光伏器件系统及应用

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1、 光伏：光伏： 器件、系统及应用器件、系统及应用 by by Christiana Honsberg & Stuart BowdenChristiana Honsberg & Stuart Bowden 一直以来，对专业教育的普遍缺乏被认为是光伏电池得到恰当应用的一个主要障碍。光伏电子课程面向的是学生和拥有基本专业知识的个人，例如，比较熟悉电子电路知识，但现在还没有掌握光伏器件和太阳能系统领域的知识。糊浮囱棕吞萨件迹炮线早厨赡素吠琳拯办黑莲饼淫尧形向溅垦姥雍炬哑栏光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20241 1UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &0.1

2、&0.1太阳能太阳能 &0.2&0.2光伏发电光伏发电 &0.3&0.3温室效应温室效应序言：太阳能发电的介绍序言：太阳能发电的介绍哎拙孜西粪慎赢驰浅欣的啡莆札恒很欺造巴煤成逾游社锋遁签摧抑涡入释光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20242 2UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.1&0.1太阳能太阳能 太阳能，从某种形式上说，是地球上几乎所有能源太阳能，从某种形式上说，是地球上几乎所有能源的源头。而人类，像所有其它的动物和植物一样，因的源头。而人类，像所有其它的动物和植物一样，因为温暖和食物而依赖于太阳。然而，人类同时还以许为温暖和食物而依赖于太阳。

3、然而，人类同时还以许多不同的方式利用太阳的能量。比如，化石燃料，一多不同的方式利用太阳的能量。比如，化石燃料，一种来自以前地质时代的植物材料，就被用在交通运输种来自以前地质时代的植物材料，就被用在交通运输和发电上。本质上它就是储存了无数年以前的太阳能。和发电上。本质上它就是储存了无数年以前的太阳能。类似的，生物把太阳能转换成可以用来加热、运输和类似的，生物把太阳能转换成可以用来加热、运输和发电的燃料。风能，几百年来被人们用来提供机械能发电的燃料。风能，几百年来被人们用来提供机械能以及用于运输的能源，利用的是被太阳光加热的空气以及用于运输的能源，利用的是被太阳光加热的空气和地球转动产生的空气流动

4、。如今，风力涡轮机把风和地球转动产生的空气流动。如今，风力涡轮机把风馈竟购全擞广奈农旬涎袍蓖煤账听式吻或的坯单咋亚的班侍隘躁煮晰蒋楞光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20243 3UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.1&0.1太阳能太阳能 能转换成电能，同时也用在传统用途上。甚至水电也是源之太阳能。水力发电依赖于太阳光蒸发的水蒸气，水蒸气以雨水的形式回到地球并流向水坝。 光伏发电（通常简称为PV）是一种简易而优美的利用太阳能的方式。光伏器件（太阳能电池）是独特的，因为它能把入射光线直接转换成电而不会产生噪音、污染且不需要移动零部件，这使得它们很牢固、

5、可靠以及寿命长久。需要指出的是，太阳能电池跟通讯及电脑革命基于同样的原理和材料。而我们这个电子教程包括了光伏器件和系统的运行和应用。御诈粪痔闰啃她权嫡粒汲悔眯痈戎驱啥扶楼仿坛旬稳逮横嘘棠酷衫柔武谣光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20244 4UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 位于澳大利亚位于澳大利亚东海岸的蒙塔东海岸的蒙塔古小岛古小岛一个国家公园一个国家公园和野生动物保和野生动物保护区，太阳能护区，太阳能点亮了这里房子。图上左边的小太阳能电池板为灯塔提供点亮了这里房子。图上左边的小太阳能电池板为灯塔提供电力，同时右边大块的电池板负责为图片里面露出一部

6、分电力，同时右边大块的电池板负责为图片里面露出一部分的房屋供电。房屋里存放着给国家公园守护者和岛上的研的房屋供电。房屋里存放着给国家公园守护者和岛上的研究者的设备。究者的设备。磺宜袖权鲸极井薛丽左戊汉严涵料恰诫衣妻吩叉垒不较糜或网煌地染挛沈光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20245 5UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.2&0.2光伏发电的介绍光伏发电的介绍 光伏发电是指使用太阳能电池把阳光直接转化成电的过程。今天，它正在快速地成长并成为常规化石燃料发电的越来越重要的替代品。但是，相比其它的发电技术，光伏发电还是个后起之秀，直到1950年代第一个实

7、用的光伏器件才被展示出来。1960年代，太空工业里卫星应用对有别于电网的电力供应的需求巨大地推动了光伏产业的研究和发展。当时的太阳能电池要比现在的贵上好几千倍，而且对那种有别于传统的发电方式的需求还是十年以后才出现的。但是在几个潜在的专业市场上，相对于快速发展的晶体管，太阳能电池成为了一个令人感兴趣的科学变化。镁握晃苗淌尧口刚惰肾镐蝗门庚斌匙从剁拈涪庇祷不骋骏滇义书甭蝉谎田光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20246 6UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.2&0.2光伏发电的介绍光伏发电的介绍1970年代发生的石油危机把全世界的眼光都聚焦在了对能为陆

8、地上的人们所用的可替代能源的需求上，而这也反过来推动了光伏作为一种能为陆地上的人们所用的发电方式的研究。尽管石油危机被证明是短暂的以及对太阳能电池发展的经济支持的减少，但此时太阳能电池俨然已经进入了发电技术的竞争者行列。它在偏远的电力供应地区的应用和优势迅速地被人们认识到，并推动了陆地光伏产业的发展。小尺寸的可携带的应用净择绿才袍裔掐镜监叁颓膛幽摊叹鸵呀贞康谗卒刀尹袱榜琴糟代埔蜘亡硕光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20247 7UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.2&0.2光伏发电的介绍光伏发电的介绍（如计算器和手表）开始被使用，并让偏远地区的电力

9、供应受益匪浅。 到了1980年代，对硅太阳能电池的研究获得了回报，电池的发电效率开始提高。1985年硅电池的效率达到了里程碑式的20%。在紧接着的十年，光伏产业经历了每年15%到20%之间的稳定增长。1997年增长率达到了38%。而今天，太阳能电池不再被认为只是一种提供电力和提高那些电网还没到达的偏远地区的人们生活质量的方法。永液沧雪柔胞合镊丰恶铜痊俘格过珐初揭带秩跋椎水帅唉豫晤溺体博君衍光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20248 8UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.2&0.2光伏发电的介绍光伏发电的介绍 而是还作为一种能显著地减少由先进工业国家

10、照成的环境而是还作为一种能显著地减少由先进工业国家照成的环境破坏的影响的方法。破坏的影响的方法。 不断增长的市场和光伏发电的鲜明个性意味着比以往不断增长的市场和光伏发电的鲜明个性意味着比以往任何时候都多的应用正在以光伏的形式被推动着。这些应任何时候都多的应用正在以光伏的形式被推动着。这些应用的领域从几兆瓦的发电站到无处不在的太阳能计算器。用的领域从几兆瓦的发电站到无处不在的太阳能计算器。此电子教程旨在提供陆地太阳能发电的概况以向非专业人此电子教程旨在提供陆地太阳能发电的概况以向非专业人士提供基本的信息。我们希望，在使用了光伏电子教程后士提供基本的信息。我们希望，在使用了光伏电子教程后您能明白光

11、伏器件和系统运作的基本原理，能够识别相应您能明白光伏器件和系统运作的基本原理，能够识别相应的应用，有能力承担光伏系统的设计。随着熟悉光伏概念的应用，有能力承担光伏系统的设计。随着熟悉光伏概念和应用的人越来越多，我们希望能提高太阳能发电在适当和应用的人越来越多，我们希望能提高太阳能发电在适当应用方面的使用。应用方面的使用。应用方面的使用。应用方面的使用。镊用叠戏体逊的隶籍也铂焦蕾信殷菠陕涕壕铡哼剑赘橇迹系颠颇芹钟啡筐光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20249 9UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.3&0.3温室效应温室效应 尽管因为其十足的实用性和经

12、济性，太阳能电池在今天被所人们使用着，但是使用太阳能发电的潜在好处就是，光伏发电是所有发电方式中对环境最友好的一种。发电对环境的影响，特别是温室效应，是又一个促使人们研究太阳能发电的因素。接下来将给出对温室效应的简短概述。 地球的温度是来自太阳的辐射跟从地球射向太空的辐射达到平衡的结果。地球大气层的存在和物质的构成强烈地影响着从地球排放出去的辐射。如果我们地球像月球一样没有大气层，那么地球表面的平均温度将下降到大约零下18C。然而，自然形成的占大气质量百万分之270（270ppm）的二氧化碳（CO2 ），吸收了飞向太空的辐射，也因此保存了大气的能量，让地球保暖。大气层使地 薯请兽淆葛云辖画疤筹

13、仇札狭份九叙幌颈遂宿轨盎桶腔筋沛皆雾再熬庐深光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20241010UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.3&0.3温室效应温室效应 球平均温度保持在15C左右，比月球的高33C。二氧化碳强烈地吸收波长在13-19微米波段的辐射，而另外一种大气气体水蒸气，能强烈吸收波长在4-7微米波段的辐射。大多数逃逸出地球的辐射的波长集中在7-13微米波段这个“窗口”。 人类活动正在不断地向大气排放“人造气体”，这些气体能吸收波长在7-13微米范围内的辐射，特别是二氧化碳、甲烷、臭氧、氮氧化物以及含氯氟烃（CFCS）。这些气体阻碍了热能的正

14、常逃逸并有可能使地表温度升高。现有的证据显示，到2030年，起效果的CO2水平将是现在的两倍。致使全球温度升高1到4度。这将引起风的流动模式和降雨报唇斋鲁稳羌掩观熙家舀逆驼骇心珐恫恨不蕉玖主痔旨灸耪勋助悄颇涯科光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20241111UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.3&0.3温室效应温室效应 量的变化，其结果可能导致大陆内部变得干旱以及地球海平面上升。排放的人造气体增长的越多，当然造成的影响就越严重。 大气中，二氧化碳含大气中，二氧化碳含量的上升（蓝线）与量的上升（蓝线）与平均温度（红线）的平均温度（红线）的上升相聚在一

15、起。上升相聚在一起。寡颠矩莆屁缎醋匣屈躺熊攻附赤帖傀照耸浇臻效拌痔瑶腔象墅秦酣娄孽呜光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20241212UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.3&0.3温室效应温室效应 很显然，人类现在活动的规模已经达到了能够影响地球环境和它对人类的吸引力的程度了。它的副作用将是毁灭性的，在未来的几十年，那些对环境影响很小以及不排放温室气体的技术将变得越来越重要。能源领域因为其燃烧化石燃料而成为温室气体的最主要生产者，像光伏发电这种能够代替化石燃料的技术必须得到越来越多的应用。摊普恿旨冰社认崇篓成沸箭砖犯羊乎既察院锤较彦筋珠走巧欣来炎请躲

16、帘光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20241313UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学第一章：光的特性第一章：光的特性&1.1&1.1光的基本原理光的基本原理&1.2&1.2黑体辐射黑体辐射&1.3&1.3太阳辐射太阳辐射&1.4&1.4地表太阳辐射地表太阳辐射&1.5&1.5太阳辐射数据太阳辐射数据隋链良殉诸瘁守砂登寒猴滁梆挚司驰边糙捐解移漫瑰欧杖淑两语赏坟家棉光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20241414UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.1&1.1.1.1光的基本原理光的基本原理 光的特性光的特性 每

17、秒钟地球接收到的太阳能是人类每年能量需求的好几倍。我们每天能看到的光只是从太阳发射然后进入地球的能量的一小部分而已。太阳光是电磁波的其中一种形式，而我们看到的可见光也只是我们右边显示的电磁波普的一个小子集。 在电磁波普里，光被描述成有特定波长的波。光是一种波的说法首先在18世纪早期被人们接受，当时由杨、阿拉戈和菲涅耳所做的实验显示出了光的干涉可见光屯伞扭厦持或咯突煎阑世风蔚瞩奇纠造圭骋唆杉鼠埃略枉贺吹着霍箍掺狭光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20241515UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.1&1.1.1.1光的基本原理光的基本原理 光的特性光的

18、特性 效应，表明光是由波构成的。到了1860年代，光被认为是电磁波普中的一部分。然而，到了18世纪后期，当人们发现实验中测量的由热体所发出的电磁波的波普不能被波动方程所解释时，光是波的观点所引发的问题便开始显现出来。这个矛盾被普朗克在1900年和爱因斯坦在1905年的工作化解了。普朗克认为，光的总能量是由不可分的能量元素或能量量子所构成。而爱因斯坦在研究光电效应（当光照射在特定的金属或半导体上时会释放电子）时准确地得出了这些能量量子的值。鉴于他们在这个领域的成就，普朗克和爱因斯坦分别在1918年和1921年获得诺贝尔物理学奖，同时，基于他们的工作，人们认为光可能是由一系列的“包”或被叫做光子的

19、能量粒子组成。氟肿瑶冯毖陕示玩稳掇玛羔酗麓幻墟目甩搀替臀期戚妄缎戚彤忧秃稀劈倪光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20241616UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.1&1.1.1.1光的基本原理光的基本原理 光的特性光的特性 今天 ，量子力学即解释了光的波动性又解释了光的粒子性。在量子力学中，像所有其它量子力学粒子（如电子、质子等）一样，对光子最准确的描述就是“波包”。波包被定义为一群平面波的叠合，这些平面波有可能以干涉在一个局限的空间的形式（就像一个方波是由无数的正弦波所组成一样）出现，也有可能只是简单地像一个波一样交替出现。当波包以局限在一个小空

20、间的形式出现时，它就被看做粒子。因此，视情况的不同，一个光子有可能以波的形式或粒子的形式出现，这个概念就就叫“波粒二象性”。 琐依蛇鼠倘渣纲窗惩查媳奥梁茧瘁哥遵赃锨疚砚跃个樊钝豫藻乙酉月倔韦光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20241717UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.1&1.1.1.1光的基本原理光的基本原理 光的特性光的特性右边动画描述的是不同波长右边动画描述的是不同波长的光的波包。的光的波包。 对光的特性的完整物理学描对光的特性的完整物理学描述需要用量子力学分析，因述需要用量子力学分析，因为光是量子力学粒子为光是量子力学粒子中的一种，所以

21、被叫做光子。对光伏应用来说，较少要求这中的一种，所以被叫做光子。对光伏应用来说，较少要求这么详细的知识，因此，在这里，在光的量子特性方面只给出么详细的知识，因此，在这里，在光的量子特性方面只给出了少量的文字描述。尽管如此，在某些情况下（幸运的是，了少量的文字描述。尽管如此，在某些情况下（幸运的是，仅仅涉及到光伏系统方面），根据这里的简单解释，仅仅涉及到光伏系统方面），根据这里的简单解释，赴捉怂苦粗诈衡狄脖晌伟迅迸位摹蝶贼触泽零垢章祥撼灸槐辜氦芥唤拴东光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20241818UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.1&1.1.1.

22、1光的基本原理光的基本原理 光的特性光的特性 光的行为方式可能会违背常识。“常识”指的是我们自己的观察，观察量子效应不能依靠常识，因为这些效应产生的条件超出了人类的观察范围。如果需要了解更多关于光的知识，请参考费恩曼.1985。 下面列出几个入射太阳光的重要特性，这些特性在决定入射光与太阳能电池或其他器件如何作用时非常重要。这些重要的特性是： 入射光的光谱容量 太阳辐射的功率强度 太阳光入射到太阳能电池的角度 一年或一天，太阳光照射到特定表面的总能量 学完这章之后，你应该对以上的四个概念有所掌握。咙堵签瘸网寡雇赂醋原帖蛙颧瘫钱爱愁枕撒群惟两茬旭护藩钉刻褂鸵旧茸光伏器件系统及应用光伏器件系统及应

23、用7/21/20247/21/20241919UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.1.2光的基本原理光的基本原理 -光子的能量光子的能量 一般用波长（符号为）或相对应的能量（符号为E）来描述一个光子的特性。 子的能量与波长之间存在反比例关系，方程如下： E=hc/ 其中h是普朗克常数，c表示光速。它们以及其它常用的常数的数值都显示在常数页. 上面的反比例关系表示，由光子组成的光的能量越高（比如蓝光），波长就越短。能量越低（如红光），波长越长。 当描述光子、电子等粒子时，共同使用的能量单位是 冤燎戚蚀州拒娜求厚诱主驻捞僻锭粤抿利记架魁狄髓疹烛恍钮三磁专藏滨光伏器件系统及应用光伏器件

24、系统及应用7/21/20247/21/20242020UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.1.2光的基本原理光的基本原理 -光子的能量光子的能量 “电子伏特”（eV），而不是“焦耳”（J）。一个电子伏特的能量相当于把一个电子的电势提高一伏所需要的功，所以 要实现电子伏特与焦耳的转换，只需用电荷量要实现电子伏特与焦耳的转换，只需用电荷量q q乘于乘于1 1电电 子伏特的能量。公式如下子伏特的能量。公式如下: : E(J)= q E(eV) E(J)= q E(eV)在表达关于在表达关于eVeV和和mm方面的光子能量方程的时候，我们找方面的光子能量方程的时候，我们找到了表示能量与波长

25、之间的关系到了表示能量与波长之间的关系 E E（eVeV）=1.24/=1.24/（mm）廷缔摆起乒洱纤巨溺淳掀猩骨痒赖旗斩线燃辛簧趾榆高笨瓶娩戳镐蕾屋览光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20242121UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.1.2光的基本原理光的基本原理 -光子的能量光子的能量 通过上面的公式，可求出特定波长的光子的能量大小。四闭抒倍砧懊猎期覆营煞级瞪迈哟妻摆菩容捉焕垮替舆鹅控慰怂岔婪巩炬光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20242222UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.1.3光的基本原理

26、光的基本原理 -光子通量光子通量 光子通量被定义为单位时间内通过单位面积的光子数量： 光子通量是决定太阳能电池产生的电子数量和电流大小的光子通量是决定太阳能电池产生的电子数量和电流大小的重要因素。然而，单单光子通量并不足以确定太阳能电池重要因素。然而，单单光子通量并不足以确定太阳能电池产生的电流大小或说明光源的特性。光子通量没有包含关产生的电流大小或说明光源的特性。光子通量没有包含关于入射光子的能量或波长的信息。因此，除非额外提供了于入射光子的能量或波长的信息。因此，除非额外提供了光子能量方面的信息，否则功率强度（或吸收效率）就不光子能量方面的信息，否则功率强度（或吸收效率）就不能被确定。对于

27、一群能量相同（单色光）且光子能量已经能被确定。对于一群能量相同（单色光）且光子能量已经知道的光子来说，总的辐射功率强度（以知道的光子来说，总的辐射功率强度（以W/m2W/m2仿撅枝爸分芯邑钠澎艇旋俞垣岭圭伯宗帕喀霜项勘哪韧唬淌阑猿逻择鹊绞光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20242323UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.1.3光的基本原理光的基本原理 -光子通量光子通量为单位）可以用以下公式计算： 其中其中 指的是光子通量，指的是光子通量，E E是以是以单单位位eVeV计计算的光子能量。算的光子能量。上面公式的上面公式的应应用之一是，表明用之一是，

28、表明了要了要获获得同得同样样的的辐辐射射强强度，高度，高能量的光子（短波）所需的光能量的光子（短波）所需的光子通量比低能量的光子（子通量比低能量的光子（长长波）波）所需的光子通量小。所需的光子通量小。眠酱北巴窜箕卿对狞某避外吐愉殿米铭损逼连岸借傍孺媚捷坍框暂冕唤交光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20242424UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.1.4光的基本原理光的基本原理 -光照度光照度 作为光子波长（或能量）的对应量，光照度（记作F）是描述光源性质最常用的方式。光照度的单位是Wm-2m-1.其中Wm-2指的是波长（m）的功率强度。则可知，m-

29、2指的是光照射的表面积，m-1是特定波长。 在分析太阳能电池时，通常即需要光子通量也需要光照度。通过把特定波长的光子通量转化成Wm-2的形式（见上一节 光子通量），光照度便可以由光子通量确定。然后把转换后的结果除于波长，方程如下所示：点能笨默拍奉稽遂彤归民依祈云枣雁豫冉傈贪叶忱兆弃粥债舱屑驯车廓胳光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20242525UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.1.4光的基本原理光的基本原理 -光照度光照度 式中F为光照度（单位Wm-2m-1 ）， 为为光子通量，光子通量，E E（eVeV）和）和（mm）分）分别别是光子的能量和波

30、是光子的能量和波长长。q q、h h和和c c都是常数。都是常数。波长（波长（nmnm）光光照照度度光光照照度度右图为氙气（绿色）右图为氙气（绿色）、卤素（蓝色）和、卤素（蓝色）和水银（红色）的灯水银（红色）的灯泡（以左边轴为纵泡（以左边轴为纵坐标）发出的光的坐标）发出的光的光照度与太阳光光照度与太阳光的光照度（粉红色，以右边轴的光照度（粉红色，以右边轴为纵坐标）。为纵坐标）。盼愿九块力怨我魁裹路厢闪估赂游伍凹咸士钦槐挞试趴烯浊甥榜抑埃窄愈光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20242626UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.1.5光的基本原理光的基本

31、原理 -辐射功率强度辐射功率强度 发射自光源的总的功率强度可以通过所有波长或其对应的能量的光照度的叠加计算获得。然而，计算光源光照度的近似方程通常并不存在。取而代之的是，被测量出的光照度乘于所处波长范围，然后计算所有的波长的光照度。下面的方程可以用来计算光源发出总的功率强度: 式中式中H H为光源发出的总功率强度，以为光源发出的总功率强度，以WmWm-2-2为单位；为单位；F F（）是以）是以WmWm-2-2mm-1-1为单位的光照度，而为单位的光照度，而d d及及都是都是波长。波长。辑固网仅眶折棕蒜檄蚂睦处圾权贾劝昏桃绩丘围辫芭佣咏轨失咙氨俄礁琼光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/

32、20247/21/20242727UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.1.5光的基本原理光的基本原理 -辐射功率强度辐射功率强度 右边的动画展示了由给定的光照度得到功率强度的过程。 宏嫉员裤袍鄙幻滨蹦发筋枚兼沫蚤难枚酶厕笺匝亥雹溯岛晰敝率华员使虚光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20242828UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.2.1黑体辐射 -黑体辐射许多常见的光源如太阳和白炽灯都是相似的黑体模型。一个黑体能够吸收所有入射到它表面的电磁波，并基于温度的不同辐射出不同的电磁波。黑体一词的来源基于这样一个事实，就是如果物体辐射出的电磁波

33、不在可见光范围内，而照射到物体的所有电磁波又都被吸收了，那么它一定是不可见的、黑的。在黑体辐射中，对光伏研究者来说，可见光部分是大家更关心的地方。辐射自黑体的光照度由普朗克辐射定律给出，其方程如下： 式中式中 是光的波长，是光的波长，T T和和F F分别为黑体的温度和光照度，而分别为黑体的温度和光照度，而h h、c c和和k k都是常数。都是常数。骋咋谊雅蚕搭扑芳彬踪爸瞒违贮彤策涛障曹下聊诱罗宇盂惦罕我菠豁序慎光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20242929UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.2.1黑体辐射 -黑体辐射黑体辐射出的总功率强度可由所有

34、波长的光照度的积分得到： 和和T T分别为分别为斯特番斯特番波耳兹曼波耳兹曼(Stefan-Boltzmann) (Stefan-Boltzmann) 常数常数和黑体温度。另外一个很重要的黑体辐射参数是光照度最和黑体温度。另外一个很重要的黑体辐射参数是光照度最高处的波长高处的波长，换句话说就是此波长辐射出的能量最高。，换句话说就是此波长辐射出的能量最高。对光照度方程进行求导，导数为零处的波长就是上面说的对光照度方程进行求导，导数为零处的波长就是上面说的峰值波长峰值波长。这就是维恩定律，方程由下给出：。这就是维恩定律，方程由下给出： 其中其中p p是光照度峰值处的波长，是光照度峰值处的波长，T

35、T为黑体温度。为黑体温度。迟遭先颇畜图棋期乒庐捡系产铸练猿芍颇腐堪晒吟羡瓤扮蘑往卸锈阮轮兆光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20243030UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.2.1黑体辐射 -黑体辐射打开下面的动画便可看到黑体辐射的光谱、能量和峰值波长是如何随着黑体温度（2000到6000k之间）的改变而改变的： 上面的方程和动画显示，当黑体温度上面的方程和动画显示，当黑体温度升高时，光谱分配和光的能量也随之改升高时，光谱分配和光的能量也随之改变。比如温度接近室温时，黑体（如人变。比如温度接近室温时，黑体（如人类身体或关掉的灯泡）将会辐射出低功类身

36、体或关掉的灯泡）将会辐射出低功率的电磁波，能量主要分布在低于率的电磁波，能量主要分布在低于10m10m的波谱段，超出了人类眼睛的可的波谱段，超出了人类眼睛的可视范围。如果黑体温度被加热到视范围。如果黑体温度被加热到3000k3000k它将会变成红色，因为辐射光能量增强了，并且波谱也转向了可见它将会变成红色，因为辐射光能量增强了，并且波谱也转向了可见光领域。如果灯丝的温度上升到更高的光领域。如果灯丝的温度上升到更高的6000k6000k，辐射出的波长将集，辐射出的波长将集中在红色光和紫色光之间的可见光波段，并呈现白色。下面的图比中在红色光和紫色光之间的可见光波段，并呈现白色。下面的图比较了在三个

37、不同温度时黑体辐射的光照度。在室温下较了在三个不同温度时黑体辐射的光照度。在室温下300k300k的黑体的黑体潦川你骨驰份缩联翻箔肮坑腿沥禁抛妄矗烹汲夸宿撰野浅舍涎员舱京徊抄光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20243131UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.2.1黑体辐射 -黑体辐射（黑点连成的线）在可见光波段基本上没有能量辐射。红外光波段附近的辐射如下图显示。由于辐射能量的巨大差异以及能量所在的波长范围有很大的不同，下图更加清楚地显示了黑体辐射波谱（温度的函数）的变化。钟省侗狼壹忙最了睫邹条骡瘟蒲耪台技址仲额将邓羚郭喊渺枪谣锄鬼若泳光伏器件系统及

38、应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20243232UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.3.1太阳辐射太阳辐射 -太阳太阳太阳是一个充满气体的热球，其内部因太阳内核发生核聚变反应（氢转化成氦），温度超过20000000k。但因为接近太阳表面的氢原子层的强烈吸收，来自内核的辐射无法被看见。热量通过对流的方式被转移出这一氢原子层。太阳被叫做光球，其表面温度大概在6000K左右或者更精确点576250K，接近于一个黑体。通过功率强度乘于太阳的表面积可以计算得到太阳辐射的总功率，为 9.51025w 太阳辐射的总功率不只是由单一的波长构成的，而是由许多波长组成，因此在人眼中

39、呈现白色或黄色。使太阳光透过棱镜便可以看到这些不同波长的光了，或者透过水雾便可看见彩虹。不同波长的光呈现不同的颜色，但不是所有波长的光都能被看见因为有一些对人的眼睛来说是不可见的。低能量光子低能量光子高能量光子高能量光子太阳光太阳光玻璃三棱镜玻璃三棱镜乔歪猿苗茂节巍骸篡好出忙流盯玖杆癸樱罢宝随忌愿户朔听裳惯葬过蓖慨光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20243333UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.3&1.3.2.2太阳辐射 -太空中的太阳辐射在太空中与太阳有一定距离的物体，其吸收的太阳光只占太阳总辐射的一小部分。太阳光照度（Ho o 单单位位W/m

40、2W/m2）指的是照射到物体的）指的是照射到物体的太阳光的功率太阳光的功率强强度。在太阳的表面，度。在太阳的表面，辐辐射功率射功率强强度相当于度相当于6000k6000k黑黑体的体的辐辐射射强强度，其度，其总总的功率的功率强强度等于度等于这这个个值值乘于太阳表面乘于太阳表面积积。然而，。然而，在在远远离太阳表面的地方，太阳离太阳表面的地方，太阳总总的功率的功率强强度就被度就被扩扩散至大得多的表散至大得多的表面。因此，随着太空中的物体距离太阳越来越遥面。因此，随着太空中的物体距离太阳越来越遥远远，照射到其表面，照射到其表面的太阳光照度也越来越小。距离太阳的太阳光照度也越来越小。距离太阳为为D D

41、的的物体接收到的太阳光照度可以通过总的太阳功率物体接收到的太阳光照度可以通过总的太阳功率强度在物体所在球面的平均划分得到。太阳辐射强度在物体所在球面的平均划分得到。太阳辐射的总功率强度可由的总功率强度可由TT4 4乘于太阳的表面积乘于太阳的表面积（4R4R2 2）给出，其中给出，其中R R为太阳半径。当物体距离太阳为为太阳半径。当物体距离太阳为D D 时，太阳光照射在此处的球面面积为时，太阳光照射在此处的球面面积为 4D 4D2 2. . 因此，入射到物体的太阳光辐射强度因此，入射到物体的太阳光辐射强度蒸盔档籽浅肆千党嫂棘啥袖谴纯讥按桨茫衣胀拱朗阳柴纽菌逗你策谨脆褂光伏器件系统及应用光伏器件系

42、统及应用7/21/20247/21/20243434UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.3&1.3.2.2太阳辐射太阳辐射 -太空中的太阳辐射太空中的太阳辐射Ho（单位W/m2），为：式中式中H Hsunsun（单位（单位W/mW/m2 2）为太阳表面的功率强度，由斯特番）为太阳表面的功率强度，由斯特番波耳兹波耳兹曼曼(Stefan-Boltzmann) (Stefan-Boltzmann) 的黑体方程确定。的黑体方程确定。R R和和D D分别为太阳的半径分别为太阳的半径和与太阳的距离，单位都为和与太阳的距离，单位都为mm，如下图所示：，如下图所示：在距离为在距离为D D处，来自

43、太阳的同样多的能量扩散到面积大得多的区域，处，来自太阳的同样多的能量扩散到面积大得多的区域，太阳光的功率强度也随之减小了许多。太阳光的功率强度也随之减小了许多。吠浊偏胶叼彝心鱼倒细甩波赎执雹局则郝榆簧桐薪骏逾羡像誉勋厉想冬宫光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20243535UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.3&1.3.2.2太阳辐射太阳辐射 -太空中的太阳辐射太空中的太阳辐射行星 距离（x10x109 9mm）太阳光（W/m2）水星578908.0金星1082481.3地球1501286.3火星227561.7木球77847.8土星142614.2

44、天王星28683.5海王星44971.4冥王星58060.9 右边的表右边的表格给出了格给出了太阳系每太阳系每个行星的个行星的太阳光照太阳光照度的标准度的标准值值媒批匆醒桌刨鸿粟雍疗剐索隘拯蚁嘿厌些螟歉泄佑路肄贡郁损狱邵怔丘饰光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20243636UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.&1.3.33.3太阳辐射太阳辐射 -地球大气层外的太阳辐射地球大气层外的太阳辐射地球大气层外的太阳辐射强度可通过太阳表面的辐射功率强度（Hsun ，5.961x107 W/m2）、太阳半径（Rsun）和地球与太阳之间的距离D计算得到。其结果大

45、约为1.36 KW/m2.下图显示了计算地球表面太阳光照度时使用的几何常数：H H（W/mW/m2 2）是大气层外的辐射功率）是大气层外的辐射功率强度，强度，H Hconstantconstant是太阳光常数值，是太阳光常数值，1.353kw/m21.353kw/m2，n n为一年中的第几天。为一年中的第几天。 实际的功率强度会有轻微的变化，因实际的功率强度会有轻微的变化，因为地球以椭圆形轨道围绕太阳公转以及为地球以椭圆形轨道围绕太阳公转以及太阳的辐射功率也是一直在改变着的。太阳的辐射功率也是一直在改变着的。由椭圆形轨道引起的改变大概在由椭圆形轨道引起的改变大概在3.4%3.4%左右，一月份时

46、太阳光照度达到最大，左右，一月份时太阳光照度达到最大，最小时为七月份。描述这种变化的方程最小时为七月份。描述这种变化的方程如下如下橱沃肇贷吮驱森玛患袜扰浴叙买败墅瞧略眉誊谗敢辊较动驶除逾扮为捣芝光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20243737UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.&1.3.33.3太阳辐射太阳辐射 -地球大气层外的太阳辐射地球大气层外的太阳辐射 一般来说这些变化都是非常小的，对光伏应用来说，太阳光照度可看做是一个常数。这个常数的值及其光谱已经被定为标准值，叫作大气质量零辐射（air mass-zero radiation）,记作AM0

47、.此时辐射值为1.353KW/m2.（可参考&1.4太阳辐射大气质量）能慷琐箕谦揉纺熙命甜制亿拈腻炮念织摆默泄疫她境妮醉券奴搏伍迢空曼光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20243838UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.1.1地面太阳辐射地面太阳辐射 -地球表面的太阳辐射地球表面的太阳辐射 当入射到地球大气层的太阳辐射相对稳定时，影响地球表面辐射的主要因素是:大气效应，包括吸收和散射当地大气质量的不同，如水蒸气、云层和污染纬度位置不同一年中季节的不同和一天里时间的不同 上述的效应在几个方面影响了地球表面对太阳辐射的吸收。包括总的吸收能量和

48、光谱含量的变化，以及光射到地球表面的角度的变化。另外，还有关键的一点就是，在不同的地方其太阳辐射的易变性也会有很大差别。易变性即受云层和季节变化等地方因素影响，又受其它例如不同纬度白天的长短不同等因素影响。沙漠地区由于当地云层等大气现象比较稳定而拥有较低的易变性。入蹋井磕妒准梭咕后瓦奥火出焰丽壹峰孔梦火露砖磋吏牌裳许指捏帐嫁止光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20243939UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.1.1地面太阳辐射地面太阳辐射 -地球表面的太阳辐射地球表面的太阳辐射而在赤道地区，季节之间的变化也比较小。氢袋棉殃囚烽静炭您发郝

49、履苇弛硼蓬烘娜墒眶乞狰炔泳第樟满状圭该频规光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20244040UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.2.2地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气影响大气影响 大气效应在几个方面影响着地球表面的太阳辐射。在光伏应用领域其主要影响为：由大气吸收、散射和反射引起的太阳辐射能量的减少。由于大气对某些波长的较为强烈地吸收和散射而导致光谱含量的变化。分散的或间接的光谱组合被引入到太阳辐射中。当地大气层的变化引起入射光能量、光谱和方向的额外改变。 这些影响总结在下图中：矫嫩式帅凭缕烙沃硅瞒猿揪图肤梗祭瘸枪斯署则袭馁锈踪错慰旬撞用挫

50、言光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20244141UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.2.2地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气影响大气影响 典型的晴空时，典型的晴空时，大气对入射太阳大气对入射太阳光的吸收和散射。光的吸收和散射。撰隙障育蹿挨蓝挟孟迂韵墙臼何净同倍蹬兄蜗萎坍缄涕挎于愿尚磐蚁蛊阮光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20244242UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.2.2地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气影响大气影响大气层的吸收 当太阳光穿过大气层时，气体、灰尘和悬浮颗粒都将

51、吸收入射光子。特殊的气体包括臭氧（O3）、二氧化碳（CO2）和水蒸气（H2O）都能强烈地吸收能量与其分子键能相近的光子。这样的吸收将使得辐射光谱曲线深深地往下凹。举例说，多数波长大于2m的远红外光会被水蒸气和二氧化碳吸收。相似的，大多数波长小于0.3m的紫外光会被臭氧吸收（但还不足以完全防止晒伤！）。 然而，当这些大气中的特殊气体在改变地表太阳辐射的光谱含量的同时，并没有相应地明显减少辐射的总能量。取而代之的是空气分子和尘埃，它们通过对光的吸收和散射成为辐射能量减少的主要因素。这种吸收过程并不会产生光谱曲线的向下深凹，而是引起能量的减少（大小取决于穿过大气的路径长度）。当太阳芋安城槛颓谚仙自滔

52、耻楷搁禽伊谈郝朋菏斡她利倚吏酞没乡键羚史仁泣肝光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20244343UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.2.2地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气影响大气影响 处在头顶正上方的时候，大气分子引起的吸收会导致光谱中可见光领域一整片的减少，所以入射光呈现白色。然而，当路径变得越长，能量更高（波长更小）的光子能更有效地被吸收和散射。所以在早上和傍晚太阳会变得更红，强度也比中午低。 蓝色和红色曲线分别为蓝色和红色曲线分别为1.51.5和和0 0大气大气质量时的辐射强度，绿色曲线代表质量时的辐射强度，绿色曲线代表温度为温度为

53、6000k6000k黑体的辐射强度，彩黑体的辐射强度，彩色柱子代表可见光的波谱。箭头所色柱子代表可见光的波谱。箭头所指的位置代表被相应气体吸收的部指的位置代表被相应气体吸收的部分，黑色线显示了能引起人类眼睛分，黑色线显示了能引起人类眼睛感觉的辐射强度。感觉的辐射强度。锻滚队胁蝎甘广锯早疑眯痹卵斡辗了文靳薯怔仑粘锡柠遇撵撮稗拎螺位褐光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20244444UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.2.2地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气影响大气影响由于入射光的散射导致的径直的和分散的辐射 当光穿过大气层被吸收的同时也发生散

54、射。大气中光的散射机制之一就是人们熟知的瑞利散射，它由大气中的分子引起。瑞利散射对短波光（如蓝光）作用效果显著，因为瑞利散射的强度与波长四次方成反比 。除了瑞利散射之外，气溶胶和尘埃粒子也会是入射光产生散射。散射光的方向是杂乱无章的，所以它可以来自天空的任何地区。这种光也叫分散光。由于散射光主要是蓝光，所以除了太阳所处的区域外，来自天空所有区域的光都呈现蓝色。假如大气中没有散射的话，天空将变成黑色，而太阳则会变成一个圆盘状的光源。在天气晴朗的日子，入射光线中大概有10%会被散射。红光的波长红光的波长大于多数的大于多数的粒子线度，粒子线度，不会受影响。不会受影响。蓝光的波长与蓝光的波长与大气中粒

55、子线大气中粒子线度相当，所以度相当，所以被强烈散射被强烈散射 。 髓蓑厩鲍絮拄岂咸绊散疼烬踞狞窘凡寄摹驾峭仪暗鞋匙育甥筛咬菱绵莹蜗光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20244545UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.2.2地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气影响大气影响来自云层和其它大气层的地方差异的影响 大气对入射太阳光的最终影响来自大气层的地方差异。取决于覆盖云层的类型，入射光能量将会有不同程度的减少。下图是一个浓密云层的例子。右图分别显示了，在右图分别显示了，在墨尔本的冬天，晴天墨尔本的冬天，晴天和多云天气时光伏阵和多云天气时光伏阵列的

56、相对输出电流，列的相对输出电流，光伏阵列的倾斜角为光伏阵列的倾斜角为6060墨尔本，光伏阵列倾斜角度墨尔本，光伏阵列倾斜角度60相相对对输输出出电电流流晴朗晴朗冬天冬天多云冬天多云冬天剃撇疥睹副督泉饭蛆衬实屁攀瀑调顷市蘑坯公泄退吃晾姆雏茁研瓜术刚讣光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20244646UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.3.3地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气质量大气质量大气质量被定义为光穿过大气的路径长度，长度最短时的路径（即当太阳处在头顶正上方时）规定为“一个标准大气质量”。“大气质量”量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃

57、吸收后的衰减程度。大气质量由下式给出： 式中式中 表示太阳光线与垂直线的夹角，当太阳处在头顶时，大气表示太阳光线与垂直线的夹角，当太阳处在头顶时，大气质量为质量为1 1。 “ “大气质量大气质量” ”描绘描绘了太阳光到达地面前了太阳光到达地面前所需走过的路程与太所需走过的路程与太阳处在头顶处时的路阳处在头顶处时的路程的比例，也等于程的比例，也等于Y/X.Y/X.悄诗前锑帖魄陋坐锥出眼匣漱膝豪怨彼毅永吐牌氦腥碑泥渣镁慢悄临窟烂光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20244747UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.3.3地面太阳辐射地面太阳辐射

58、 -大气质量大气质量 估算大气质量的一个最简单的方法就是测量一个垂直立着的标杆的投影长度。如上图，大气质量等于斜边的长度除于标杆的高度如上图，大气质量等于斜边的长度除于标杆的高度h h，然后由勾股，然后由勾股定理便得到：定理便得到：标杆高度标杆高度h影子长度，影子长度，s不劲够尺匿渴剧赂州咆柳箱最囱迎最尊钟玻拥欠络眨锐圆涉达窄幂懊分蚊光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20244848UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.3.3地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气质量大气质量上述关于大气质量的计算是以假定大气层是一个平面层为前提的，但是由于实际上

59、大气层是弯曲的，当太阳接近于地平线时大气质量并不完全等于大气层的路径长度。在日出的时候，太阳的入射光线与垂直位置的夹角为90，则计算得大气质量为无限大，但显然光线路径并不是无限大的。下面的方程则考虑了地球的曲率：标准太阳光谱和太阳辐射标准太阳光谱和太阳辐射 太阳能电池的效率对入射光的能量和光谱含量都非常敏感。为了太阳能电池的效率对入射光的能量和光谱含量都非常敏感。为了方便不同时间和不同地点时太阳能电池的数据比较，人们定义了地方便不同时间和不同地点时太阳能电池的数据比较，人们定义了地球大气层外和地球表面的光谱和功率强度的标准值。球大气层外和地球表面的光谱和功率强度的标准值。脱峦西给涂俺陇宵焊倾梅

60、萎诛逼耙薄陋吧漂场走诅彦颂谣带枝有谓镍与盏光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20244949UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.3.3地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气质量大气质量 地球表面的标准光谱称为AM1.5G（G代表总的辐射，包括直接的和分散的辐射）或者AM1.5D（只包含直接的辐射）。AM1.5D的辐射强度近似于减少28%能量后的AM0光谱的光谱强度（18%被吸收，10%被散射）。总的光谱辐射强度要比直射的光谱强度高10%。从上面的计算可得AM1.5G的值近似为970W/m2。然而，由于整数计算比较方便以及入射太阳光存在固有的变化

61、，人们规范了标准的AM1.5G光谱值为1KW/m2。 地球大气层外的标准光谱称为AM0，因为光没有穿过任何大气。这个光谱通常被用来预测太空中太阳能电池的表现。 基于大气质量的强度计算 一天中，太阳光的直射分量强度可由大气质量确定，其方程为： 式中式中I ID D为垂直平面的太阳光线的功率强度，单位为垂直平面的太阳光线的功率强度，单位KW/mKW/m2 2。AMAM为大气质量。数值为大气质量。数值1.353KW/m1.353KW/m2 2为太阳常数，而数字为太阳常数，而数字0.70.7则源于入射到大气层中的辐射大概有则源于入射到大气层中的辐射大概有70%70%能能到达地球。到达地球。箕吐甭廓焚剃

62、国挤蹲批阔鼻瓜使僧挡详念翱裂散湍僵红赘渭狐斜志狄水陇光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20245050UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.3.3地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气质量大气质量 即使在天气晴朗的时候，散射辐射中仍然有大约10%的直接辐射含量。因此在天气晴朗的时候垂直入射到地表的太阳光的总辐射量为: 掠疤料桂盯计巨抄跪耗撅侦掷裔孵研其噪畴鞠兵捣势薪哈活咬瘦瘸毛稍筛光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20245151UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.4.4地面太阳辐射地面太阳

63、辐射 -太阳的运动太阳的运动 “太阳视运动”是由地球绕其轴自转引起的表面现象，它改变着射入地球的光线的直射分量角度。从地面的一个固定位置来看，太阳横跨整个天空运动。太阳的位置决定于地面上的点的坐标、一天中的时间和一年中的日期。下图将展示这种太阳视运动：缝艳位彩年旧酸抵耪鲁取上惫敷几椅霍柴漂霹振缉潭主谗千乘时妨认窗蹈光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20245252UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.4.4地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的运动太阳的运动 太阳视运动在很大程度上影响着太阳能收集器件获得的能量。当太阳光垂直入射到吸收平面时，在

64、平面上的功率强度等于入射光的功率强度。然而，当太阳光与吸收平面的角度改变时，其表面的功率强度就会减小。当平面与太阳光平行时，功率强度基本上变为零。对于0度和90度之间的角，它们相对的功率强度为最大值乘于cos（），其中为太阳光与器件平面之间的夹角。 点击右边的动点击右边的动画，观测吸收平面画，观测吸收平面与入射光的夹角的与入射光的夹角的改变所产生的影响改变所产生的影响。则鹅苫澳把烘擞雾脊信孰匡跪说匹验挺佛朝魂源沧扶幂脐凤界谦镁畦顷宣光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20245353UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.4.4地面太阳辐射地面

65、太阳辐射 -太阳的运动太阳的运动 地球上某固定点与太阳的夹角决定于其所处的位置（地点所在的经度）、一年中的日期和一天中的时间。另外，太阳升起和落下的时刻决定于位置所在的经度。因此，刻画地球上某固定地点的太阳高度角需要纬度、经度、一年中的日期和一天中的时间。这些内容将在下面讨论。饰败进童驻峦晚煽骏书摇笼莽捐茄翻开糟玉惠饱医猾苦史吭单催菠祷泣扑光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20245454UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.5.5地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的偏向角太阳的偏向角 偏向角，用符号表示，由于地球绕其轴的自转和绕太阳的公转而

66、存在季节性的变化。如果地球没有相对转轴倾斜，那么偏向角将一直为0。然而地球相对于公转平面是倾斜了23.45的，偏向角的大小就在23.45之间变化。只有在春分日和秋分日的时候偏向角才会等于0。下面的动画描述了地球绕太阳公转以及偏向角的改变： 太阳偏向角就是指赤道平面与地球中心点太阳偏向角就是指赤道平面与地球中心点- -太阳中心点的连线的太阳中心点的连线的夹角。太阳偏向角的季节性变化如下所示；夹角。太阳偏向角的季节性变化如下所示；点击点击依耻峪烈巍添惮棠酸沉弟傲追蜀挞波闷蛮辨湘旭犀技镍介求业嫉芥奢蛔墟光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20245555UNSWUNSW新

67、南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.5.5地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的偏向角太阳的偏向角 右边视频显示了倾斜角在北半球右边视频显示了倾斜角在北半球的夏至日（或南半球的冬至）和北半的夏至日（或南半球的冬至）和北半球的冬至日（南半球的夏至）之间是球的冬至日（南半球的夏至）之间是如何变化的。如何变化的。 尽管事实上是地球绕着太阳转的，但是如果把它想象成是太阳尽管事实上是地球绕着太阳转的，但是如果把它想象成是太阳绕着地球转的，将会变得更容易理解一些。这需要一定的坐标转换，绕着地球转的，将会变得更容易理解一些。这需要一定的坐标转换，在这个代替的坐标系统里，太阳是绕着地球转的。偏向角的角度可

68、在这个代替的坐标系统里，太阳是绕着地球转的。偏向角的角度可以由下面的方程算出：以由下面的方程算出：蛰界书晋月呕洋扳弯您敛腹扯燃抄露拨粪骤赫累盅摔克铁哉柴肩璃适鼎谊光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20245656UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.5.5地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的偏向角太阳的偏向角 式中d为观测偏向角时所在的一年中的天数。 在二分日（3月22日春分日和9月22日秋分日）时偏向角为0，在北半球夏天时角度为正，北半球冬天时为负。在夏至日6月22日偏向角达到最大值23.45（北半球夏至日）而在12月22日达到最小值-23

69、.45（北半球冬至日）。跃龟寺忘蔓澎羔匹耶飘铬冻蜕辊搭柯纬让匈蚊给畅叫喷嫩洽勉啤担焙达臆光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20245757UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.6.6地面太阳辐射地面太阳辐射 -仰角与方位角仰角与方位角 仰角指的是天空中太阳相对于地平面的高度角。日出的时候高度角为0，太阳处在头顶时高度角为90（比如在赤道地区，春分日和秋分日的时候就会出现这种情况）。天顶角与高度角相似，但是相对于地平面的垂直线而不是地平面来说的，因此可以计算天顶角=90-高度角。 太阳高度角在一天中不断变化。其大小还决定于观测位太阳高度角在一

70、天中不断变化。其大小还决定于观测位置的纬度和所在一年中的天数。置的纬度和所在一年中的天数。瓢雹吵构看占楔曳油课鼓姚少龟葡古蔡虐乱式靠珊瞎抚峨巨僚坎积疚炙缩光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20245858UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.6.6地面太阳辐射地面太阳辐射 -仰角与方位角仰角与方位角 在设计光伏系统时，一个重要的参数在设计光伏系统时，一个重要的参数是最大太阳高度角，即一年中太阳在天是最大太阳高度角，即一年中太阳在天空的高度达到最大时的角度。最大高度空的高度达到最大时的角度。最大高度角出现在正午时分，大小取决于所在的角出现在正

71、午时分，大小取决于所在的纬度和偏向角。计算正午太阳高度角的纬度和偏向角。计算正午太阳高度角的公式如下：公式如下： =90+ =90+ 式中式中为观测位置所处的纬度，在南半球它的符号是负的而在北半球的时候符为观测位置所处的纬度，在南半球它的符号是负的而在北半球的时候符号为正。号为正。 为偏向角，大小取决于所在一年中的天数。为偏向角，大小取决于所在一年中的天数。 夏至日，在北回归线处，太阳在头顶正上方，其高度角为夏至日，在北回归线处，太阳在头顶正上方，其高度角为9090。在夏天，在赤。在夏天，在赤道与北回归线之间观测的正午太阳高度角是大于道与北回归线之间观测的正午太阳高度角是大于9090的。这意味

72、着阳光是来自北的。这意味着阳光是来自北方的天空而不是南方的天空。相似的，在一年中的某个时期，在赤道和南回归线方的天空而不是南方的天空。相似的，在一年中的某个时期，在赤道和南回归线之间，太阳光是来自南方之间，太阳光是来自南方钟估陪蚊些橱钨号堪辱簇锗擦蚁恫靳慑几彬奶薄蚜煌菱听稠养吓钦捍押岗光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20245959UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.6.6地面太阳辐射地面太阳辐射 -仰角与方位角仰角与方位角 而不是北方。 最大太阳高度角被应用到非常简单的光伏系统设计中，然而更精确的光伏系统仿真则需要知道高度角在一天中是

73、如何变化的这些知识。关于这方面的方程和公式将在下面几页中介绍。 方位角方位角 方位角就是罗盘方向与阳光入射方向的夹角。在正午时分，北半球地区的太阳总是从南方射入，南半球地区则从北方射入。如下面的动画所示，一天中方位角是不断变化的。在赤道地区，春秋分日的时候太阳直接从升起在西方落下，不管所处的纬度是多少，日委虎虎狙莎同唾矩园习逞粹主释染设隙钳啡泪勺多忿升粪监忙鸥必材爵钥光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20246060UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.6.6地面太阳辐射地面太阳辐射 -仰角与方位角仰角与方位角 出时的方位角都为90而日落时

74、为270。尽管如此，总的来说方位角还是随着纬度和一年中日期的改变而改变的。计算一天里太阳位置的完整方程将在下一页给出。狞叫钡牢惟叛缴媒亨圾苞哄炭簇荆芥署兜辑蛀喉郧摹在宠瘁叁贾腾锈错靛光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20246161UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.7.7地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位 正午时分的太阳方位角和太阳高度角是摆放太阳能电池板时所使用到的两个重要角度参数。然而，如果想要计算一整天的太阳位置，就必须计算一整天的太阳高度角和方位角。这些角度将使用“太阳时间”来计算。按传统的计时方式，地球被分成不同

75、的时区。然而，在这些时区里，正午时分并不一定就是太阳处在最高处的时候。类似的，日出时段也被描述为时区里的某个地区段的太阳正在升起。然而，由于一个时区横跨了一定长度的距离，当太阳刚刚照耀这个时区的某个地方的地平线时，此刻的时间有可能与定义的日出时间（或官方承认的日出时间）完全不同。而这种规定也是必要的，否则出现一街之隔的两座房子的时间会相差几秒的现象。从另一方面来说，不同经度的太阳时间是不同的。因此，如果要得到太阳的位置，必须先计算当地的太阳时间然后再计算太阳高度角和方位角。坞蚁汉篆叹食瘪糕佬觅蛰颠抛拟礁宜瞬射肚筋嘻只浆篷阔悔接蝎食轴位刑光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/

76、21/20246262UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.7.7地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位 当地太阳时间（当地太阳时间（LST）和当地时间）和当地时间(LT) 当地太阳时间（LST）中午12时是指太阳升到最高处的时刻。由于地球轨道的偏心率和人类对时区和夏令时的调整，当地时间(LT)一般不等于当地太阳时间。 当地标准时间子午线（当地标准时间子午线（LSTM） 当地标准时间子午线（LSTM）是特定时区所采用的基准子午线，它类似于格林尼治时间使用的本初子午线。碌酿赶拧哆宣蜀角陛欢址疮恳阐凛参缎蝎柔述苹赁甜岭艺涩自玫陈锣磷蒲光伏器件系统及应用光伏器件系统

77、及应用7/21/20247/21/20246363UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.7.7地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位LSTM(LSTM(当地标准时间子午线当地标准时间子午线) )被使用在当地时区。这里被使用在当地时区。这里显示的显示的LSTMLSTM跨越了巴西和跨越了巴西和格陵兰岛的部分地区格陵兰岛的部分地区. .格林威治时间所格林威治时间所使用的本初子午使用的本初子午线（经度线（经度=0=0） 通过下列方程可计算通过下列方程可计算LSTM:LSTM: LSTM=15 LSTM=15 T TGMTGMT 式中式中TTGMTGMT表示当地时间与格

78、林威治时间的差（一小时为表示当地时间与格林威治时间的差（一小时为单位）。单位）。壤邪钡新酌梳咸猎澈呆傍淖百案裹谬跳泵焙屋位蒂造累增钳眠泥讯渡吩担光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20246464UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.7.7地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位 时间方程（时间方程（EOT） 时间方程（以分为单位）是纠正了地球公转的偏心率和地球的轴向倾斜之后的经验方程。 EOT=9.87sin(2B) 7.53cos(B) 1.5sin(B) 其中B=360（d-81）/365 ，单位为。d为从一年的第一天开始数起的

79、天数。下图描绘了时间纠正方程。 脏烛困捻奶靛絮蚀菲娇坷摩烂彭纯脸丢谈颜葛筷伞年银曲弘胳芍鄂娄赔吮光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20246565UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.7.7地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位 时间纠正因子时间纠正因子 时间纠正因子（以分为单位）解释了在一个给定的时区内，当地太阳时间因时区内经度的变化而变化的现象，其方程也同时包含时间方程。 TimeCorrection=4（LSTM-经度）+EoT 方程里的4分钟源自地球自转一度的时间是4分钟的事实。 当地太阳时间当地太阳时间 当地太阳时间（L

80、ST）可以通过使用前两个矫正因子来调整当地时间（LT）得到. LST=LT+TC谤倾钙聚废再讼泡觅拱草桌颅躇串尖惩自赴捅擒蠕鹰舆卷气乱茨侄恭既磨光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20246666UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.7.7地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位 时角（时角（HRA） 时角把当地太阳时间（LST）转换成太阳在天空运动的度数的数值。按照定义，正午时分的时角为0。因为地球每转15的时间为一个小时，所以，与正午时分间隔一个小时就相当于太阳在太空转过了15角。在上午时角的符号是负的，下午是正的。 HRA=15

81、（LST-12） 倾斜角倾斜角 在前面已经给出了倾斜角的公式： 其中其中d d为从一年第一天开始数起的天数。为从一年第一天开始数起的天数。范拇您量姚巧惫虑谷萍悄怪沮三赃野凑呸培肚糠踩锗解物氧叶马柞仰剿来光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20246767UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.7.7地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位 高度角高度角 高度角可由下面的方程得到： 高度角=sin-1sin()sin()+cos()cos()cos（HRA） 天顶角为太阳与垂直线之间的夹角。 天顶角=90-高度角高度角高度角天顶角天顶角非

82、嘉晚抑函岳柬柔壶龚邀剪充守迅厨疡敢抉柱止赦辑牟及善箍痉橙竣逗廷光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20246868UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.7.7地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位 方位角方位角 方位角就像罗盘一样，正北方向为0，正南方向为180。也有人使用稍微不同的定义（正南方向为0）。 方位角可由上面的参数计算得到方位角可由上面的参数计算得到昌奶签饺只粗价躯竿哼揉诵谬柳满镶袍瓤丧嵌汛六胳酝咽嗅哀颗箕鬃逝帧光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20246969UNSWUNSW新南威尔士大学

83、新南威尔士大学&1.4&1.4.7.7地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位 日出和日落日出和日落 日出与日落的时间可以分别通过下面式子得到： 一整天的太阳位置一整天的太阳位置一整天的太阳位置一整天的太阳位置 关于一整年中地球上任何位置的任何时间的太阳高度角和方位关于一整年中地球上任何位置的任何时间的太阳高度角和方位角的计算方法将在下页给出。角的计算方法将在下页给出。那便追奖鹰亚硅秽产尝订颂付避颤剖故领蔚秘窜宣哈队探沏贱胰套瞄糕歹光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20247070UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.8.8地面太阳

84、辐射地面太阳辐射 -在倾斜表面上的太阳辐射在倾斜表面上的太阳辐射 入射到光伏组件上的能量不仅取决于太阳光所包含的能量，还受到组件与太阳光的夹角的大小的影响。当吸收表面与太阳光互相垂直时，组件表面的功率强度便等于太阳光的功率强度（换句话说，当光伏组件与太阳光垂直时，其表面的功率强度达到最大值）。然而，由于太阳光与固定组件表面的夹角是不断改变的，固定光伏组件的功率强度也总是小于入射光的强度。 入射到倾斜光伏组件的太阳辐射就是入射太阳光中垂直组件表面的辐射成分。下面的图画展示了，当给出地平面上的辐射强度（Shorizon）或垂直太阳光的平面的辐射强度（Sincident）时，如何计算入射到固定组件平

85、面的辐射强度（Smodule）。门峨酵责孪砸诲付残早礼导恰巢弯壳啮民新付裤轨崩叠竟虽下泌贵妇垮磋光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20247171UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.8.8地面太阳辐射地面太阳辐射 -在倾斜表面上的太阳辐射在倾斜表面上的太阳辐射组件与入射光的角组件与入射光的角度发生倾斜会减小度发生倾斜会减小光伏组件的电流输光伏组件的电流输出。出。S Sincidentincident、s smodulemodule、S Shorizontalhorizontal之间的关系方程如下所示：之间的关系方程如下所示： 式中式中为高

86、度角。为高度角。 为组件平面相对于地平面的倾斜角。高度角的为组件平面相对于地平面的倾斜角。高度角的公式已由前面给出：公式已由前面给出：=90=90+- +- 。 和和分别代表纬度和太分别代表纬度和太阳偏向角，其公式也已在前面写出阳偏向角，其公式也已在前面写出水平面水平面太阳辐太阳辐射射葱懊姑冷会句衫焊药型斑砂硫腮掉堰峭擞疥威尹扩卒昨塞陆赞吞绎漳翁破光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20247272UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.4&1.4.8.8地面太阳辐射地面太阳辐射 -在倾斜表面上的太阳辐射在倾斜表面上的太阳辐射 由上面的方程可得出Smodu

87、le与Shorizontal的关系： 倾斜角度对入射到平面的太阳辐射有重要的影响。对于角度固定倾斜角度对入射到平面的太阳辐射有重要的影响。对于角度固定的光伏组件平面来说，当倾斜角度等于当地的纬度时，它一整年获的光伏组件平面来说，当倾斜角度等于当地的纬度时，它一整年获得的能量将达到最大。然而，对于漫长的冬天来说，陡峭的倾斜角得的能量将达到最大。然而，对于漫长的冬天来说，陡峭的倾斜角是更优的选择，相反的，平坦的倾斜角在夏天能获得更多的光线。是更优的选择，相反的，平坦的倾斜角在夏天能获得更多的光线。 当组件平面的角度为当组件平面的角度为00时，组件获得的能量与地平面能量是相等时，组件获得的能量与地平

88、面能量是相等的，因为此时组件是平躺在地面上的。当平面角度达到的，因为此时组件是平躺在地面上的。当平面角度达到8080时，组时，组件几乎是垂直放置的。此时组件能量小于入射光能量，除非组件平件几乎是垂直放置的。此时组件能量小于入射光能量，除非组件平面垂直于太阳光线，它们的值才相等。组件平面是朝向赤道的，所面垂直于太阳光线，它们的值才相等。组件平面是朝向赤道的，所以在南半球的时候它是面向北方的，而在北半球则面向南方。以在南半球的时候它是面向北方的，而在北半球则面向南方。裔弹射渊绢去乖多逾急劣硒投氏衣古愧菇蕊忽泵炸贬缚矢魔蹬志沾廊踩哈光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20

89、247373UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.1.1太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐射测量太阳辐射测量 对于光伏系统设计来说，知道当地在不同时间的可利用辐射量是很有必要的。两个描述太阳辐射特征的常用方法是太阳辐射（或辐射）和日照。太阳辐射是一个瞬时的功率强度，以KW/m2为单位。一天中，太阳辐射的大小从晚上的0KW/m2到最大值约1KW/m2之间不断变化。太阳辐射主要取决于观测的位置和当地的天气。太阳辐射的测量由周期性全天测量的总辐射或直射分量组成。测量工具为日射强度计（测量总辐射量）或太阳热量计（测量直射分量）。在设施比较完善的地区，已经收集了超过20年的这类数

90、据。 另一个测量太阳辐射的方法是使用日照计，此方法精确率较低但是成本也相对较低。这种日照计（也叫坎贝尔斯托克斯日照计）能测量出一天中光线强度超过某一个水平（通常为200mW/cm2）的小时数.通过使测量出来的小时数与基于数学公式和几个纠正因子计算出来的小时数相比较，便可以得出日照度了。嵌啥简播燎掸轻豫袄奄冶埂谗壳鲤役碟秒饼半诽慑乎谈寄冷擒等踪放棉勺光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20247474UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.1.1地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳辐射测量太阳辐射测量 尽管太阳辐射是最常被测量的数据，但是在光伏系统设

91、计中更常使用的数据还是日照度。日照度是指特定时间内单位面积区域所接收到得总的太阳辐射量，通常以KWhr/（m2 day）为单位。虽然日照度的单位与太阳辐射的单位都是功率强度（因为日照度中的分子小时hr与分母day同是时间单位），但是日照度与太阳辐射还是很大不同的，日照度是在给定时间段里的平均太阳辐射强度。日照度常常使用在简单的光伏系统设计中，而太阳辐射则在更为复杂的需要计算一天中每一时刻的情况的光伏系统中使用。日照度还可以用单位MJ/m2 year 来表示。 特定位置的太阳辐射强度可以通过以下几种方式表示：菩蛰藩驻激榔叛童腑搐廉毙楔星熊加学剁吱渤棵吭哥油樱仿咆等律勋蛔光光伏器件系统及应用光伏器

92、件系统及应用7/21/20247/21/20247575UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.1.1地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳辐射测量太阳辐射测量 平均每天、每月或每年的日照度平均每天、每月或每年的日照度 一个月、一个季节或一整年的全球等辐射线一个月、一个季节或一整年的全球等辐射线 日照时数日照时数 基于卫星云层覆盖数据的日照度基于卫星云层覆盖数据的日照度 太阳辐射的计算太阳辐射的计算腕铺浸翻馋狮拖沪房抨六椎甄挥郭噪碘辛啡掉薛惠榨庶甸渣菜闺永抛踢蝇光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20247676UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔

93、士大学&1.5&1.5.2.2太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐照度的数据分析太阳辐照度的数据分析 最精确的太阳辐射数据是通过高温计测量获得的，高温计固定在一个位置几年，通常大约十年或者更久，每隔几分钟就测量一次直接辐射。然而，对于光伏系统设计来说，用这种技术产生的数据量并不足以提供当地的全部信息。取而代之的，是这些数据可以以其它的几种形式展现。 在概念上最简单的方法就是算出测量期间的数据平均数。这种数据形式叫平均每天、每月或每年辐射量。尽管这种数据对基本的系统设计有用，却损失了太阳辐射的逐日变化。这种逐日变化的损失是非常严重的，因为（例如）每天辐射都是5KWhr/day的系统的设计和性能与那

94、种有几天是8KWhr/day然后接着几天是2KWhr/day的系统是有很大不同的。 典型气象年与每典型气象年与每年的平均的太阳辐年的平均的太阳辐射数据的比较。射数据的比较。典型气象年典型气象年平均辐射数据平均辐射数据膀芝锁娱奋张柿减尘刻傍袜拢吗诱钒栋骚驰坏盈先鸟涤避门喝川岛寝楼榆光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20247777UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.2.2太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐照度的数据分析太阳辐照度的数据分析 描述太阳辐射最常用的方式是典型气象年（TMY），或者是由美国国家可再生能源实验室所使用的TMY2。TM

95、Y包含有每天数据的变化。TMY数据将在下页详细介绍。然而，平均太阳辐射数据，特别是一年中每个月的的平均数据在粗略估计太阳能电池板安装数量是也是被广泛使用的。 另外一个尽管较少见到但是非常有用的的数据是连续几天出现阴天的概率，它可由全年辐射数据得到的，在这里，阴天被定义为地面实际接收到的光线要少于理论光线接收值的50%的日子。例如，某个地区连续4天出现阴天的概率为一年一次，连续5天出现阴天的概率5年一次。这些信息在估算足够的必备条件的储存时是非常有用的。然而，一般了来说这些信息是比较少考虑到的，如果需要使用，必须通过原始的数据集得到。陵赶潭刑北球毒顿喻泄搽隅舱疹臂惋寒揍奢徐绚惊逊枕逮卧观寝油涟积

96、疗光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20247878UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.3.3太阳辐射数据太阳辐射数据 -典型气象年数据（典型气象年数据（TMY） 描述当地天文气候时最常用的数据就是叫做典型气象年的数据（TMY）。要测定TMY数据，必须获得几年中每隔一小时测量的气象变化结果，然后制成一副当地气候的变化图表。单单每年数据的平均数还不能很好的看清气象的变化，所以人们选择月平均数以最大程度代表当地情况。整个月以及整个测量周期的其它月平均辐射值被测算出来。如果有一年的各月的平均辐射值最接近于整个测量周期的月平均值，那么这一年就被选

97、为典型气象年（TMY），而这一年的每月气象数据也被叫做TMY数据。然后，这个过程在一年中的每个月都重复进行。 现实中没有严格标准的TMY数据所以使用者必须适当调整数据以符合应用。处理样本周期时必须相当谨慎。下面将以澳大利亚墨尔本一月一号的原始TMY数据文件为例： 伶恰绞指逮立岭灶森踏页寝凭询皋酿塞湿慎棉毖练氛龚期暖号哦爹立褥彼光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20247979UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.3.3太阳辐射数据太阳辐射数据 -典型气象年数据（典型气象年数据（TMY）日小时总的辐照度X100mj/h/m2直射辐照度X100

98、mj/h/m2温度x10C风速x10m/s湿球温度x10C风向云量月1100130099007112001271098040113001187940401140010939004111500100086001116331061173961411171102601337106140118186311150101151401米劳淀枫搔傲温垄宠琴疵堑朗肘锰驳慢乌电骤令拇境码萌责甘将安册彝覆光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20248080UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5太阳辐射数据太阳辐射数据 -典型气象年数据（典型气象年数据（TMY）192

99、57342183713314011103173512173151140111135635325001670001112381357272141661201113387362293271651201114365359315411641201115324255314431641301116267348314451631301117198336313461621401半娱秋依酗都夷训职抚诺埃兽塞撕愈染纷尖忿抛蹦护观斤题寒呻像殆个梢光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20248181UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.3.3太阳辐射数据太阳辐射数据

100、 -典型气象年数据（典型气象年数据（TMY）11812012730738162140111944147300291601501120212294211591501121002742615415011220025331148160112300233361431601124002353614216011 1盏嗽泛曰衷您粉哇例锐拼送是咸枪凛招力俱璃丈弯肉劝聪欧魂皱糯议蒙蹄光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20248282UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.3.3太阳辐射数据太阳辐射数据 -典型气象年数据（典型气象年数据（TMY） TMY数据在气

101、象应用领域被广泛使用，但是也有大量的数据与光伏应用是不相干的。在给出的参数中，通常只有时间和光照度才被用到。然而，更先进的模型还用到了温度和风速。 上面表格中各个参数的意义为：月指的是一年中的月份日为一个月内的第几天。不是所有月份的天数都相等。小时指的是一天24小时的第几小时，所以可以看出上面的表格包含了一整天的数据。数值一般为一个小时内的平均值，这里的一个小时由一个整时的前半小时和后半小时组成。因此上表的第一行的一个小时是指12：30am到1：30am。总的辐照度是指在一个小时里入射到水平面的能量值。要把上面的单位X100mj/hr/m2转化成光伏用的单位KW/m2，只需除于大斑丰衡旁宅蔓妖

102、宪鲸坛桨配女燕切停擎塌灼癸随茵褐觉嘴槽左硼堤冬因光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20248383UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.3.3太阳辐射数据太阳辐射数据 -典型气象年数据（典型气象年数据（TMY） 360。最大的光照度出现在正午，到了晚上大小将降为o。直射辐照度为直接垂直入射到组件平面上的太阳光线的辐照度，它不包括分散光线。跟踪式聚集太阳能电池只面向直射光线的入射方向。温度和风速都是一个小时里的平均值。注意表格里的数值都是x10倍之后得出的。湿球温度是指被湿纱布包裹着的温度计所显示的温度。根据干燥程度和潮湿程度的不同，湿球温度

103、有别于干球温度。这个数据通常不在光伏系统中应用。风向表示了风来自哪个方向，北用00表示，东用04表示。同样，这个数据也不应用在光伏系统中。云量是指天空中云层覆盖的比例，一般使用目测。它总共有9秩克精火声音内尖蔓哮随莲边革幸邯诸仙马犯黔腑潍柳派安进返坠棱酝矮光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20248484UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.3.3太阳辐射数据太阳辐射数据 -典型气象年数据（典型气象年数据（TMY） 个层次，即0代表没有云，8代表覆盖满了云层。但同样，光伏系统中不使用到它。 另一个在光伏应用中经常用到的参数就是分散辐射量。入

104、射到地平面上的漫辐射量（Dh）可以通过总的辐射量（Gh）、直接辐射量（It）和高度角（el）之间的方程获得： Dh=Gh-Itsin（el） 漫辐射并不是均匀的遍布天空的。举例说，环绕太阳周围的区域比天空中的其他区域要明亮得多。一个普遍使用的计算模型是佩雷斯模型，模型把天空分成围绕太阳部分、地平圈部分和天空的其它部分。通过调整使得这些区域的大小和这些区域的辐射强度接近于测量得到的辐射模型。淑脏畜馆我秸偶谨够慌农危芍帘肯浆椽垄风催仿理芹蒜障萝奋亲棒备璃够光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20248585UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.4

