太阳电池工作原理(第一课)

生产过程
五. 太阳发电系统
1. 太阳能电池阵列
2. 逆变器
3. 用电设备
4. 进户计量仪表
1. 太阳能光伏发电系统的结构
2. 光伏系统分类 （1）小型太阳能供电系统（Small DC）
该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较 小，整个系统结构简单，操作简便。如在我国的西北地区大 面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、 家用电器等，用来解决无电地区家庭的基本照明和供电问题。
填充因子是表征太阳电池性能优劣 的一个重要参数。
• 10. 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10C ，太阳电池短路电 流的变化值，通常用α 表示。 • 对于一般晶体硅电池 α =+0.1%/0C
• 11. 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10C ，太阳电池开路电 压的变化值，通常用β 表示。 • 对于一般晶体硅电池 β =-0.38%/0C
直流 用电 设备
直流 用电 设备
直流 用电 设备
直流 用电 设备
（4）交流、直流供电系统（AC/DC）
该系统的特点是系统中同时含有直流负载和交流负载，整个系统结 构比较复杂，整个系统的规模也比较大，同样需要配备较大的太阳能光 伏阵列和较大的蓄电池组。如在一些同时具有交流和直流负载的通信基 站或其他一些含有交流和直流负载的光伏电站中使用了这种类型的光伏 系统。
（2）简单直流系统（Simple DC）
该系统的特点是系统中负载为直流负载，而且负载的使 用时间没有特别要求，负载主要在日间使用，系统中没有蓄 电池，也不需要控制器。整个系统结构简单，直接使用太阳 能电池阵列给负载供电，光伏发电的整体效率较高。如光伏 水泵就使用了这种类型的光伏系统。
直流 用电 设备
太阳能电气基础知识培训
第一部分：半导体知识、光伏发电原 理、光伏发电系统
一. 半导体原理
• 为什么金属容易导电，非金属不易导电？
• 为何名称是“半导体”
原子结构
硅原子示意图
半导体硅 • 硅原子的最外层 电子壳层中有4个电 子。在太阳辐照时，会摆脱原子核的 束缚而成为自由电子，并同时在原来 位置留出一个空穴。电子带负电；空 穴带正电。 • 在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴 的数目是相等的。
• 8. 转换效率 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。 η = Vm Im / Pin • 其中Vm和Im分别为最大输出功率点的电 压和电流， Pin为太阳光输入功率。
年份
表4－3 光伏电池组件的效率
1995 2000 2010
效率（%） 光伏电池
单晶硅 多晶硅 聚光电池 非晶硅 薄膜硅 CIS CdTe
• 下图为在p型半导体材料上扩散磷元素，形成n+/p 型结构的太阳电池。上表面为负极；下表面为正 极。
1．组件的旁路二极管
四. 太阳电池基本参数 • 1.标准测试条件 • 光源辐照度：1000W/m2 ；
• 测试温度： 25±20C ； • AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。
• 2. 伏安(I-V)特性Hale Waihona Puke Baidu线 • 受光照的太阳电池，在一定的温度和辐照度
• 太阳电池的开路电压与入射光谱辐照 度的对数成正比。
• 4. 短路电流 • 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 Isc来表示。 • Isc与太阳电池的面积大小有关，面积越 大， Isc越大。一般1cm2的太阳电池Isc 值约为16~30mA。 • Isc与入射光的辐照度成正比。 • Isc随温度上升略有增加。
五. 太阳电池分类
• 1. 按照基体材料分类： • 晶硅太阳电池，包括：单晶硅和多晶硅太阳电池 • 非晶硅太阳电池 • 薄膜太阳电池 • 化合物太阳电池，包括：砷化镓电池；硫化镉电 池；碲化镉电池；硒铟铜电池等 • 有机半导体太阳电池
硅太阳电池
单晶硅和多晶硅的区别是： 当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格 排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向 相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些晶核长 成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。多晶 硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。 例如在力学性质、电学性质等方面，多晶硅均 不如单晶硅。多晶硅可作为拉制单晶硅的原料。
