07光伏電池性能-1光伏電池原理

模塊七光伏電池性能

光伏電池原理新能源系列課程——《光伏理化基礎(chǔ)》光伏電池原理光伏電池性能表征光伏電池效率影響因素光伏電池原理（1）光伏電池的結(jié)構(gòu)正電極鋁背場(chǎng)負(fù)電極主柵線負(fù)電極子?xùn)啪€光伏電池原理PN結(jié)（2）太陽(yáng)電池的發(fā)電原理——光生伏特效應(yīng)

當(dāng)照射在PN結(jié)上的光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度Eg時(shí)，價(jià)帶頂?shù)碾娮訒?huì)躍遷到導(dǎo)帶底，在PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子向N型半導(dǎo)體遷移，空穴向P

型半導(dǎo)體遷移，從而實(shí)現(xiàn)電子-空穴的分離，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。PNIph上電極下電極光生電動(dòng)勢(shì)U光伏電池原理（2）光生伏特效應(yīng)光照射PN結(jié)光生電子空穴對(duì)P區(qū)的電子移向N區(qū)，N區(qū)的空穴移向P區(qū)光生電勢(shì)差光生電流光伏電池原理分離的結(jié)果：

①光生電流IL

—電流的方向：N→P。②光生電動(dòng)勢(shì)V—P區(qū)為正，N區(qū)為負(fù)。③正向電流IF—正向電流的方向：P→N。光伏電池原理②光生電動(dòng)勢(shì)V—在N區(qū)邊界將積累電子，在P區(qū)邊界積累空穴，產(chǎn)生了一個(gè)與平衡PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)相反的光生電場(chǎng)，其方向相當(dāng)于外接正向偏壓，即P區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)。若內(nèi)建電場(chǎng)電勢(shì)差為VD，光生電勢(shì)為V，則空間電荷區(qū)的勢(shì)壘高低降低e(VD-V)。

③正向電流IF—由于光照使得PN結(jié)兩端形成的光生電動(dòng)勢(shì)也相當(dāng)于在PN結(jié)兩端加上了一個(gè)正向電壓（P區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)），因此有了正向電流IF；該正向電流的方向：P→N，與光生電流方向相反，會(huì)抵消部分PN結(jié)產(chǎn)生的光生電流使得提供給外電路的電流減小，所以又把正向電流稱為暗電流。光伏電池原理光伏電池性能表征光伏電池性能表征光生電動(dòng)勢(shì)——P正N負(fù)，相當(dāng)于在PN結(jié)上加上正向電壓。光生電流IL——N→P正向電流IF——P→N太陽(yáng)電池的模型PNIL上電極下電極光生電動(dòng)勢(shì)UIF在入射光的作用下，產(chǎn)生光生電壓為U、光生電流為IL。在PN結(jié)兩端通過(guò)負(fù)載RL構(gòu)成的回路及等效電路為太陽(yáng)電池的模型光伏電池性能表征在入射光的作用下，產(chǎn)生光生電壓為U、光生電流為IL。在PN結(jié)兩端通過(guò)負(fù)載RL構(gòu)成的回路及等效電路為太陽(yáng)電池的模型光伏電池性能表征①如果將PN結(jié)兩端通過(guò)負(fù)載構(gòu)成閉合回路時(shí)，就會(huì)有電流沿著由P經(jīng)外電路到N的方向流動(dòng)。只要輻射光不停止，這個(gè)電流就不會(huì)消失，PN結(jié)起到電源的作用。外電路的電流I為：光伏電池性能表征太陽(yáng)電池的模型②在PN結(jié)開(kāi)路的情況下，PN結(jié)兩端建立了穩(wěn)定的電勢(shì)差Voc（open-circuitVoltage），這就是太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓，此時(shí)外電路電流I=0，因此光生電流和正向電流的關(guān)系是：光伏電池性能表征太陽(yáng)電池的模型IL=IF③將PN結(jié)短路，此時(shí)外電路的電流為Isc（short-circuitcurrent），該電流稱為短路光電流。如圖所示，外電路短路外電路V=0，IF=0光伏電池性能表征太陽(yáng)電池的模型測(cè)試溫度：25±2℃大氣質(zhì)量：AM1.5光源輻照度：1000W/m2

；是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試太陽(yáng)能電池的光線入射強(qiáng)度。光伏電池性能表征1.標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件

有光照條件下，相當(dāng)于一個(gè)電源，當(dāng)電流最大時(shí)，電壓為0；電壓最大時(shí)，電流為0。如左圖中曲線2所示，與V軸有交點(diǎn)，與I軸也有交點(diǎn)。1-無(wú)光照2-有光照2.伏安(I-V)特性曲線