105、.4太阳辐射数据太阳辐射数据 -月平均太阳辐射月平均太阳辐射 尽管典型气象年（TMY）数据被常常用在光伏系统仿真中，然而对于基本的系统分析来说，拥有当地特定月份的每天平均辐射量数据就足够了。这些数据有可能测量自地平面也有可能测量自与太阳光垂直的平面（相当于跟踪式太阳能系统）。无论是那种情况，都需要加入一个关于组件平面的倾斜角的条件，才能算出光伏组件能够利用的太阳辐射的量。先右击图片，然后移动鼠标到地图上的红点处便可以看到不同地区的日平均辐射值。这些值为地平面的辐射值。返辽牙拖钝繁所粒渝滚便瘴捏敖恬腑喘赡贩邑嘻抡燎驭隆句欣刮胡扎绞暇光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/

106、20248686UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.4.4太阳辐射数据太阳辐射数据 -月平均太阳辐射月平均太阳辐射 峰值太阳时峰值太阳时峰值太阳时峰值太阳时 日平均日照度（单位为KWhr/m2 day）有时也被叫做峰值太阳时。峰值太阳时一词源于日照度的值相当于当地太阳以峰值射入几小时所获得得能量。因为辐射的峰值时1KW/m2，所以峰值太阳时在数值上等于日平均日照度。例如，某个地区每天接收的太阳辐射为8KWhr/m2每天，可以看成每天接收了8个小时的1KW/m2太阳辐射。峰值太阳时是非常有用的，因为光伏电池的额定辐射输入通常为1KW/m2.曲线包围的面积曲线包围的面积太

107、阳日照度太阳日照度两曲线包围的面积必须相等两曲线包围的面积必须相等困苍鸡艳逸锭古搏柞雁男缄赢吹谨壕樊德韭纹垛冶繁贵皂帜千婿位拾折靳光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20248787UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.5.5太阳辐射数据太阳辐射数据-等辐照线等辐照线 全球太阳辐射的测量结果可以进行统一编绘以描述全世界的日照度。但由于这些图缺乏更详细的信息，所以它们对光伏系统设计并不实用。匡营光污匪彭虱倾苑佳蒸同椒千俗掠决侠画纱擦樊宁很塌恒柬滋磋巍翅遮光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20248888UNSWUN

108、SW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.5.5太阳辐射数据太阳辐射数据-等辐照线等辐照线 这四幅图显示了这四幅图显示了一年中每个季节的一年中每个季节的日照度的全球等值日照度的全球等值线，单位为线，单位为MJ/mMJ/m2 2。此辐照度测自地平此辐照度测自地平面。面。注伶焦狸全沦套锹做跨界怪越褂扣疵乐敌蒲簧盘巢脚弦镀碍急环向肖斌例光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20248989UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.6.6太阳辐射数据太阳辐射数据 -日照小时数据日照小时数据 虽然实时测量的太阳辐射结果提供了最精确的太阳辐射信息，但是

109、要获得这些测量结果并不容易。一种更简单的方法是测量日照时间，它使用卡片系统让太阳光聚焦在一张记录卡片上。当阳光的功率强度大于200W/m2时卡片上将记录下一个记号。日照时数被定为太阳照射的总的小时数。通过把日照时数与当地的气象条件相结合得到的数据可以估算出每月可利用的平均太阳辐射，可根据下面公式算得： H=H0（a + bn/N） a和b都是由纬度位置和当地气候条件所决定的。H0为天气晴朗时当地平均每月获得的太阳辐射（可以通过计算得到）。N为测量得到的日照小时数。N代表计算得到得小时数，计算方法在日照度的计算一节中有显示。癌翻俩贤竖蛤圣敢拟奎赛卜祸歪斯窟搏犯篙厂仍铝智擎始睦蒙郡冰岩精先光伏器件

110、系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20249090UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.6.6太阳辐射数据太阳辐射数据 -日照小时数据日照小时数据 常数a的数值在0.25上下变动，有些地方的数值低于0.2而有些地方则达到0.4。常数b的值则在0.4到0.6这个范围内变动。对于澳大利亚，由澳大利亚电信公司研究的结果表明数值a=0.24及b=0.48的精确度高于90%。 圃杏饮津染喀匿霍件鼻艇钝童构兄滔韦锨钎俞州筒部慕竖该趁讼坎秀艇玻光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20249191UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士

111、大学&1.5&1.5.7.7太阳辐射数据太阳辐射数据 -云层覆盖数据云层覆盖数据 另外一个重要的太阳辐射数据来源是从卫星图像上测得的太阳辐射。这些图像提供了特定地区的云层覆盖水平的信息。云层覆盖水平的相关信息可以用来估算当地日照度。尽管这种云层覆盖数据为测算更广泛的辐射提供了重要信息，但是，目前它在特定地区的详细的系统设计中还没有被普遍使用。下面的基于云层覆盖数据的等辐照图是承蒙Solarex公司提供的。地图上的数据单位为KWh/m2/day，表示在最优倾斜角时的最小值。如果要变大各大洲的地图，可以用鼠标在上面点击。囚煌镇缓戳联烬魄慎邱玖榔窘鼻拱挣倾潜饱快束瑰兆镀绕愁么矢迈窜阳柄光伏器件系统及

112、应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20249292UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&1.5&1.5.7.7太阳辐射数据太阳辐射数据 -云层覆盖数据云层覆盖数据吭能琅控抨肥瘁玛弟巷抄滥崩汰甄株蛹侥惨椎跋烩岸店量么创液诞千烁呻光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20249393UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学第二章：半导体与第二章：半导体与PN结结 &2.1&2.1简介简介 &2.2&2.2基本原理基本原理 &2.3&2.3载流子的产生载流子的产生 &2.4&2.4载流子的复合载流子的复合 &2.5&2.5载流子的运动载流子的运动

113、 &2.6&2.6 PN结结腥旗京腾稍胸唁卷拂腾鸿梳力棍狰砰严淤柿览润钦亢狼祥予扭纽万考鸯殊光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20249494UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.1&2.1简介简介 一直以来，太阳能电池与其它的电子器件都被紧密地联系在一起。接下来的几节将讲述半导体材料的基本问题和物理原理，这些都是光伏器件的核心知识。这些物理原理可以用来解释 PN结的运作机制。PN结不仅是太阳能电池的核心基础，还是绝大多数其它电子器件如激光和二极管的重要基础。 右图是一个硅锭，由右图是一个硅锭，由一个大的单晶硅组成，一个大的单晶硅组成，这样一个硅锭可以

114、被切这样一个硅锭可以被切割成薄片然后被制成不割成薄片然后被制成不同半导体器件，包括太同半导体器件，包括太阳能电池和电脑芯片。阳能电池和电脑芯片。唉吐谚叼妹芭番集娠当碴鬼诸异汁碾阁瓶脓疲龋喊爱盂频省讼傻续浚粤用光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20249595UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.2.1&2.2.1基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 半导体是由许多单原子组成的，它们以有规律的周期性的结构键合在一起，然后排列成型，借此，每个原子都被8个电子包围着。一个单原子由原子核和电子构成，原子核则包括了质子（带正电荷的粒子）和中子（电中性的粒

115、子），而电子则围绕在原子核周围。电子和质子拥有相同的数量，因此一个原子的整体是显电中性的。基于原子内的电子数目（元素周期表中的每个元素都是不同的），每个电子都占据着特定的能级。下图展示了一种半导体的结构. 硅晶格硅晶格中的共价中的共价键示意图。键示意图。硅原子硅原子共价键共价键业方泣芍邯疲摩项斩规孟翠估呢嗽祷吊检种沧迁妥遮惕嫡尺串幽程卜盲鱼光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20249696UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.2.1&2.2.1基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 半导体材料可以来自元素周期表中的族元素，或者是族元素与族元素相结

116、合（叫做 -型半导体 ），还可以是族元素与族元素相结合（叫做 -型半导体 ）。硅是使用最为广泛的半导体材料，它是集成电路（IC）芯片的基础，也是最为成熟的技术，而大多数的太阳能电池也是以硅作为基本材料的。硅的相关材料性能将在硅的材料性质一节给出。 右图给出了元素周期表的一部分，右图给出了元素周期表的一部分，蓝色字幕显示了更多的半导体材料。蓝色字幕显示了更多的半导体材料。半导体可以由单原子构成，如半导体可以由单原子构成，如SiSi或或GeGe，键合如，键合如GaAsGaAs、InPInP、CdTeCdTe，还，还可以是合金，如可以是合金，如SiSix xGeGe（1-x1-x）或或AlAlx x

117、GaGa（1-x1-x）AsAs。 趾盂牺颐掇镀驮宪涉连绿贰镑绦念丛筏冗通隘算檬滋稍松孺氰剐瞅蕊幻伊光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20249797UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.2.1&2.2.1基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 半导体的价键结构决定了半导体材料的性能。其中一个关键影响就是限制了电子能占据的能级和电子在晶格之间的移动。半导体中，围绕在每个原子的电子都是共价键的一部分。共价键就是两个相邻的原子都拿出自己的一个电子来与之共用，这样，每个原子便被8个电子包围着。共价键中的电子被共价键的力量束缚着，因此它们总是限制在原子周

118、围的某个地方。因为它们不能移动或者自行改变能量，所以共价键中的电子不能被认为是自由的，也不能够参与电流的流动、能量的吸收以及其它与太阳能电池相关的物理过程。然而，只有在绝对零度的时候才会让全部电子都束缚在价键中。在高温下，电子能够获得足够的能量摆脱共价键，而当它成功摆脱后，便能自由地在晶格之间运动并参与导电。在室温下，半导体拥有足够的自由电子使其导电，然而在到达或接近绝对零度的时候，它就像一个绝缘体。 价键的存在导致了电子有两个不同能量状态。电子的最低能量刨搞斋釉图凌宙把化楔改稚烯乞掳铱耶优击戎纽谆嘉怕血怒砰当申责牛持光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/202498

119、98UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.2.1&2.2.1基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 态是其处在价带的时候。然而，如果电子吸收了足够的热能来打破共价键，那么它将进入导带成为自由电子。电子不能处在这两个能带之间的能量区域。它要么束缚在价键中除于低能量状态，要么获得足够能量摆脱共价键，但它吸收的能量有个最低限度，这个最低能量值被叫做半导体的“禁带”。自由电子的数量和能量是研究电子器件性能的基础。 电子摆脱共价键后留下来的空间能让共价键从一个电子移动到另一个电子，也因此出现了正电荷在晶格中运动的现象。这个留下的空位置通常被叫做“空穴”，它与电子相似但是带正电荷。 右边

120、动画展示了右边动画展示了当电子能够逃脱共当电子能够逃脱共价键时自由电子和价键时自由电子和空穴是如何形成的空穴是如何形成的莲灶衍姑鸥虐窟唇频懊慑烯颁蜗拌毖稚掖卿牡冶墙耕宵粟痪颁这巾鞋渔鹃光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20249999UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.2.1&2.2.1基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 对于太阳能电池来说，半导体最重要的参数是：禁带宽度能参与导电的自由载流子的数目当光射入到半导体材料时，自由载流子的产生和复合。 关于这些参数的更详细描述将在下面几页给出。袱氟絮田添乃低谣躁衅落母冒诣耘将许巢橡蛾铀瘸赶岂骤釜

121、整嘉霹萝丙湛光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024100100UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.2.2&2.2.2基本原理基本原理-禁带禁带 半导体的禁带宽度是指一个电子从价带运动到能参与导电的自由状态所需要吸收的最低能量值。半导体的价键结构显示了（y轴）电子的能量，此图也被叫做“能带图”。半导体中比较低的能级被叫做“价带”（Ev），而处于其中的电子能被看成自由电子的能级叫“导带”（Ec）。处于导带和价带之间的便是禁带（EG）了。 固体中电子的能固体中电子的能带示意图带示意图缕删苦酣趣蘑淳饼洽挟贩凤馁曙坑硒募天迅潞矛敏禄敬游雹店捣胳嘘吧栓光伏器

122、件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024101101UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.2.2&2.2.2基本原理基本原理-禁带禁带 一旦进入导带，电子将自由地在半导体中运动并参与导电。然而，电子在导带中的运动也会导致另外一种导电过程的发生。电子从原本的共价键移动到导带必然会留下一个空位。来自周围原子的电子能移动到这个空位上，然后又留下了另外一个空位，这种留给电子的不断运动的空位，叫做“空穴”，也可以看作在晶格间运动的正电荷。因此，电子移向导带的运动不仅导致了电子本身的移动，还产生了空穴在价带中的运动。电子和空穴都能参与导电并都称为“载流子”。 移动的“

123、空穴”这一概念有点类似于液体中的气泡。尽管实际上是液体在流动，但是把它想象成是液体中的气泡往相反的方向运动更容易理解些。蛔妙确德庞师谓慷顾蒸面湘段扦菱害燎润显容结泌揣明乐浦渺怯戌诗湿责光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024102102UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.2.3&2.2.3基本原理基本原理 -本征载流子浓度本征载流子浓度 把电子从价带移向导带的热激发使得价带和导带都产生载流子。这些载流子的浓度叫做本征载流子浓度，用符号ni表示。没有注入能改变载流子浓度的杂质的半导体材料叫做本征材料。本征载流子浓度就是指本征材料中导带中的电子数目或价

124、带中的空穴数目。载流子的数目决定于材料的禁带宽度和材料的温度。宽禁带会使得载流子很难通过热激发来穿过它，因此宽禁带的本征载流子浓度一般比较低。但还可以通过提高温度让电子更容易被激发到导带，同时也提高了本征载流子的浓度。 右图显示了两个温度下的右图显示了两个温度下的半导体本征载流子浓度。需半导体本征载流子浓度。需要注意的是，两种情况中，要注意的是，两种情况中，自由电子的数目与空穴的数自由电子的数目与空穴的数目都是相等的。目都是相等的。室温室温高温高温导带导带价带价带毁闪诵玲呀祈罕权班润碘欺薛常酉椎宪窖镰各打滩洪卉地待盲特雹能寥新光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20

125、24103103UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.2.4&2.2.4基本原理基本原理-掺杂掺杂 通过掺入其它原子可以改变硅晶格中电子与空穴的平衡。比硅原子多一个价电子的原子可以用来制成n型半导体材料，这种原子把一个电子注入到导带中，因此增加了导带中电子的数目。相对的，比硅原少一个电子的原子可以制成p型半导体材料。在p型半导体材料中，被束缚在共价键中的电子数目比本征半导体要高，因此显著地提高了空穴的数目。在已掺杂的材料中，总是有一种载流子的数目比另一种载流子高，而这种浓度更高的载流子就叫“多子”，相反，浓度低的载流子就叫“少子”。 右边的示意图描述了单右边的示意图描述了单晶硅掺杂

126、后制成晶硅掺杂后制成n n型和型和p p型半导体。型半导体。季臂血沈骡魏酌睛纤蛹俊顽真萌蓉勉猜银娃希崭烹簧容商妖男谆苹霜鹊柜光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024104104UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.2.4&2.2.4基本原理基本原理-掺杂掺杂下表总结了不同类型半导体的特性下表总结了不同类型半导体的特性P型（正）N型（负）掺杂族元素（如硼） 族元素（如磷）价键失去一个电子（空穴）多出一个电子多子空穴电子少子电子空穴弗岗纳辑鼠经名滦叼席托氛恐舅轴冷总欠羹荡朵驾娥汹胁珠俩淬逸郭柴饵光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/2

127、1/2024105105UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.2.4&2.2.4基本原理基本原理-掺杂掺杂 下面的动画展示了p型硅与n型硅。在一块典型的半导体中，多子的浓度可能达到1017cm-3，少子的浓度则为106cm-3。这是一个怎样的数字概念呢？少子与多子的比例比一个人与地球总的人口数目的比还要小。少子既可以通过热激发又可以通过光照产生。 N N型半导型半导体。之所以体。之所以叫叫n n型是因为型是因为多子是带负多子是带负电电（negativelynegatively）的电子）的电子 P P型半导型半导体。之所以体。之所以叫叫p p型是因为型是因为多子是带正多子是带正电电（

128、positively)positively)的空穴的空穴萝淀慷画讨阿吩烙午砷蛙祸膨孔尾导怕费挞关灶搀唱啪贯房钙癸径盒毅居光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024106106UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.2.5&2.2.5基本原理基本原理-平衡载流子浓度平衡载流子浓度 在没有外加偏压的情况下，导带和价带中的载流子浓度就叫本征载流子浓度。对于多子来说，其平衡载流子浓度等于本征载流子浓度加上掺杂入半导体的自由载流子的浓度。在多数情况下，掺杂后半导体的自由载流子浓度要比本征载流子浓度高出几个数量级，因此多子的浓度几乎等于掺杂载流子的浓度。 在平衡状态

129、下，多子和少子的浓度为常数，由质量作用定律可得其数学表达式。 n0p0=n2i 式中ni表示本征载流子浓度，n0和p0分别为电子和空穴的平衡载流子浓度。使用上面的质量作用定律，可得多子和少子的浓度： n n型型 n n0 0=N=ND DP P0 0=n=n2 2i i/N/ND D p p型型 P P0 0=N=NA An n0 0=n=n2 2i i/N/NA A零骂爵焰磨阴破兴涧建组伯戳段武痛乱聊肉章宜媳帕蝴理蛾净期衫挞塘阻光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024107107UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.2.5&2.2.5基本原理基本原

130、理-平衡载流子浓度平衡载流子浓度 上面的方程显示少子的浓度随着掺杂水平的增加而减少。例如，在n型材料中，一些额外的电子随着掺杂的过程而加入到材料当中并占据价带中的空穴，空穴的数目随之下降。 右图描述了右图描述了低掺杂和高掺低掺杂和高掺杂情况下的平杂情况下的平衡载流子浓度。衡载流子浓度。并显示，当掺并显示，当掺杂水平提高时，杂水平提高时，少子的浓度减少子的浓度减小。小。N N型半导体材料型半导体材料低掺杂低掺杂高掺杂高掺杂价带价带价带价带导带导带导带导带嫁隶质休谍敢磅辱炒铲弃驯诛图左尚漫音源包孜逝并清望找互沽泄倡艘蚀光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20241081

