同阻值所对应的工作电压和电流值绘制成曲线就得到太阳电池的伏安特性曲线，如图3.5所示。

由于太阳电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳电池的温度，因此太阳电池组件的测量必须在标准条件下（STC─StandardTestCondition）进行，测量条件被“欧洲委员会”定义为101号标准，其条件是：

光谱辐照度为1000W/m2，光谱为AM1.5，电池温度为25℃。

在这种条件下,太阳电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，单位为峰瓦（WP）。

在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟器测定，并和国际认证机构的标准化的太阳电池进行比较。

5.填充因子

如果负载的电阻值使得工作电流和电压的乘积最大，即得到了最大的输出功率，用符号Pm表示，即有：

Vm和Im分别是太阳电池工作时的最大工作电压和电流。

填充因子是最大输出功率与电池的短路电流和开路电压乘积的比值。

用FF表示：

填充因子是衡量电池输出特性的重要指标，代表电池在最佳负载时所能输出的最大功率，其值越大表明太阳电池的输出特性越好，FF值可由如下的经验式给出：

是归一化开路电压；

Voc=qVoc/nkT，n为二极管品质因子。

当Voc>

15时，该公式的精确度可达4位有效数字。

实际上，由于受串联电阻和并联电阻的影响，电池的实际填充因子的值低于上述给出的理想值。

6.转换效率

转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻R时，得到的最大能量转换效率，其定义为：

即电池的最大功率输出与入射功率之比，由式3.11可知，填充因子正好是I─V曲线下最大长方形面积与乘积Voc.Isc之比，所以转换效率可表示为：

由于太阳电池材料只能最大限度地吸收一定波长的太阳光辐射，而太阳光谱却是一个宽的连续谱，以及在室温下必然存在晶格热振动等散射机制，太阳电池的最高转换效率不可能达到100%。

7.太阳电池的光谱响应

太阳电池的光谱响应是指一定量的单色光照到太阳电池上，产生的光生载流子被收集后形成的光生电流的大小。

因此，它不仅取决于光量子的产额，而且取决于收集效率。

数值上体现了光电流与入射光波长的关系，设单位时间波长为λ的光入射到单位面积的光子数为Φ0（λ），表面反射系数为ρ（λ），产生的光电流为JL，则光谱响应SR（λ）定义为：

其中JL=JL|顶层+JL|势垒+JL基区。

理想吸收材料的光谱响应应该是：

当光子能量hυ<

Eg时，SR=0；

hυ>

Eg时，SR=1。

如前文中所述，描述太阳电池电学性能的参数主要有4个：

开路电压、短路电流Isc（或短路电流密度Jsc）、填充因子FF和光电转换效率η。

太阳电池这四个参数的测试和I─V特性曲线的测试往往是在一起的。

测试的原理电路图如图3.7所示。

当滑动变阻器R的值趋于零时，可以得到太阳电池的短路电流Isc，而趋于无穷大时则得到开路电压Voc，不断变动R的值则分别得到不同的电流值Ii和电压值Ui，并且在二者乘积（即输出电功率）的最大值Pmax，再根据前面的定义可以求得填充因子FF和光电转换效率η。

实际测试的电路要复杂得多，滑动变阻器R往往由电子电阻代替，并配有数据采集器，所有数据处理皆由电子计算机完成，整个测试过程很短。

地面标准测试条件为在温度为25℃下，大气质量为AM1.5的阳光光谱，辐射能量密度为l00mW/cm2。

3.2大阳电池的分类

目前商用的太阳电池主要有下列几种类型：

单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池、碲化镉电池、铜铟砸电池等。

目前在研究的还有染料敏化钠太阳电池、多晶硅薄膜以及有机太阳电池等。

但是实际上应用的主要还是硅系材料的电池，特别是晶体硅太阳电池。

3.2.1单晶硅太阳电池

单晶硅太阳电池是用单晶硅片来制作的太阳电池，与其他种类的电池相比，单晶硅太阳电池的硅原子的排列非常规则，在硅太阳电池中的转化效率最高，它的实验室实现的转换效率达到24.7%，为澳大利亚新南威尔士大学创造并保持。

代表性的单晶硅电池商品主要有荷兰Shellsolar、西班牙Lsofoton，印度Microsokl等厂家。

单晶硅电池的基本结构多为n+/p型，一般以p型单晶硅片为基片，其电阻率范围一般为1~3Ω.cm，厚度一般为200μm~300μm。

由于单晶硅材料大都来自半导体工业堆下的废次品，因而，一些厂家利用的硅片厚度达到0.5mm~0.7mm，由于这些硅片的质量完全满足太阳电池的要求，用来制作太阳电池可得到很好的效果，通常单晶硅太阳电池效率都在15%以上。

与其他太阳电池相比，制造单晶硅太阳电池所用硅材料比较丰富；

制造技术比较成熟；

结晶中缺陷较少，转换效率较高；

可靠性较高；

特性比较稳定。

制作成单晶硅太阳电池组件，一般其使用寿命可达到30年左右，但制造成本较高。

单晶硅电池制作过程首先是表面绒面结构的制作，其次与多晶硅不同的是所用的减反膜主要为SiOx或TiO2薄膜。

制备Si02和Ti02薄膜通常采用热氧化或常压化学气相沉积工艺。

单晶硅太阳电池（如图3.8所示）主要用于光伏电站，特别是通讯电站，也可用于航空器电源，或用于聚光光伏发电系统。

单晶硅的结晶非常完美，单晶硅电池的光学、电学和力学性能均匀一致，电池的颜色多为深色或黑色，特别适合切割成小片制作小型消费产品，如太阳能庭院灯等。

3.2.2多晶硅太阳电池

多晶硅的原料——高纯硅不足拉成单晶，而是是熔化后浇铸成正方形的硅锭，然后像加工单晶硅一样切成薄片和进行类似的电池加工。

从多晶硅电池的表面很容易辨别，硅片是由大量不同大小结晶区域组成。

在这样结晶区域（晶粒）里的光电转换机制完全与单晶硅太阳电池一致。

由于硅片由多个不同大小，不同取向的晶粒组成，而在晶粒界面（晶界）处光电转换易受干扰，因而多晶硅的转换效率相对较低，同时，多晶硅的电学、力学和光学性能的一致性不如单晶硅太阳电池。

多晶硅太阳电池（图3.9所示）的基本结构都为n+/P型，都用P型单晶硅片，电阻率0.5~2Ω.cm，厚度220μm~300μm。

制作特点是以氮化硅为减反射膜，商业化电池的效率多13%~15%，主要特点是多晶硅电池是正方形，在制作电池组件时有最高的填充率。

由于多晶硅的生产工艺简单，可大规模生产，所以多晶硅电池的产量和市场占有率较大。

图3.9多晶硅太阳电池

多晶硅电池与单晶硅相同，性能稳定，也主要用于光伏电站建设，作为光伏建筑材料，如光伏幕墙或屋顶光伏系统。

多晶硅结构在阳光下吋通过控制氮化硅减反射膜的厚度，呈现金、绿、深蓝等不同的颜色。

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