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1、 光伏电池1、光伏发电原理研究发现，光照使不均匀的半导体或半导体与金属结合的不同部位之间，产生电位差的现象，这种现象被称为光生伏特效应（Photo voltaic effect） ，简称光伏效应。一般化合价为 4 的硅晶体半导体中掺入少量化合价为 3 的硼原子时，硅晶体中就会出现正电荷的空穴，形成 P 型半导体；当硅晶体中掺入化合价为 5 的磷原子后，就会出现负电荷的电子，形成 N 型半导体。当 P 型和 N 型半导体结合在一起时，在两种半导体交界面区域会形成一个特殊的薄层，界面 P 型半导体一侧带负电，N 型半导体一侧带正电，如图 1 所示。由于 P 型半导体多余空穴，N 型半导体中多余自由
2、电子，出现了 N 区的电子扩散到 P 区，P 区的空穴扩散到 N 区，这样，就形成了由 N 区指向 P 区的内电场（ E） ，以阻止扩散的进行，达到平衡后，形成特殊的薄层，这就是 PN 结。 图 PN 结示意当半导体晶片受阳光照射后，PN 结中的 P 型半导体的光生电子向 PN 结扩散，进入 PN 结后，即被“内电场”推向 N 区；而 N 型半导体产生的光生空穴，先向 PN 结扩散，进入 PN 结后，即被“内电场”推向 P 区。这种电子和空穴的移动，在 N 区积累了大量的光生电子，而 P 区则积累了大量的光生空穴，在PN 结两侧出现了光生电动势，当外电路连接起来时就有光生电流通过。如下图所示，
3、PN 结光伏效应示意二、分类主要有硅太阳能电池、聚光太阳能电池、无机化合物薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池和叠层太阳能电池等几大类。硅太阳能电池根据硅片厚度的不同, 可分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池两大类。晶体硅太阳能电池有单晶硅( c-Si)和多晶硅( p-S i)太阳能电池两类,理论最高光电转化效率为 25%，据报道 c-S i 太阳能电池最高光电转化效率已达24.17%。2004 年采用新技术, 在世界上率先使 p-S i 太阳能电池的光电转换效率突破 20%大关, 达到 20.1 3%。薄膜硅太阳能电池(硅膜厚约 50 Lm ) 的出现, 相对晶体硅太阳
4、能电池, 所用的硅材料大幅度减少, 很大程度上降低了晶体硅太阳能电池的成本。聚光太阳能电池聚光是降低太阳能电池总成本的一种方法, 通过聚光器 ( 倍率一般大于几十倍, 有反射式和透镜式两种)将较大面积的阳光聚在一个较小的范围内 , 形成/ 焦斑 0 或/ 焦带 0, 并将太阳能电池置于“焦斑”或“焦带”上, 以增加光强, 克服太阳辐射能流密度低的缺陷, 从而获得更多的电能输出。2、薄膜硅太阳能电池主要有多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池和微晶硅薄膜太阳能电池。这里我们主要介绍多晶硅薄膜太阳能电池。薄膜硅太阳能电池(硅膜厚约 50 Lm ) 的出现, 相对晶体硅太阳能电池, 所用的硅材料
5、大幅度减少, 很大程度上降低了晶体硅太阳能电池的成本。薄膜硅太阳能电池主要有非晶硅( a-S i)、微晶硅( Lc-S i) 和多晶硅( p-S i) 薄膜太阳能电池, 前两者有 光致衰退效应 , 其中 Lc-S i 薄膜太阳能电池光致衰退效应相对较弱但 Lc-S i 薄膜沉积速率低(仅 112 nm /s) , 光致衰退效应致使其性能不稳定, 发展受到一定的限制, 而后者则无光致衰退效应问题, 因此是硅系太阳能电池的发展方向。光致衰退效应，light-induced degradation 也称 S-W 效应。a-Si H 薄膜经较长时间的强光照射或电流通过,在其内部将产生缺陷而使薄膜的使用
6、性能下降,称为Steabler-Wronski 效应。 三、影响光电转换效率的因素1、 太阳能电池发电原理：利用光伏发电，即通过一对有光响应的器件将光能转换成电能。 太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏电池组，光伏系统电池控制器， 蓄电池和交直流逆变器等主要部件组成，其中的核心元件是光伏电池组和控制器。各部件在系统中的作用。光伏电池：光电转换。太阳能电池主要由晶硅材料做作成类似二极管中的 P-N 结，工作原理与二极管类似。在二极管中，推动P-N 结空穴和电子运动的是外部电场，而在太阳能电池中推动 P-N 结空穴和电子运动的是太阳光子和光辐射热。也就是通常所说的光电伏特效应原理。控制器：作用于整个
7、系统的过程控制。光伏发电系统中使用的控制器类型很多，而我国目前使用的大都是设计较简单的控制器，其中智能型控制器仅用于通信系统和较大型的光伏电站。蓄电池： 蓄电池是光伏发电系统中的关键部分，用来存储由光伏电池转换来的电能。目前我国还没有用于光伏系统的专用蓄电池，而是使用常规的铅蓄电池。交直流逆变器：用于交直流转换，因此这个部件的重要指标是转换效率。例如并网逆变器采用最大功率跟踪技术，最大限度地把光伏电池转换的电能送入电网。2、 影响光电转换效率的因素研究光电转换效率的一些参数光电转换效率 %为评估太阳电池好坏的重要因素。目前使用的太阳能电池实验室：24%，产业化：15%。填充因子 FF%为评估太
8、阳电池负载能力的重要因素。FF=(ImVm)/(IscVoc)。其中：Isc-短路电流，Voc-开路电压，Im-最佳工作电流，Vm-最佳工作电压；标准光强与地面环境温度：AM1.5 光强，1000W/m2 ，t = 25；AM1.5 ，地球大气层外接受到的太阳辐射，未受到大气层的反射和吸收，称为大气质量为 0 的辐射， 以 AM0 表示。太阳辐射在到达地球之前，被大气层中的气体分子及悬浮微粒所吸收、散射和反射而被削弱，这种削弱还与穿透大气层的距离有关，这又决定于太阳辐射的方向。 通常，以 AM1 表示垂直于太阳入射方向上单位面积上得到的太阳光谱。AM1.5， AM2 等分别表示不同方向得到的太
9、阳光谱。1.5=光线在大气走的路程/垂直路程，是一个夹角关系。 用公式 AM1/cos(z)，z 为天顶角可知，AM1.5 对于与天顶角 48.2，包括中国，欧洲，美国在内的大部分国家都处在这个中纬度区域。 天顶角即入射光线与当地天顶方向的夹角 。光伏电池中电子在通过P-N 结后， 如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属材料， 阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖P-N 结( 如下图 梳状电极） ，即能减小电即能减小电阻降低损耗又能增加入射光的面积，增大工作效率。 （2） 硅的表面非常光滑， 大量的太阳光会被反射，则太阳能电池板的工作功率会减
10、小。为减少阳光的反射，则在硅表面涂上一层反射系数非常小的保护膜（ 上图 梳状电极） ，将反射损失将大大减小。 。然而，一块电池所能提供的电流和电压有限，则可以将很多电池并联或串联起来使用以达到提高太阳能光电板的利用率。（3）当太阳能电池板温度升高，太阳能电池板的转换率降低。若在太阳能电池板上加隔热保护罩，有利于阻止太阳能电池板板体的温度升高，从而提高太阳能电池板光电转换率（ 利用光电材料吸收光能后转换成电能的效率叫光电转换率） 。上面给出的是结论，即降低电池板温度可以提高光电转换效率，那么下面我们研究为什么。实验条件：固定日照量在 1000W/m2，串联电组 Rs =0.614 时，分别仿真温
11、度在 0100 时的太阳能电池模块 I-V 曲线和 P-V 曲线。 由此二图可知，在固定日照强度下，当温度升高时太阳能电池的开路电压会有所下降，短路电流却会有所增加。整体而言，输出功率会略微减少，而所能输出的最大功率值也会随着温度的递增而递减，对应于温度变化，最大功率值也会呈现线性变化。温度的上升，会造成太阳能电池输出功率的减少，因此工作环境的温度将会直接影响到太阳能电池的效率。（4 太阳能电池板的发电量与太阳光入射角有关，当太阳光线与太阳电池板平面垂直时转换率最高。用自动追光系统转换率可提高 40%。（5）光照强度对太阳能电池板输出功率的影响同等条件下，光照强度与太阳能电池呈正相关关系。下面我们看一个实验及其得出的图像。不同日照量下对太阳能电池 I-V 曲线的影响 不同日照量下对太阳能电池 P-V 曲线的影响不同日照量下对太阳能电池 P-V-I 3D 曲线观察上述三幅实验图像，可得：日照强度改变时，其开路电压不会有太大的改变，但所产生的最大电流会有相当大的变化，所以其输出功率与最大功率点会随的改变。关于太阳能利用的研究近几年来已经成为炙手可热的话题，而提高光电转换率一直是人们重点研究的对象，太阳能电池在各个领域应用的大幅增加，其市场前景广阔。 学院：物理电气信息学院班级：09 物教（2)班小组：光伏电池研究姓名：崔祥祥学号：12009243924