131、08UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.3.1&2.3.1载流子的产生载流子的产生-光的吸收光的吸收 入射到半导体表面的光子要么在表面被反射，要么被半导体材料所吸收，或者两者都不是，即只是从此材料透射而过。对于光伏器件来说，反射和透射通常被认为损失部分，就像没有被吸收的光子一样不产生电。如果光子被吸收，将在价带产生一个电子并运动到导带。决定一个光子是被吸收还是透射的关键因素是光子的能量。基于光子的能量与半导体禁带宽度的比较，入射到半导体材料的光子可以分为三种：1.EphEg EphEg 光子能量光子能量EphEph小于禁带宽度小于禁带宽度EgEg，光子与半导体的相互，光子与半导体

132、的相互作用很弱，只是穿过，似乎半导体是透明的一样。作用很弱，只是穿过，似乎半导体是透明的一样。2.EphEg EphEg 光子的能量刚刚好足够激发出一个电子光子的能量刚刚好足够激发出一个电子- -空穴对，能空穴对，能量被完全吸收。量被完全吸收。3.EphEg EphEg 光子能量大于禁带宽度并被强烈吸收。光子能量大于禁带宽度并被强烈吸收。 戒玻变阳藩证妓代孩脾转溉脱厕掉凰阉绷终刷触讲炒泵淡亦洲阜幂谎刹谓光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024109109UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.3.1&2.3.1载流子的产生载流子的产生-光的吸收光的吸收

133、 右边的动画展示了三种不同能量层次的光子在半导体内产生的效应。对光的吸收即产生了多子又产生少子。在很多光伏应用中，光生载对光的吸收即产生了多子又产生少子。在很多光伏应用中，光生载流子的数目要比由于掺杂而产生的多子的数目低几个数量级。因此，流子的数目要比由于掺杂而产生的多子的数目低几个数量级。因此，在被光照的半导体内部，多子的数量变化并不明显。但是对少子的在被光照的半导体内部，多子的数量变化并不明显。但是对少子的数量来说情况则完全相反。由光产生的少子的数目要远高于原本无数量来说情况则完全相反。由光产生的少子的数目要远高于原本无光照时的光子数目，也因此在有光照的太阳能电池内的少子数目几光照时的光子

134、数目，也因此在有光照的太阳能电池内的少子数目几乎等于光产生的少子数目。乎等于光产生的少子数目。邢否黎邹荚赠悉加骡宁壁贸闺铱槐绝唬举安帜当旧秃滤肩铲髓撼剥熔赃喇光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024110110UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.3.2&2.3.2载流子的产生载流子的产生-吸收系数吸收系数 吸收系数决定着一个给定波长的光子在被吸收之前能在材料走多远的距离。如果某种材料的吸收系数很低，那么光将很少被吸收，并且如果材料的厚度足够薄，它就相当于透明的。吸收系数的大小决定于材料和被吸收的光的波长。在半导体的吸收系数曲线图中出现了一个很清晰的

135、边缘，这是因为能量低于禁带宽度的光没有足够的能量把电子从价带转移到导带。因此，光线也就没被吸收了。下图显示几种半导体材料的吸收系数：砷化镓砷化镓磷磷化化铟铟锗锗硅硅 四种不同半导体才在温四种不同半导体才在温度为度为300K300K时的吸收系数时的吸收系数 ，实验实验在真空在真空环环境下境下进进行。行。饵疏输幕苇荫害聋狡坝瞪挂伪洽评绿蔚洪肉腺搁吩郧怔妻恍鼠版铜拔葱倘光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024111111UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.3.2&2.3.2载流子的产生载流子的产生-吸收系数吸收系数 上面的图表明，即使是那些能量比禁带宽度

136、高的光子，它们的吸收系数也不是全都相同的，而是与波长有密切的联系。一个光子被吸收的概率取决于这个光子能与电子作用（即把电子从价带转移到导带）的可能性。对于一个能量大小非常接近于禁带宽度的光子来说，其吸收的概率是相对较低的，因为只有处在价带边缘的电子才能与之作用并被吸收。当光子的能量增大时，能够与之相互作用并吸收光子的电子数目也会增大。然而，对于光伏应用来说，比禁带宽度多出的那部分光子能量是没有实际作用 的，因为运动到导带后的电子又很快因为热作用回到导带的边缘。 硅的其它光学性质在硅的光学性质硅的光学性质一页中给出。逝触朽据绕剂光攘馆瞒阐象费蓖私娩查有剪刁卉雍七模倪雇彪锯堑鸭婶志光伏器件系统及应

137、用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024112112UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.3.3&2.3.3载流子的产生载流子的产生-吸收深度吸收深度 吸收系数与波长的关系导致了不同波长的光在被完全吸收之前进入半导体的深度的不同。下面将给出另一个参数-吸收深度，它与吸收系数成反比例关系，即为 -1-1。吸收深度是一。吸收深度是一个非常有用的参数，它个非常有用的参数，它显显示了在光在其能量下示了在光在其能量下降到最初降到最初强强度的大概度的大概36%36%（或者（或者说说1/e1/e）的）的时时候在材料中走的深度。因候在材料中走的深度。因为为高能量光子的吸收高能量光子

138、的吸收系数很大，所以它在距离表面很短的深度就被系数很大，所以它在距离表面很短的深度就被吸收了（例如硅太阳能吸收了（例如硅太阳能电电池就在几微米以内），池就在几微米以内），而而红红光在光在这这种距离的吸收就很弱。即使是在几种距离的吸收就很弱。即使是在几微米之后，也不是所有的微米之后，也不是所有的红红光都能被硅吸收。光都能被硅吸收。右右边边的的动动画画显显示了示了红红光与光与蓝蓝光的吸收深度的不光的吸收深度的不同。同。 蓝光在离表面非常蓝光在离表面非常近处就被吸收而大部近处就被吸收而大部分的红光则在器件的分的红光则在器件的深处才被吸收。深处才被吸收。载惶蝎绷淖热惨加埃郑并嘶莱冤瘪呵俗军郡钙甚炙耳骚

139、跃毁曾乎浴糙氟嫁光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024113113UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.3.3&2.3.3载流子的产生载流子的产生-吸收深度吸收深度下图显示了几种半导体的吸收深度：降臀独尔兄刊钡此起峰妻苗妓材字粪蔷碟府幼犊新奴裔淤绷巫赤威朵洪撞光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024114114UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.3.4&2.3.4载流子的产生载流子的产生-生成率生成率 生成率是指被光线照射的半导体每一点生成电子的数目。忽略反射不计，半导体材料吸收的光线的多少决定于吸收系

140、数（ 单单位位为为cmcm-1-1）和半导体的厚度。半导体中每一点中光的强度可以通过）和半导体的厚度。半导体中每一点中光的强度可以通过以下的方程计算：以下的方程计算： I=II=I0 0e e- -xx 式中式中 为为材料的吸收系数，材料的吸收系数，单单位通常位通常为为cmcm-1-1，x x为为光入射到材料光入射到材料的深度，的深度，I I0 0为为光在材料表面的功率光在材料表面的功率强强度。度。 上述方程可以用来上述方程可以用来计计算太阳能算太阳能电电池中池中产产生的生的电电子空穴子空穴对对的数目。的数目。假假设设减少的那部分光减少的那部分光线线能量全部用来能量全部用来产产生生电电子空穴子

141、空穴对对，那么通，那么通过过测测量透射量透射过电过电池的光池的光线强线强度便可以算出半度便可以算出半导导体材料生成的体材料生成的电电子空子空穴穴对对的数目。因此，的数目。因此，对对上面的方程上面的方程进进行微分将得到半行微分将得到半导导体中任何体中任何一点的生成率。即一点的生成率。即句棋朝喝仲聘循赋悄媚起寓故勾直寂劫组片擎拒勘帮沿宵呆悔裳杏霓榨灵光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024115115UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.3.4&2.3.4载流子的产生载流子的产生-生成率生成率 G=NN0 0e e-x-x其中其中N N0 0= =表面的

142、光子通量（光子表面的光子通量（光子/ /单单位面位面积积. .秒）秒）=吸收系数，吸收系数，x=x=进进入材料的距离。入材料的距离。 上面的方程上面的方程显显示，光的示，光的强强度随着在材料中深度的增加呈指数下度随着在材料中深度的增加呈指数下降，即材料表面的生成率是最高的。降，即材料表面的生成率是最高的。 对对于光伏于光伏应应用来用来说说，入射光是由一系列不同波，入射光是由一系列不同波长长的光的光组组成的，成的，因此不同波因此不同波长长的生成率也是不同的。下的生成率也是不同的。下图显图显示三种不同波示三种不同波长长的光的光在硅材料中的生成率。在硅材料中的生成率。进入硅的深度进入硅的深度电电子子

143、空空穴穴对对的的生生成成率率槐愿镀商乡镑骆芭容俐采翠痔阿腮薪粉语宰僚睫秤卿钵奴奔人恬渤烩扣佯光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024116116UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.3.4&2.3.4载流子的产生载流子的产生-生成率生成率 计算一系列不同波长的光的生成率时，总的生成率等于每种波长的总和。下图将展示入射到硅片的光为标准太阳光谱时，不同深度的生成率大小。Y轴的范围大小是成对数的，显示着在电池表面的产生了数量巨大的电子空穴对，而在电池的更深处，生成率几乎是常数。珍惋驯陇袱势秸捣盔眯砸隋樱五绘走懈润状孤伞匙峡叛拨继道涨雹疹梨屯光伏器件系统及应

144、用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024117117UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.4.1&2.4.1复合理论复合理论-复合的类型复合的类型 所有处在导带中的电子都是亚稳定状态的，并最终会回到价带中更低的能量状态。它必须移回到一个空的价带能级中，所以，当电子回到价带的同时也有效地消除了一个空穴。这种过程叫做复合。在单晶半导体材料中，复合过程大致可以分为三种：辐射复合俄歇复合肖克莱-雷德-霍尔复合这些复合在右边的动画中都有描述。柄迁指罕汰阴联罩母史劣莆汲邀磺睁黑棚褪祈檄巍楼著衬及残毖开翔澜咏光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024

145、118118UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.4.1&2.4.1复合理论复合理论-复合的类型复合的类型辐射复合辐射复合 辐射复合是LED灯和激光这类的半导体器件的主要复合机制。然而，对于由硅制成的陆地用太阳能电池来说，辐射复合并不是主要的，因为硅的禁带并不是直接禁带，它使得电子不能直接从价带跃迁到导带。辐射复合的几个主要特征是：在辐射复合中，电子与空穴直接在导带结合并释放一个光子。释放的光子的能量近似于禁带宽度，所以吸收率很低，大部分能够飞出半导体。通过复合中心的复合通过复合中心的复合 通过复合中心的辐射也被叫做肖克莱-莱德-霍尔或SRH复合，它氟深篇薛损两险肮个吁宠谚牵淋孰老

146、顾醒喇军殴枚插皖逞畔例干呆河食况光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024119119UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.4.1&2.4.1复合理论复合理论-复合的类型复合的类型 不会发生在完全纯净的、没有缺陷的材料中。SRH复合过程分为两步：一个电子（或空穴）被由晶格中的缺陷产生的禁带中的一个能级所俘获。这些缺陷要么是无意中引入的要么是故意加入 到材料当中去的，比如往材料中掺杂。如果在电子被热激发到导带之前，一个空穴（或电子）也被俘获到同一个能级中，那么复合过程就完成了。 载流子被俘获到禁带中的缺陷能级的概率取决于能级到两能带（导带和禁带）的距离。

147、因此，如果一个能级被引入到靠近其中一能带的边缘地区，发生复合的可能性将比较小，因为电子比较容易被激发到导带去，而不是与从价带移动到同一个能级的空穴复合。基于这个因素，处在禁带中间的能级发生复合的概率最大。龙怖挝咬碰绢悔损慧暖棍哺鼓姥羽悸抑溪势糙释中膳敌非梗史室禹衬忱封光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024120120UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.4.1&2.4.1复合理论复合理论-复合的类型复合的类型 俄歇复合俄歇复合 一个俄歇复合过程有三个载流子参与。一个光子与一个空穴复合后，其释放的能量并不是以热能或光子的形式传播出去，而是把它传给了第

148、三个载流子，即在导带中的电子。这个电子接收能量后因为热作用最终又回到导带的边缘。 俄歇复合是重掺杂材料和被加热至高温的材料最主要的复合形式。渠咒沿孵砒瞄种瑞辊轿燃誊怨格烩木还攒寥素箍缅汪凭犯挡扳臣豢姓究瑞光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024121121UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.4.2&2.4.2复合理论复合理论-扩散长度扩散长度 如果半导体中少子的数目因为外界的短暂激发而在原来平衡的基础上增加，这些额外激发的少子将因为复合过程而渐渐衰退回原本平衡时的状态。在太阳能电池中一个重要的参数是复合发生的速率，这样也叫做”复合率”.复合率决定于

149、额外少子的数目。例如，当没有额外少子时，复合率将为零。“少子寿命”（用符号 和 表示）是指产生电子空穴对之后处在激发状态的载流子在复合之前能存在的平均时间。还有一个相关的参数少子扩散长度，是指在复合之前一个载流子从产生处开始运动的平均路程。 少数载流子寿命和扩散长度在很大程度上取决于材料的类型和复合的数量。对于许多种类的硅太阳能电池来说，SHR复合式主要的复合机制。而复合率则决定于材料中存在的缺陷数量，因此，当太阳能电池的掺杂量增加时，SHR复合的速率也将随着增加。另外啦免数理告夯悬英琐圣评假粉将全铬誊颊莉实牙趾领每领姨收姬殷膜删斧光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21

150、/2024122122UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.4.2&2.4.2复合理论复合理论-扩散长度扩散长度 ，因为俄歇复合更多的是在重掺杂和被加热的材料发生，所以俄歇复合过程也会随着掺杂的增加而增强。此外，生成半导体薄片的方法和过程对扩散长度也有重要影响。 右图为高效率的右图为高效率的PERLPERL多晶硅太阳能电池的多晶硅太阳能电池的比色图。图下的比例系数代表着光生载流子的比色图。图下的比例系数代表着光生载流子的多少以及由于太阳能电池中扩散长度的不同而多少以及由于太阳能电池中扩散长度的不同而引起的电池中不同区域的差异，而扩散长度的引起的电池中不同区域的差异，而扩散长度的不同

151、是由多晶硅材料的晶界变化照成的。不同是由多晶硅材料的晶界变化照成的。在硅中，少子寿命可以达到在硅中，少子寿命可以达到1 1ss。对对于于单单晶硅太阳能晶硅太阳能电电池来池来说说，扩扩散散长长度通常度通常在在100-300m100-300m之之间间。这这两个参数表征了两个参数表征了材料相材料相对对于于电电池池应应用的用的质质量和适用度。量和适用度。拿票世穷荷傅兢赌耽遂鸿拱礁擞沮茄雕围菇施袱贩僵祟坍咱膳溢灯亚失罗光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024123123UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.4.3&2.4.3复合理论复合理论-表面复合表面复合

152、任何在半导体内部或表面的缺陷和杂质都会促进复合。因为太阳能电池表面存在着严重的晶格分裂，所以电池表面是一个复合率非常高的区域。高复合率导致表面附近的区域的少子枯竭。就如扩散这一节所解释的，某些区域的低载流子浓度会引起周围高浓度区域的载流子往此处扩散。因此，表面复合率受到扩散到表面的载流子的速率的限制。“表面复合率”的单位为cm/sec，被用来描述表面的复合。在没有发生复合的表面，往表面运动的载流子数目也为零，因此表面复合率也为零。当表面复合非常快时,运动指向表面的载流子读速度受到最大复合速率的限制，而对大多数半导体来说最大速度为1107cm/sec。半导体表面的半导体表面的挂键引起了此挂键引起

153、了此处的高复合率处的高复合率意逞华殿劫鹊掐懈岂训塌渔剥震鹿镰圃枯氨刨皑唬宪樊瀑异垢嘱欣募痘京光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024124124UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.4.3&2.4.3复合理论复合理论-表面复合表面复合 半导体表面的缺陷是由于晶格排列在表面处的中断照成的，即在表面处产生挂键。减少挂键的数目可以通过在半导体表面处生长一层薄膜以连接这些挂键，这种方法也叫做表面钝化，锻盛缺鼓嫉岗黍帜须获儡咏翘堰史铃滩揖直牌疚芒崩郭凯媚靶艘坡喇街抬光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024125125UNSWUN

154、SW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.5.1&2.5.1载流子的运动载流子的运动 -半导体中载流子的运动半导体中载流子的运动 导带中的电子和价带中的空穴之所以被叫做自由载流子，是因为它们能在半导体晶格间移动。一个很简单但在多数情况下都适用的对载流子运动的描述是，在一定温度下，在随机方向运动的载流子都有特定的速度。在与晶格原子碰撞之前，载流子在随机方向运动的距离长度叫做散射长度。一旦与原子发生碰撞，载流子将往不同的随机方向运动。 载流子的速度决定于晶格的温度。在温度为T 的半导体内载流子的平均运动能量为1/2 mv2 ，其中m为载流子的质量，v代表热运动速度。热运动速度指的是载流子速度的平均值，

155、即载流子的速度是分散的、不均匀的，有些速度快有些则很慢。下面的动画将展示载流子运动的模型衔游宗累呼明扼汗滚挥桅痛睦唾闻搽锨怪羚真舔惮拌酷疮陨话煎吴综皂因光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024126126UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.5.1&2.5.1载流子的运动载流子的运动 -半导体中载流子的运动半导体中载流子的运动 尽管半导体中的载流子在不尽管半导体中的载流子在不停地做随机运动，但是并不存在停地做随机运动，但是并不存在载流子势运动，除非有浓度梯度载流子势运动，除非有浓度梯度或电场。因为载流子往每一个方或电场。因为载流子往每一个方向运动的概