無(wú)光照條件下，太陽(yáng)能電池相當(dāng)于普通的二極管。如左圖曲線1所示，隨著正向偏壓的增大，電流增大。光伏電池性能表征在一定的溫度和輻照條件下，太陽(yáng)電池在端電壓為零時(shí)的輸出電流，通常用Isc來(lái)表示。Isc與太陽(yáng)電池的面積大小有關(guān)，面積越大，Isc越大。一般1cm2的太陽(yáng)電池Isc值約為16~30mA。Isc與入射光的輻照度成正比。Isc隨溫度上升略有增加。光伏電池性能表征3.短路電流

在一定的溫度和輻照度條件下，太陽(yáng)電池在空載(開(kāi)路)情況下的端電壓，通常用Voc來(lái)表示。通常單晶硅太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓約為450-600mV，最高可達(dá)690mV。太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓與電池面積大小無(wú)關(guān)；

Voc隨著輻照度增加先增大后趨于平緩；

Voc隨著溫度的增加則略有降低。

光伏電池性能表征4.開(kāi)路電壓輻照度開(kāi)路電壓在太陽(yáng)電池的伏安特性曲線上對(duì)應(yīng)最大功率的點(diǎn)，又稱最佳工作點(diǎn)。最大功率用Pm表示。太陽(yáng)電池伏安特性曲線上最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓。通常用Vm表示。太陽(yáng)電池伏安特性曲線上最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流。通常用Im表示光伏電池性能表征5.最大功率點(diǎn)6.最佳工作電壓7.最佳工作電流太陽(yáng)電池的最大功率與開(kāi)路電壓和短路電流乘積之比，通常用FF表示：

FF=ImVm/IscVoc

IscVoc是太陽(yáng)電池的極限輸出功率

ImVm是太陽(yáng)電池的最大輸出功率填充因子是表征太陽(yáng)電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。

光伏電池性能表征8.填充因子受光照太陽(yáng)電池的最大功率與入射到該太陽(yáng)電池上的全部輻射功率的百分比。

η=VmIm/Pin

或η=FF*Isc*Voc/Pin其中Vm和Im分別為最大輸出功率點(diǎn)的電壓和電流，Pin為太陽(yáng)光輸入功率。光伏電池性能表征9.光電轉(zhuǎn)換效率思考：Voc和Isc隨輻射光強(qiáng)度的變化？

由圖可知，短路電流和開(kāi)路電壓是太陽(yáng)能光電池的重要參數(shù)，并隨著光強(qiáng)度的增加而增加，如左圖所示，隨著光強(qiáng)度的增加，短路電流I呈線性增長(zhǎng)，而開(kāi)路電壓V呈對(duì)數(shù)上升，并逐漸達(dá)到最大值。光伏電池性能表征Voc和Isc隨光強(qiáng)度變化圖光伏電池效率影響因素吸收限越靠近長(zhǎng)波，說(shuō)明材料的禁帶寬度越小；材料與太陽(yáng)光譜越匹配，半導(dǎo)體能吸收更多的能量，產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)，因而光生電流和短路電流Isc增加。禁帶寬度越小，載流子容易復(fù)合，反向飽和電流增加，從而降低Voc。光伏電池效率影響因素（1）禁帶寬度的影響（2）

溫度的影響溫度升高，本征載流子濃度增加，載流子的復(fù)合也會(huì)加劇，從而導(dǎo)致暗飽和電流提高、開(kāi)路電壓Voc下降。光伏電池接受的能量提高，能產(chǎn)生更多載流子，因此Isc略微增大。思考：在我國(guó)西北地區(qū)夏季的早晨，為什么光伏電站容易出現(xiàn)電壓過(guò)高呢？光伏電池效率影響因素本征載流子（3）

少子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度的影響少數(shù)載流子壽命是影響太陽(yáng)電池效率非常重要的因素，它的增加使得光照產(chǎn)生的非平衡載流子存在時(shí)間更長(zhǎng)，擴(kuò)散長(zhǎng)度增大，載流子復(fù)合幾率減小，暗飽和電流減小，有利于提高Voc、Isc、FF和h。光伏電池效率影響因素少子壽命測(cè)試儀（4）

寄生電阻的影響并聯(lián)電阻是p-n結(jié)漏電流引起，包括繞過(guò)電池邊緣的漏電流及由于結(jié)區(qū)存在晶體缺陷和外來(lái)雜質(zhì)的沉淀物所引起的內(nèi)部漏電。Rs=rm+rc1+rt+rb+rc2rm：上下金屬電極的電阻；

rc1：金屬柵線和前表面間的接觸電阻；

rt：擴(kuò)散層薄層的電阻

rb：基區(qū)的電阻；

rc2：下電極與半導(dǎo)體的接觸電阻實(shí)際的太陽(yáng)能電池存在著串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻R