太陽能電池的工作原理課件PPT

太陽能電池的工作原理硅太陽電池化合物太陽電池硅太陽電池*以硅為基體材料的太陽電池稱為硅太陽電池。單晶硅（Singlecrystaline-Si）太陽電池。多晶硅（Polycrystaline-Si）太陽電池。非晶硅（Amorphous-Si）太陽電池。微晶硅（μc-Si）太陽電池。HIT(HeterojunctionwithIntrinsicThin-layer)電池。雙面太陽電池?！?-1

太陽電池的分類按基體材料分化合物太陽電池**以化合物半導體材料制成的太陽電池稱為化合物太陽電池。單晶化合物太陽電池。多晶化合物太陽電池。有機半導體太陽電池。染料敏化太陽電池。按電池結構分1.同質結太陽電池pn結是同一種半導體材料的同質結構成的太陽電池。2.異質結太陽電池由禁帶寬度不同的半導體材料形成的異質結構成的太陽電池。3.肖特基結太陽電池利用金屬-半導體界面上的肖特基勢壘而構成的太陽電池稱肖特基結太陽電池。4.復合結太陽電池由兩個或多個pn結形成的太陽電池稱為復合結太陽電池。按用途分1.空間太陽電池指在人造衛(wèi)星、宇宙飛船等航天器上應用的太陽電池。制作精細，價格較高。2.地面太陽電池指用于地面陽光發(fā)電系統(tǒng)的太陽電池。具有較高的功率價格比。3.光敏傳感器光照強度不同，電流大小也不一樣。§3-2太陽電池的工作原理P型和N型半導體3.2.1通常應用的太陽電池是一種將光能直接轉換成電能的半導體器件，其基本構造是由半導體的P-N結組成。半導體(semiconductor)*定義：形成材料的電阻率界于金屬與絕緣材料之間的材料。電阻率在某個溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增加。電導率在10-4～104/（Ω.cm）之間。原子示意圖晶體的共價鍵結構N型半導體*n型半導體：硅晶體中摻入少量五價元素磷或砷原子。磷或砷原子稱為施主。這種雜質半導體主要靠施主能級激發(fā)到導帶中去的電子來導電，稱為電子型半導體或n型半導體。額外電子P具有較高的功率價格比。當溫度變化時，太陽電池的輸出電壓會產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗條件下，溫度每變化1oC，太陽電池開路電壓的變化值稱為電壓溫度系數(shù)，通常用β表示：在一定溫度和輻照度條件下，太陽電池在開路情況下的端電壓，亦即伏安特性曲線與橫坐標的交點所對應的電壓，通常用UOC來表示。6x106km2(1.【例3-1】某一面積為100cm2的太陽電池，測得其最大功率為1.電子空穴對被內(nèi)建電場分離，在PN結兩端產(chǎn)生電勢。η=UmIm/AtPin電導率在10-4～104/（Ω.12x1015MWh/a可見光:380-780nm(46.短路電流(Short-circuitcurrent)§3-3太陽電池的電學特性5W，則該電池的轉換效率是多少？54x1015MWh/a-直徑12756km對于n型半導體，電子濃度遠大于空穴濃度，電子為多數(shù)載流子稱為多子，空穴稱為少子。p型半導體：硅晶體中摻入少量三價硼原子。硼原子稱為受主。這種雜質半導體的導電機構主要取決于滿帶空穴運動，故稱空穴半導體或p型半導體。P型半導體*空穴B對于p型半導體，電子濃度遠小于空穴濃度，空穴為多數(shù)載流子稱為多子，電子稱為少子。P-N結(P-Njunction)3.2.2如果將n型和p型半導體兩者緊密結合，連成一體，導電類型相反的兩塊半導體之間的過渡區(qū)域，稱為P-N結?？臻g電荷區(qū)勢壘區(qū)耗盡區(qū)內(nèi)建電場擴散流漂移流平衡PN結熱平衡時：擴散流=漂移流PN結中無凈電流。內(nèi)光電效應3.2.3當半導體的表面受到太陽光照射時，如果其中有些光子的能量大于或等于半導體的禁帶寬度，就能使電子掙脫原子核的束縛，在半導體中產(chǎn)生大量的電子-空穴對，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應。實現(xiàn)條件：hv≥Eg

或λ≤hC/Eg太陽電池基本工作原理3.2.4

吸收光子，產(chǎn)生電子空穴對。

電子空穴對被內(nèi)建電場分離，在PN結兩端產(chǎn)生電勢。

將PN結用導線連接，形成電流。

在太陽電池兩端連接負載，實現(xiàn)了將光能向電能的轉換。At----包括柵線面積在內(nèi)的太陽電池總面積；太陽電池的主要技術參數(shù)非晶硅（Amorphous-Si）太陽電池。通常應用的太陽電池是一種將光能直接轉換成電能的半導體器件，其基本構造是由半導體的P-N結組成。-在地球表面的輻射功率1.§3-3太陽電池的電學特性輸出功率:流進負載的電流為I，負載端電壓為U5W，則該電池的轉換效率是多少？可見光:380-780nm(46.Um、Im----最大輸出功率點的電壓、電流；§3-1太陽電池的分類54x1015MWh/a理想的太陽電池等效電路：只有ISC和Id短路電流(Short-circuitcurrent)利用金屬-半導體界面上的肖特基勢壘而構成的太陽電池稱肖特基結太陽電池。晶體硅太陽電池的結構3.2.5上電極（-）抗反射層背面接觸基本晶體硅太陽電池的結構有機太陽電池的結構3.2.6§3-3

太陽電池的電學特性標準測試條件3.3.1大氣質量—太陽光線通過大氣層的路程對到達地球表面的太陽輻射的影響AM0—地球大氣層外的太陽輻射AM1—穿過1個大氣層的太陽輻射（太陽入射角為0）AM1.5—太陽入射角為48.2°的太陽輻射

國際上統(tǒng)一規(guī)定地面太陽電池的標準測試條件是：光強：1000W/m2光譜分布：AM1.5電池溫度：25℃電性能測試大氣質量(AM0-2)太陽光譜

大氣質量(AM)太陽光譜定義幾何示意圖(AM=1/cosz=(1+(s/h)2)-1/2),s是高度為h的垂直竿的陽光下投影長度，z太陽天頂角。太陽數(shù)據(jù)

-直徑1392000km-表面積6.9x1012km2-表面溫度5500K-表面輻射密度63000kW/m2-輻射能量3.36x1024MWh/a-大氣層外太陽光譜分布分類與所占比例紫外線:＜380nm(6.46%)

可見光:380-780nm(46.25%)

紅外線:＞780nm(47.29%)-晶體Si太陽電池光譜響應范圍≤1100nm(50%)

-到太陽的平均距離1.5x108km-直徑12756km-表面積5.11x108km2-陸地面積1.49x108km2(29.2%)-中國面積9.6x106km2(1.87%)?-大氣層外輻射密度（太陽常數(shù)）13677W/m2-在地球空間方向上的輻射功率1.76x1011MW-在地球空間方向上的輻射能量1.54x1015MWh/a-在地球表面的的輻射密度(全球輻射)1000W/m2-在地球表面的輻射功率1.28x1011MW-在地球表面的輻射能量1.12x1015MWh/a-在中國的輻射能量2.09x1013MWh/a?地球的數(shù)據(jù)太陽輻射到地球表面的傳播過程直射輻射漫射輻射散射吸收云層反射地面反射大氣質量(AM0,AM1.5)太陽光譜AM1.0與AM1.5太陽光譜-大氣層外輻射密度（太陽常數(shù)）13677W/m2Pm=ImUm：最大輸出功率輸出功率:流進負載的電流為I，負載端電壓為U-大氣層外太陽光譜分布分類與所占比例光強：1000W/m2n型半導體：硅晶體中摻入少量五價元素磷或砷原子。§3-3太陽電池的電學特性12x1015MWh/a當半導體的表面受到太陽光照射時，如果其中有些光子的能量大于或等于半導體的禁帶寬度，就能使電子掙脫原子核的束縛，在半導體中產(chǎn)生大量的電子-空穴對，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應。半導體(semiconductor)*HIT(HeterojunctionwithIntrinsicThin-layer)電池。太陽能電池的實際狀態(tài)等效電路短路電流(Short-circuitcurrent)具有較高的功率價格比。紅外線:＞780nm(47.AM1.5太陽光譜與晶體硅太陽電池的可用光譜范圍

太陽輻射穿過大氣層的情況AM0(1367W/m2)AM1.5(963W/m2)太陽電池等效電路3.3.2太陽能電池的理想狀態(tài)等效電路

理想的太陽電池等效電路：只有ISC和IdIph太陽能電池的實際狀態(tài)等效電路

實際太陽電池等效電路：并聯(lián)一個旁路電流支路等效電路Iph太陽電池的主要技術參數(shù)3.3.3輸出功率:流進負載的電流為I，負載端電壓為U1.伏安特性曲線Isc:短路電流Voc:開路電壓2.最大功率點輸出功率:流進負載的電流為I，負載端電壓為UPm=ImUm：最大輸出功率M點：太陽能電池的最佳工作點或最大功率點Im：最佳工作電流Um：最佳工作電壓Rm:最佳負載電阻3.開路電壓(Open-circuitvoltage)在一定溫度和輻照度條件下，太陽電池在開路情況下的端電壓，亦即伏安特性曲線與橫坐標的交點所對應的電壓，通常用UOC來表示。4.短路電流(Short-circuitcurrent)在一定溫度和輻照度條件下，太陽電池在端電壓為零時的輸出電流，亦即伏安特性曲線與縱坐標的交點所對應的電流，通常用Isc來表示。當U=0時，Isc=Iph。太陽電池的短路電流Isc與太陽電池的面積大小有關，面積越大，Isc越大。5.填充因子(FillFactor)填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)，定義為太陽電池的最大功率與開路電壓和短路電流的乘積之比，通常用FF或CF表示。FF=B/A6.太陽電池的轉換效率太陽電池接受光照的最大功率與入射到該電池的全部輻射功率的百分比稱為太陽電池的轉換效率。即：η=UmIm/AtPin式中：Um、Im----最大輸出功率點的電壓、電流；At----包括柵線面積在內(nèi)的太陽電池總面積；Pin----單位面積入射光的功率?！纠?-1】某一面積為100cm2的太陽電池，測得其最大功率為1.5W，則該電池的轉換效率是多少？解：太陽電池轉換效率η=UmIm/AtPin

=1.5/（100×10-4）×1000=15%7.電流溫度系數(shù)當溫度變化時，太陽電池的輸出電流會產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗條件下，溫度每變化1oC，太陽電池短路電流的變化值稱為電流溫度系數(shù)，通常用α表示：當溫度變化時，太陽電池的輸出電壓會產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗條件下，溫度每變化1oC，太陽電池開路電壓的變化值稱為電壓溫度系數(shù)，通常用β表示：8.電壓溫度系數(shù)5—太陽入射角為48.在太陽電池兩端連接負載，實現(xiàn)了將光能向電能的轉換。12x1015MWh/a在一定溫度和輻照度條件下，太陽電池在開路情況下的端電壓，亦即伏安特性曲線與橫坐標的交點所對應的電壓，通常用UOC來表示。-表面溫度5500K§3-2太陽電池的工作原理由禁帶寬度不同的半導體材料形成的異質結構成的太陽電池。開路電壓(Open-circuitvoltage)紫外線:＜380nm(6.36x1024MWh/aHIT(HeterojunctionwithIntrinsicThin-layer)電池。當溫度變化時，太陽電池的輸出電壓會產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗條件下，溫度每變化1oC，太陽電池開路電壓的變化值稱為電壓溫度系數(shù)，通常用β表示：在太陽電池兩端連接負載，實現(xiàn)了將光能向電能的轉換。指用于地面陽光發(fā)電系統(tǒng)的太陽電池。太陽電池的短路電流Isc與太陽電池的面積大小有關，面積越大，Isc越大。溫度對太陽電池的影響電流溫度系數(shù)：0.1%電壓溫度系數(shù)：-0.4%（-2.3mV/℃)曲線1—25℃曲線2—35℃129.功率溫度系數(shù)當溫度變化時，太陽電池的輸出功率會產(chǎn)生變化，在規(guī)定的試驗條件下，溫度每變化1oC，太陽電池輸出功率的變化值稱為功率溫度系數(shù)，通常用γ表示。忽略平方項，得：10.太陽輻照度的影響硅太陽電池化合物太陽電池硅太陽電池*以硅為基體材料的太陽電池稱為硅太陽電池。單晶硅（Singlecrystaline-Si）太陽電池。多晶硅（Polycrystaline-Si）太陽電池。非晶硅（Amorphous-Si）太陽電池。微晶硅（μc-Si）太陽電池。HIT(HeterojunctionwithIntrinsicThin-layer)電池。雙面太陽電池?！?-1

太陽電池的分類按基體材料分化合物太陽電池**以化合物半導體材料制成的太陽電池稱為化合物太陽電池。單晶化合物太陽電池。多晶化合物太陽電池。有機半導體太陽電池。染料敏化太陽電池?！?-2太陽電池的工作原理P型和N型半導體3.2