156、率都是一样的，所以向运动的概率都是一样的，所以载流子往一个方向的运动最终会载流子往一个方向的运动最终会被它往相反方向的运动给平衡掉。被它往相反方向的运动给平衡掉。锈垫舍淹衷恤遮风芝内萝内承戌匣仰肮痪溶鼻绞骆旧挟亩损几砍酚十舀酸光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024127127UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.5.1&2.5.1载流子的运动载流子的运动 -半导体中载流子的运动半导体中载流子的运动 在下面的动画中，一个载流子在与晶格原子碰撞之前在随机方向运动了与散射长度相等的距离（为了看得更加清晰，晶格原子并没有显示出来）。在与晶格原子碰撞后，载流

157、子再次以随机方向运动。下面的动画举出了50个散射粒子。尽管在动画中碰撞的次数很少，载流子的势运动还是很小的。条舆俭悼癌唬堕恨锑褂渠辱要川尊鸥完彼女雄疵训致比箕脸询翠滑系桅粳光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024128128UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.5.2&2.5.2载流子的运动载流子的运动-扩散扩散 如果半导体中一个区域的载流子浓度要比另一个区域的高，那么，由于不停的随机运动，将引起载流子的势运动。当出现这种情况时，在两个不同浓度的区域之间将会出现载流子梯度。载流子将从高浓度区域流向低浓度区域。这种载流子的流动叫做“扩散”，是由于载流子

158、的随机运动引起的。在器件的所有区域中，载流子往某一方向的运动的概率是相同的。在高浓度区域，数量庞大的载流子不停地往各个方向运动，包括往低浓度方向。然而，在低浓度区域只存在少量的载流子，这意味着往高浓度运动的载流子也是很少的。这种不平衡导致了从高浓度区域往低浓度区域的势运动。如下面的动画所示。扭慌挽凑役恋杜闲斥淆亮镭示度举窑颁树齿宋郁降挑砌交单好蚀赦躺舍父光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024129129UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.5.2&2.5.2载流子的运动载流子的运动-扩散扩散 扩散的速率决定于载流子的运动速度和两次散射点相隔的距离。

159、在温度更高的区域，扩散速度会更快，因为提高温度能提高载流子的热运动速度。 扩散现象的主要效应之一是使载流子的浓度达到平衡，就像在没有外界力量作用半导体时，载流子的产生和复合也会使得半导体达到平衡。下面的动画将阐述这一现象，图中一个区域有很高浓度的电子，另一个则有高浓度的空穴。因为只有载流子的随机运动，所以最终这两种浓度会变成一致的。 这个动画显示了半导体的高浓度部分是怎样趋这个动画显示了半导体的高浓度部分是怎样趋向于平均分布的。载流子填满可利用的空间，仅仅向于平均分布的。载流子填满可利用的空间，仅仅是通过随机运动。在这种情况下，静电斥力的影响是通过随机运动。在这种情况下，静电斥力的影响甚微，因

160、为载流子之间的距离很远。此外，空穴甚微，因为载流子之间的距离很远。此外，空穴（蓝色）的扩散率比电子的低，所以需要更长的时（蓝色）的扩散率比电子的低，所以需要更长的时间来填满整个空间。间来填满整个空间。推肥腆潦敖痴安雨胃厂骂屋碧荒愿殉拴镁爽匪雁丙韩肥续伺黔削稍扛铅拈光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024130130UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.5.3&2.5.3载流子的运动载流子的运动-漂移运动漂移运动 在半导体外加一个电场可以使做随机运动的带电载流子往一个方向运动。在没有外加电场时，载流子在随机方向以一定的速度移动一段距离。然而，在加了电场

161、之后，其方向与载流子的随机方向叠加。那么，如果此载流子是空穴，其在电场方向将做加速运动，电子则反之。在特定方向的加速运动导致了载流子的势运动，如下面动画所示。载流子的方向是其原来方向与电场方向的向量叠加。右边动画显示了电场的存在右边动画显示了电场的存在是如何使载流子是如何往一是如何使载流子是如何往一个总方向运动的。动画中的个总方向运动的。动画中的粒子是空穴，所以运动的方粒子是空穴，所以运动的方向与电场方向相同。向与电场方向相同。迈喻陶耻曹硅享岿吼掐扑仍荚水往译犯哪够凸靴禁裕淀匪足醚浮焕劝寅蝇光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024131131UNSWUNSW新南

162、威尔士大学新南威尔士大学&2.5.3&2.5.3载流子的运动载流子的运动-漂移运动漂移运动 由外加电场所引起的载流子运动叫“漂移运动”。漂移运动不仅发生在半导体材料中，在金属材料中同样存在。而接下来动画将分别展示有伴随和没有伴随电场的载流子随机运动。途中的载流子是电子。因为电子是带负电的所以它将朝着与电场方向相反的方向运动。值得注意的是，在大多数情况下，电子是往电场相反的方向运动的。但是在有些情况中，例如电子跟随着一系列往电场方向的运动，则有可能是势运动，并沿着电场方向运动了一小段距离。问朴件听唇兑摧苫莉只宅秽残臭手矿洞吠霖谋汀沙距虞汤汀鬃遁吊渺灶荚光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21

163、/20247/21/2024132132UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.5.3&2.5.3载流子的运动载流子的运动-漂移运动漂移运动 下面一个动画描述了拥有相等数目的电子和空穴的本征半导体。没有外加电场时，电子和空穴随机地在半导体中运动。加入电场后电子和空穴往相反的方向漂移。为了看得更加清晰，动画夸大了电场的作用效果。事实上，对于通为了看得更加清晰，动画夸大了电场的作用效果。事实上，对于通常的半导体来说，电场对载流子随机运动的影响是很有限的。常的半导体来说，电场对载流子随机运动的影响是很有限的。曰决掳杨倦霹锚寄仁房雅佑痹皆粹忽栓户见吩镊沙捕丹谦吠伞桃匡姻鸦踢光伏器件系统及应用

164、光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024133133UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.6.1&2.6.1 P-N结结-pn结二极管结二极管 pn结二极管的结构不仅是太阳能电池结构的基础还是其它许多电子器件的基础，如LEDS、激光、光电二极管还有双极结二极管（BJTS）。一个pn结把之前所描述的载流子复合、产生、扩散和漂移全部集中到一个器件中。 pn结的形成结的形成 pn结是n型半导体材料和p型半导体材料的结合形成的，如下图所示。因为n型半导体区域的电子浓度很高，而p型区域的空穴浓度很高，所以电子从n型区扩散到p型区，同理，空穴也从p型区扩散到n型区。如果电子和空穴

165、都是不带电的，扩散过程将持续到两个区域的电子和空穴的浓度都分别相等，就像两种气体相互往对方区域扩散一样。然而，对于pn结来说，当电子和空穴运动到pn结的另一边 跑呵懈厕很婿外蚂考住年亨捐颂郴潭伏适租缚币埂缝镶晶挠间电咀宝瀑泣光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024134134UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.6.1&2.6.1 P-N结结-pn结二极管结二极管 时，也在杂质原子区域留下了与之相反的电荷，这种电荷被固定在晶格当中不能移动。在n型区，被留下的便是带正电的原子核，相反，在p型区，留下的是带负电的原子核。于是，一个从n型区的正离子区域指向

166、p型区的负离子区域的电场E就建立起来了。这个电场区域叫做“耗尽区”，因为此电场能迅速把自由载流子移走，因此，这个区域的自由载流子是被耗尽的。源于电场E的内建电势Vbi在pn结中形成。下面的动画将展示n型和p型材料之间的pn结所形成的电场E的结构。宰涕埃艳草筑乒谜铸常伪瘴痒称税紊指弛尝柿柜罗委藩澄匙脑告啥摘丈瞩光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024135135UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.6.1&2.6.1P-N结结-pn结二极管结二极管 平衡状态下载流子运动平衡状态下载流子运动 没有外加刺激的pn结代表着，由于耗尽区的电场的存在，载流子之间

167、的产生、复合、扩散以及漂移将会达到平衡。尽管电场的存在阻碍了载流子的扩散运动穿过电场，但有些载流子还是依然通过扩散运动穿过了电场。在下面的动画中，大多数进入耗尽区的多子都被移回它们本来的区域。然而，统计数据显示，有一些载流子会以很高的速度往pn结方向运动，最终穿过电场。一旦多子穿过电场就会变成另一区的少子。在被复合之前，这个载流子将继续做远离电场的扩散运动，运动距离等于平均扩散长度。由载流子通过扩散运动穿过电场而产生的电流叫做扩散电流。在下面的动画中，注意观察跑入耗尽区的载流子，并留意穿过pn结的载流子。需要说明的一点是，实际的pn结中载流子的数目和速度都是比动画中的要高得多，而穿过pn结的载

168、流子数目也是非常大的。右苯扼蔓肩霄袒袜妄嫉巢匀绷竹仓理又味呆盏艾鸿谓泵墓菌寸锈融侯在渔光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024136136UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.6.1&2.6.1 P-N结结-pn结二极管结二极管 到达扩散区与耗尽区的交界处时，少子会被电场拉到耗尽区。由此形成的电流叫做漂移电流。在平衡状态下，漂移电流的大小受到少子数目的限制，这些少子是在与耗尽区的距离小于扩散长度的区域通过热激发产生的。 在平衡状态下，半导体的净电流为零。电子的漂移电流与电子的扩散电流是在平衡状态下，半导体的净电流为零。电子的漂移电流与电子的扩散电流是

169、相互抵消的（试想如果没有抵消的话，将在半导体的其中一边出现电子的聚集）。相互抵消的（试想如果没有抵消的话，将在半导体的其中一边出现电子的聚集）。同理，空穴的漂移电流与空穴扩散电流也是相互抵消的。同理，空穴的漂移电流与空穴扩散电流也是相互抵消的。近碍男骑博跟辕舒钾卷柑水艇刃瑟计挂陵祸隐艘樱膨纤盅木骇膨惑渴应跟光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024137137UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.6.2&2.6.2P-N结结-pn结的偏置结的偏置 半导体器件共有三种状态模式： 1.1.热平衡状态热平衡状态热平衡状态热平衡状态 在热平衡模式下，半导体没有

170、额外的刺激，如光照射或外加电压。载流子的电流相互抵消所以在器件内没有净电流。 2.2.稳态稳态稳态稳态 在恒稳模式下，将有光线照射或施有外加电压，但这些条件并不随时间而改变。器件通常处在稳定状态，要么正向偏压要么反向偏压。 3.3.突变状态突变状态突变状态突变状态 当施加的电压迅速改变时，太阳能电池的对变化的响应将会出现延迟。鉴于太阳能电池并不是高速运转领域使用的电子器件，在这里将不对突变效应多加描述。响唐舔缕吐脆七求槐努渠蛋子钠娜摧鉴圭的泰铂酋振悔恍朵抹侩收蜡睛泳光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024138138UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&

171、2.6.2&2.6.2P-N结-pn结的偏置 正向偏压下的二极管正向偏压下的二极管 正向偏压（也叫正向偏置）指的是在器件两边施加电压，以使得pn结的内建电场减小。即在p型半导体加正极电压而在n型半导体加负极电压，于是，一个穿过器件方向与内建电场相反的电场便建立起来了。因为耗尽区的电阻要比器件中其他区域的电阻要大得多（由于耗尽区的载流子很少的缘故），所以几乎所有的外加电压都施加在了耗尽区上。对于实际的半导体器件，内建电场的电压总是要比外加电场的高。而电场的减小将破坏pn结的平衡，即减小了对载流子从pn结的一边到另一边的扩散运动的阻碍，增大扩散电流。当扩散电流增加时，漂移电流基本保持不变，因为漂移

172、电流的大小只取决于在与耗尽区的距离小于扩散长度的区域还有耗散区内部产生的载流子的数目。因为在上面的过程中，耗散区的宽度只缩小了刮据琉亡撂蔡栏腑乎础浩捣剖池种烃购赏棉肥戏亥蚌科胶油镇别浆楚萎蒸光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024139139UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.6.2&2.6.2 P-N结结-pn结的偏置结的偏置一小部分，所以穿过电场的少子的数目也基本不变。艇腑孺邵锑梗旦篙扁光烁裁轨的票塑荒贱斯腺珊喂散坦由枝愿肝梆造裙庇光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024140140UNSWUNSW新南威尔士大学

173、新南威尔士大学&2.6.2&2.6.2 P-N结结-pn结的偏置结的偏置 载流子的注入和正向偏置电流载流子的注入和正向偏置电流 从pn结的一端到另一端的扩散运动的增加导致了少数载流子（少子）往耗散区边缘的注入。这些少数载流子由于扩散而渐渐远离pn结并最终与多数载流子（多子）复合。多数载流子是由外部电流产生的，也因此在正向偏压下产生净电流。假设没有复合作用，少数载流子的浓度将达到一个更高的水平，而从结的一端到另一端的扩散运动将会停止，这很像两种不同气体的相互扩散。一开始，气体分子进行着从高浓度区域到低浓度区域的净运动，但当两个区域的浓度达到统一以后，将不会再有气体分子的净运动。然而在半导体中，注

174、入的少数载流子会被复合掉，因此不断有更多的载流子扩散过pn结。结果是，在正向偏置下的扩散电流也是复合电流。复合的速度越高，通过pn结的扩散电流就越大。“暗饱和电流”（I0）是区字顽虾蛛虞睬碾痛瞅铆港庭讹震浸茁复氦机蜜冒豆冯状淬嚏霄济裔蛆将刘光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024141141UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.6.2&2.6.2 P-N结结-pn结的偏置结的偏置 别两种不同二极管的非常重要的参数。I0是衡量一个器件复合特点的标准，二极管的复合速率越大，I0也越大。 反向偏压反向偏压 反向偏置电压是指在器件两端加电场，以使pn结增大。

175、在pn结中的内建电场越大，载流子能从pn结一段扩散至另一端的概率就越小，即扩散电流就越小。与正向偏压时相同，由于受到进入耗尽区的少数载流子的数量限制，pn结的漂移电流并没有因内建电场的增大而相应增大。漂移电流的微量增加主要是因为耗尽区宽度的微量扩张，但这基本上只是一种二阶效应。梳芳尼援狂师峦夷毅梯环染遇焚居荒凸刃柔躺现诀焊耘汛耻侩热丑口目务光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024142142UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.6.3&2.6.3 P-N结结-二极管方程二极管方程 理想二极管理想二极管 二极管方程解释了通过二极管的电流与电压的关系，即

176、理想二极管定律：I I为通过二极管的净电流，为通过二极管的净电流，I I0 0为暗饱和电流（在没有光照情况下为暗饱和电流（在没有光照情况下输出的电流），输出的电流），V V是施加在二极管两端的电压，是施加在二极管两端的电压，q q和和k k分别代表分别代表电荷的绝对值和玻耳兹曼常数，而电荷的绝对值和玻耳兹曼常数，而T T则表示绝对温度（则表示绝对温度（K K）。）。 值得注意的是，值得注意的是， I I0 0随着随着T T的升高而增大。在温度为的升高而增大。在温度为300k300k时，时，KT/q=25.85mVKT/q=25.85mV。 I I0 0随着材料质量的增大而增大。随着材料质量的增

177、大而增大。坪酱伊伟凹忆俞草半伟赁左杀伶华蕴行君遭奈柳嫂蒸牌戌蠕瀑丽黄柒预阴光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024143143UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&2.6.3&2.6.3 P-N结结-二极管方程二极管方程 非理想二极管方程非理想二极管方程 对于实际的二极管来说，其方程需稍作改变： 其中其中n n为理想因子，数值在为理想因子，数值在1 1到到2 2之间，通常随着电流的增大而之间，通常随着电流的增大而增大。上面的两个方程都是相对于硅材料来说的。增大。上面的两个方程都是相对于硅材料来说的。右图显示了硅二极管中右图显示了硅二极管中电流与电压和温度

178、的关电流与电压和温度的关系，当电流大小一定时，系，当电流大小一定时，曲线的改变规律大概为曲线的改变规律大概为2mV/c2mV/c酒悦建探缓脱滨足嗓栽贸哟呈萄淀破插桃直插苯粱阴幽理搀纯辣匿霍砍端光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024144144UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学第三章：太阳能电池的特性 &3.1&3.1理想太阳能电理想太阳能电池池 &3.2&3.2太阳能电池的太阳能电池的参数参数 &3.3&3.3电阻效应电阻效应 &3.4&3.4其他效应其他效应 &3.5&3.5对太阳能电池对太阳能电池的测量的测量汤陆诽纤殖某乌匠瓶蠢歪绘加案颖绢谍茄磷

179、幅壁憎写刘鲸溅愁挞蹭宗烈齐光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024145145UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.1.1&3.1.1理想太阳能电池理想太阳能电池太阳能电池的结构太阳能电池的结构 太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电的电子器件。入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电压的形式来产生电能。这个过程的发生需要两个条件，首先，被吸收的光要能在材料中把一个电子激发到高能级，第二，处于高能级的电子能从电池中移动到外部电路。在外部电路的电子消耗了能量然后回到电池中。许多不同的材料和工艺都基本上能满足太阳能转化的需求，但实际上，几乎所有的光伏电池转

180、化过程都是使用组成PN结形式的半导体材料来完成的。减反射膜前端接触电极发射区基区背接触电极电子空穴对太阳能电池的横截面太阳能电池的横截面砚茶鳖锡当辑蚊斋船禹鸭途徽落窃眯铂倡哆以搅增淖贯向趴涉赵昼锰茎控光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024146146UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.1.1&3.1.1理想太阳能电池理想太阳能电池太阳能电池的结构太阳能电池的结构 太阳能电池运行的基本步骤：光生载流子的产生光生载流子聚集成电流穿过电池的高电压的产生能量在电路和外接电阻中消耗遂厕活炙豪眯撅香缄藻鞍揖芬镀非坊掷镐呢葵渊簿菏番珠抵崔蒲昼描收吼光伏器件系统

181、及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024147147UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.1.2&3.1.2理想太阳能电池理想太阳能电池光生电流光生电流 在太阳能电池中产生的电流叫做“光生电流”，它的产生包括了两个主要的过程。第一个过程是吸收入射光电子并产生电子空穴对。电子空穴对只能由能量大于太阳能电池的禁带宽度的光子产生。然而，电子（在p型材料中）和空穴（在N型材料中）是处在亚稳定状态的，在复合之前其平均生存时间等于少数载流子的寿命。如果载流子被复合了，光生电子空穴对将消失，也没有电流和电能产生。 第二个过程是，pn结通过对这些光生载流子的收集，即把电子和空穴