以及不同的外电路负载下，流入负载的电流I 和电池端电压V的关系曲线。
不同辐照度下电池的I-V特性曲线
• 3. 开路电压 在一定的温度和辐照度条件下，光 伏发电器在空载(开路)情况下的端电 压，通常用Voc来表示。 • 太阳电池的开路电压与电池面积大小 无关，通常单晶硅太阳电池的开路电 压约为450-600mV，最高可达690mV 。
DC
直流 用电 设备
直流 用电 设备
DC AC
直流 用电 设备
直流 用电 设备
交流用电 设备
（5）并网系统（Utility Grid Connect）
这种系统的最大特点是太阳能电池阵列转换产生的直流电经过三相逆 变器（DC/AC）转换成为符合公共电网要求的交流电并直接并入公共电 网，供公共电网用电设备使用和远程调配。这种系统中所用的逆变器必 需是专用的并网逆变器，以保证逆变器输出的电力满足公共电网的电压、 频率和相位等性能指标的要求。这种系统通常能够并行使用市电和太阳 能电池阵列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率； 而在夜晚或阴雨天气，本地交流负载的供电可以从公共电网获得。
DC AC
p-n结内建电场
• 当太阳光（或其他光）照射到太阳电池上 时，电池吸收光能，能量大于禁带宽度的光 子，穿过减反射膜进入硅中，激发出光生电 子–孔穴对，并立即被内建电场分离，光生 电子被送进n区，光生孔穴则被推进p区，这 样在内建电场的作用下，光生电子-孔穴对 被分离，在光电池两端出现异号电荷的积累， 即产生了“光生电压”，这就是“光生伏打 效应”（简称光伏）。在内建电场的两侧引 出电极并接上负载，在负载中就有“光生电 流”流过，从而获得功率输出。
5．MPPT工作原理
MPPT本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流和功率，比较它 们之间的变化关系，决定当前工作点与峰值点的位置关系，然后控制电 流（或电压）向当前工作点与峰值功率点移动，最后控制电流（或电压） 在峰值功率点附近一定范围内来回摆动。
图 不同光照强度下的光伏电池最大功率点
5.1. 最佳工作电压 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Vm表示 5.2 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。通常用Im表示
能量守恒原理： 光子撞击电子产生电子空穴对
二. 硅太阳电池的工作原理
所谓光电效应，就是指物体在吸收光 能后，其内部能传导电流的载流子 分布状态和浓度发生变化，由此产 生出电流和电动势的效应。在气体、 液体和固体中均可产生这种效应， 而半导体光伏效应的效率最高。
二. 硅太阳电池的工作原理
三. 太阳电池的结构
15 14 22 7～9 8～10 7～9 7～9
18 16 25 10 12 12 12
22 20 30 14 15 14 15
• 9. 填充因子(曲线因子) 太阳电池的最大功率与开路电压 和短路电流乘积之比，通常用FF(或 CF)表示：
FF = ImVm/ IscVoc
• • •
IscVoc是太阳电池的极限输出功率 ImVm是太阳电池的最大输出功率
（3）大型太阳能供电系统（Large DC）
该系统的特点是系统中用电器也是直流负载，但负载功率比较大，整个 系统的规模也比较大，需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。 常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村集中供电站，航标灯塔、路灯 等领域。如在我国的西部地区部分乡村光伏电站使用了这种类型的光伏系 统，中国移动和中国联通公司在偏僻无电地区的通信基站等。
• 如果在硅晶体中搀入能够俘获电子的 3价杂质，如：硼，鋁，镓或铟等，就 成了空穴型半导体，简称p型半导体。 • 如果在硅晶体中搀入能够释放电子的 磷，砷，或锑等5价杂质，就成了电子 型半导体，简称n型半导体。
P-N结特性
• 势垒电场：若将这两种半导体结合在一起，由于电子和 空穴的扩散，在交界面处便会形成p-n结，并在结的两边 产生内建电场。 • 单向导电性：由于P 区中的空穴向N区扩散后与N区中的 电子复合，而N区中的电子向P区扩散后与P 区中的空穴 复合，这使电偶极层中自由载流子数减少而形成高阻层， 故电偶极层也叫阻挡层，阻挡层的电阻值往往是组成PN 结的半导体的原有阻值的几十倍乃至几百倍。