182、分散到不同的区域，阻止了它们的复合。Pn结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光生少数载流子到达pn结，将会被内建电场移到另一个区，然后它便成了多少载流子。如果用一根导线把发射区跟基区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外部电路。下面的动画展示了短路情况下的理想电流。荡扭颧稿窥轩秤叉兢燎痕毒毋午窜悸卸伐援聂魄钒眼廊随累瘩茄钡乎妓辱光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024148148UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.1.2&3.1.2理想太阳能电池理想太阳能电池光生电流光生电流 理想短路情况下电子理想短路情况下电子和空穴在和空穴在pnp

183、n结的流动。结的流动。少数载流子不能穿过半少数载流子不能穿过半导体和金属之间的界限，导体和金属之间的界限，如果要阻止复合并对参如果要阻止复合并对参与到电流中的话，必须与到电流中的话，必须通过通过pnpn结的收集。结的收集。侍凋尽汛恼佯窿卯涣材膏郭赊搬亿谦仙哪迷册猿凑版偿同塞糠劈赋糕爱仅光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024149149UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.1.3&3.1.3理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 “收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生的载流子被pn结收集并参与到电流流动的概率，它的大小取决于光生载流子需要

184、运动的距离和电池的表面特性。在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。在原来电场的区域，其收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域产生时，那么它的收集概率是相当低的。相似的，如果载流子是在靠近电池表面这样的高复合区的区域产生，那么它将会被复合。下面的图描述了表面钝化和扩散长度对收集概率的影响。 对收集概率的计算，红线代表发射区的扩散长度，蓝线代表基区的发射长度前端表面在高复合率的情况下，其表面的收集概率很低。低扩散长度的太阳能电池。在电池中位置弱钝化的太阳能电池强钝化的太阳能电池在耗散区的收集概率相同背表面收集概率咒薄锚叔荒茫漆

185、增曲甄棕陶右都矫绥页墙帅栖卖剩涡酪壕触缸粤拔代漳厉光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024150150UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.1.3&3.1.3理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小。光生电流大小等于电池各处的载流子生成速率乘于那一处的收集概率。下面计算光生电流的方程包括了生成率和收集概率，其材料为硅，光照为1.5AM。收集概率生成率在电池中的距离虽赌篡感拷华轴信摧阿观藕环淮众栓苗饯剑擂弛术豁烤隋呀九帅遏瘩舰抨光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/202

186、4151151UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.1.3&3.1.3理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 在1.5光谱下硅的生成速率。注意，电池表面的生成率是最高的，因此电池对表面特性是很敏感的。收集概率的不一致产生了光生电流的光谱效应。例如，表面的收集概率低于其他部分的收集概率。比较下图的蓝光、红光和红外光，蓝光在硅表面的零点几微米处几乎被全部吸收。因此，如果顶端表面的收集概率非常低的话，入射光中将没有蓝光对光生电池做出贡鹊却捐博该咱洲资尹亩掀酞补沂照姬搀户覆主随楚楼匆暂奥镁按眯氮淤掇光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024152152U

187、NSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.1.3&3.1.3理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率献。上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长0.45m0.45m的蓝光拥有的蓝光拥有高吸收率，为高吸收率，为105cm-1105cm-1，也因此它在非常靠近顶端表面处被吸收。波长，也因此它在非常靠近顶端表面处被吸收。波长0.8m0.8m的的红光的吸收率红光的吸收率103cm-1103cm-1，因此其吸收长度更深一些。，因此其吸收长度更深一些。1.1m1.1m红外光的吸收率为红外光的吸收率为103cm-1103cm-1，但是

188、它几乎不被吸收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度，但是它几乎不被吸收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度别屁诀哼百皮间散盗偶汽畦舀氢柴哀粕众茫洱坷紧吸蚤耀照搀厂弘富街劝光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024153153UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.1.4&3.1.4理想太阳能电池理想太阳能电池量子效率量子效率 所谓“量子效率”，即太阳能电池所收集的载流子的数量与入射光子的数量的比例。量子效率即可以与波长相对应又可以与光子能量相对应。如果某个特定波长的所有光子都被吸收，并且其所产生的少数载流子都能被收集，则这个特定波长的所有光子的量子效率都是相

189、同的。而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。下图将描述理想太阳能电池的量子效率曲线。总量子效率的减小是由反射效应和过短的扩散长度引起的。理想量子效率曲线能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以长波长的量子效率为零。量子效率前端表面复合导致蓝光响应的减小。红光响应的降低是由于背表面反射、对长波光的吸收的减少和短扩散长度右图为硅太阳能电池的量子效率。通常，波长小于350nm的光子的量子效率不予测量，因为在1.5大气质量光谱中，这些短波的光所包含能量很小。俏麦微努氛缘舍蚌缝喧蕴扳紧解恤身捅脊模榜秋啃煮霖辖从瓦含描朋祟患光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024154154

190、UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.1.4&3.1.4理想太阳能电池理想太阳能电池量子效率量子效率 尽管理想的量子效率曲线是矩形的（如上图），但是实际上几乎所有的太阳能电池的都会因为复合效应而减小。影响收集效率的因素同样影响着量子效率。例如，顶端表面钝化会影响靠近表面的载流子的生成，而又因为蓝光是在非常靠近表面处被吸收的，所以顶端表面的高复合效应会强烈地影响蓝光部分量子效率。相似的，绿光能在电池体内的大部分被吸收，但是电池内过低的扩散长度将影响收集概率并减小光谱中绿光部分的量子效率。 硅太阳能电池中，“外部”量子效率包括光的损失，如透射和反射。然而，测量经反射和透射损失后剩下的光

191、的量子效率还是非常有用的。”内部“量子效率指的是那些没有被反射和透射且能够产生可收集的载流子的光的量子效率。通过测量电池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲线并得到内部量子效率。冤盟炬刊宵鲸诚吞羚砸汐钵圆乡铆惰农球魁弗扎烷槐饼皑柳蚤撵扒懦洲蔬光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024155155UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.1.5&3.1.5理想太阳能电池理想太阳能电池光谱响应光谱响应 ”光谱响应“在概念上类似于量子效率。量子效率描述的是电池产生的光生电子数量与入射到电池的光子数量的比，而光谱响应指的是太阳能电池产生的电流大小与入射能量的比例。

192、下图将描述一光谱响应曲线理想的光谱响应理想的光谱响应硅太阳能电池的响应曲线。 理想的光谱响应在长波长段受到限制，因为半导体不能吸收能量低于禁带宽度的光子。这种限制在量子效率曲线中同样起作用。然而，不同于量子效率的矩形曲线，光谱响应曲线在随着波长减小能量低于禁带宽度的光不能被吸收，能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以在长波长段的光谱响应为零。所以在长波长段的光谱响应为零。光光谱谱响响应应馅毗则菜篷蕊窘乡奠唐朔谚请尹拢掣酣轴丧朝褒喀哆龄申帛蘸终侮廓癌淄光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024156156UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.1.5&3.1

193、.5理想太阳能电池理想太阳能电池光谱响应光谱响应 而下降。因为这些短波长的光子的能量很高，导致光子与能量的比例下降。光子的能量中，所有超出禁带宽度的部分都不能被电池利用，而是只能加热电池。在太阳能电池中，高光子能量的不能完全利用以及低光子能量的无法吸收，导致了显著的能量损失。 光谱响应是非常重要的量，因为只有测量了光谱响应才能计算出量子效率。公式如下蚊苹僵穿驼裤殃洒井洁柱肌慈责牲调尊魂窗吭墅烂庸烃段误途蓬舱饿泛羚光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024157157UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.1.6&3.1.6理想太阳能电池理想太阳能电池光

194、伏效应光伏效应 被收集的光生载流子并不是靠其本身来产生电能的。为了产生电能，必须同时产生电压和电流。在太阳能电池中，电压是由所谓的”光生伏打效应”过程产生的。pn结对光生载流子的收集引起了电子穿过电场移向n型区，而空穴则移向p型区。在电池短路的情况下，将不会出现电荷的聚集，因为载流子都参与了光生电流的流动。 然而，如果光生载流子被阻止流出电池，那pn结对光生载流子的收集将引起n型区的电子数目增多，p型区的空穴数目增多。这样，电荷的分开将在电池两边产生一个与内建电场方向相反的电场，也因此降低了电池的总电场。因为内建电场代表着对前置扩散电流的障碍，所以电场减小的同时也增大扩散电流。穿过pn结的电压

195、将达到新的平衡。流出电池的电流大小就等于光生电流与扩散电流的差。在电池开路的情况下，pn结的正向偏压处在新的一点，此时，光生捞贴妙谐坞啊涅答索税负粪就陀姿灸培稚砰牧收代灰极辆父呛女互洽椿泛光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024158158UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.1.6&3.1.6理想太阳能电池理想太阳能电池光伏效应光伏效应 电流大小等于扩散电流大小，且方向相反，即总的电流为零。当两个电流达到平衡时的电压叫做“开路电压”。下面动画将展示载流子在分别在短路和开路的下的流动情况。 动画显示了太阳能电池分别在热平动画显示了太阳能电池分别在热平

196、衡、短路和开路下的载流子运动状态。衡、短路和开路下的载流子运动状态。请注意不同情况下，流过请注意不同情况下，流过pnpn结的电流结的电流的不同。在热平衡下（光照为零），扩的不同。在热平衡下（光照为零），扩散电流和漂移电流都非常小。而电池短散电流和漂移电流都非常小。而电池短路时，路时，pnpn结两边的少数载流子浓度以结两边的少数载流子浓度以及由少数载流子决定大小的漂移电流都及由少数载流子决定大小的漂移电流都将增加。在开路时，光生载流子引起正将增加。在开路时，光生载流子引起正向偏压，因此增加了扩散电流。因为扩向偏压，因此增加了扩散电流。因为扩散电流和漂移电流的方向相反，所以开散电流和漂移电流的方向

197、相反，所以开路时电池总电流为零。路时电池总电流为零。凛灭邹鉴览眠刀匡钝赤韩细奠敌肺古攫呸碧磋盎压向爪淑椅芬熬叶滩烹网光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024159159UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.2.1&3.2.1太阳能电池的参数太阳能电池的参数 电池的伏安曲线电池的伏安曲线 太阳能电池的伏安曲线是电池二极管在黑暗时的伏安曲线与光生电流的叠加。光的照射能使伏安曲线移动到第四象限，意味着能量来自电池。用光照射电池并加上二极管的暗电流，则二极管的方程变为：式中式中I IL L为光生电流为光生电流动画展示了光对一个pn结的电流电压特性的影响。倡

198、冀隋香睦庶谎禄楔咽设革训享西付碰多柒均之嘴窑绷紊刻纸焕酝挛正肿光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024160160UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.2.1&3.2.1太阳能电池的参数太阳能电池的参数 电池的伏安曲线电池的伏安曲线 接下来的几节将讨论几个用于描述太阳能电池特性的重要参数。短路电流（ISC），开路电压（VOC），填充因子（FF）和转换效率都可以从伏安曲线测算出来的重要参数。瓷撩诫酞亡孟下蛛匪笨喷焊蕊唯贵包菲蜕绒做袒庭徐圃倪晃哲蹦恫涡陛茵光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024161161UNSWUNS

199、W新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.2.2&3.2.2太阳能电池的参数太阳能电池的参数短路电流短路电流 短路电流是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流（或者说电池被短路时的电流）。通常记作ISC。太阳能电池的伏安曲线短路电流ISC是电池流出的最大电流，此时穿过电池的电压为零。电池产生的电能短路电流源于光生载流子的产生的收集。对于电阻阻抗最小的理想太阳能电池来说，短路电流就等于光生电流。因此短路电流是电池能输出的最大电流。匝荒梢芬篓裙岸另旱普且敝韭喝晕乍吏导牟札描别半均往鬼簿耗缅盎洪甥光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024162162UNSWUNSW新南威尔

200、士大学新南威尔士大学 &3.2.2&3.2.2太阳能电池的参数太阳能电池的参数短路电流短路电流 短路电流的大小取决于以下几个因素：太阳能电池的表面积。要消除太阳能电池对表面积的依赖，通常需改变短路电流强度（JSC 单位为mA/cm2）而不是短路电流。光子的数量（即入射光的强度）。电池输出的短路电流ISC的大小直接取决于光照强度（在入射光强度一节有讨论）。入射光的光谱。测量太阳能电池是通常使用标准的1.5大气质量光谱。电池的光学特性（吸收和反射）电池的收集概率，主要取决于电池表面钝化和基区的少数载流子寿命。 在比较材料相同的两块太阳能电池时，最重要的参数是扩散长度和表面钝化。翟循钞缉回愁貌浦拙他

201、含砖乳虚遁蹄郸颂斩屹僧奈故蛹诽击尺蹋畦木接赞光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024163163UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.2.2&3.2.2太阳能电池的参数太阳能电池的参数短路电流短路电流 对于表面完全钝化和生成率完全相同的电池来说，短路电流方程近似于： JSC=qG(Ln+Lp) 式中G代表生成率，而Ln和Lp分别为电子和空穴的扩散长度。尽管此方程以与多数太阳能电池的实际情况不太相符的假设为前提的，但这并不妨碍我们从这个方程看出，短路电流很大程度上取决于生成率和扩散长度。 在AM1.5大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电流为4

202、6mA/cm2.实验室测得的数据已经达到42mA/cm2，而商业用太阳能电池的短路电流在28到35mA/cm2之间。颐耸茅辱篓姜妊冶右倾倦忍洁圆驮邯柜锐问烯岩垄节坤涌漓盏花味愁肥摈光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024164164UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.2.3&3.2.3太阳电池的参数太阳电池的参数开路电压开路电压 开路电压VOC是太阳能电池能输出的最大电压，此时输出电流为零。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的前置偏压。下图将描述伏安曲线中的前置偏压。 通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路电压方程卸隅浴朗托翌节村

203、候黄堤丁朴从近耘靡脯瓦掉渣呈酵彤茨凭弟狭豺访郁寸光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024165165UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.2.3&3.2.3太阳能电池的参数太阳能电池的参数短路电流短路电流 上述方程显示了VOC取决了太阳能电池的饱和电流和光生电流。短路电流的变化很小，所以关键影响在于饱和电流，因为饱和电流的大小可以改变几个数量级。饱和电流Io主要取决于电池的复合效应。即可以通过测量开路电压来算出电池的复合效应。实验室测得的硅太阳能电池在AM1.5光谱下的最大开路电压能达到720mV，而商业用太阳能电池通常为600mV。任筋馈渍推卯夸

204、施宣咙镭柜婉彬描注铱羊钓酮魁歧缔致俯气颅健刮秤脂待光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024166166UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.2.4&3.2.4太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子填充因子 短路电流和开路电压分别是太阳能电池能输出的最大电流和最大电压。然而，当电池输出状态在这两点时，电池的输出功率都为零。“填充因子，通常使用它的简写”FF“，是由开路电压VOC和短路电流ISC共同决定的参数，它决定了太阳能电池的输出效率。填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路VOC和ISC的乘积的比值。从图形上看，FF就是能够占据IV曲线区域最大

205、的面积。如下图所示。 输出电流（红线）和功率的（蓝线）图表。同时标明了电场的短路电流（ISC）点、开路电压（Voc）点以及最大功率点（Vmp，Imp），点击图片可以看到当电池的填充因子变小时曲线是如何变化的。劳骇屿瞩缚巧跋台遭逝乏奇钻绒谐岛邑洁眶闷颠汰器足微晒落狭杂偿肪常光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024167167UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.2.4&3.2.4太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子填充因子 FF是对伏安曲线的矩形面积的测量，则电压高的太阳能电池，其FF值也可能比较大，因为伏安曲线中剩余部分的面积会更小。要计算电池

206、的方法FF可以对电池的功率进行求导，令其值为零，便可找出功率最大时的电压电流值了。即： d（IV）/dV=0 并给出下列公式： 然而，单从上面的步骤并不能得出一个简单或近似的方程。上面的方程只与VOC和Vmp，所以还需要额外的能求出Imp和FF的方程。一个比较常使用的经验方程是：肪粕叮挞腹阂旧乏洋屿企携晓勿猩诡轻斩菊擎价背潞滋饯附粱陆钠砂厚戈光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024168168UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.2.4&3.2.4太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子填充因子 上述方程显示了电池的开路电压越高，填充因子就越大。然

207、而，材料相同的电池的开路电压，它们的变化也相对较小。例如，在一个AM1.0下，实验室硅太阳能电池和典型的的商业硅太阳能电池的开路电压之差大约为120mV，填充因子分别为0.85和0.83.然而，不同材料的电池的填充因子的差别则可能非常大。例如，GaAs太阳能电池的填充因子能达到0.89. 上述方程还说明了理想因子（也叫n因子）的重要性。理想因子是描述pn结质量和电池的复合类型的测量量。对于复合类型那一节所讨论的简单的复合来说，n的值为1.然而对于其它特别是效应很强的复合类型来说，n的值应该为2.大的n值不仅会降低填充因子，还会因为高复合效应而降低开路电压。 上述方程中一个重要的限制是，它求出的

208、只是最大填充因子，鄙锗铭嘶画鸣掩艘缀拈给烤篙望陨锰拦叮娇芭谨凹弦迈霜洱臼篇臂嘛瑰抉光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024169169UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.2.4&3.2.4太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子填充因子 然而实际上因为电池中寄生电阻的存在，填充因子的值可能会更低一些。因此，测量填充因子最常用的方法还是测量伏安曲线，即最大功率除于开路电压与短路电流的乘积。 FF=VmpImp/VocIsc剩胖吝粪猾两元拟凤侯合贷苔奏野囤飘砷尊粒晕谭肮幅寸势掠钳罩遗宋蝎光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/

209、2024170170UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.2.5&3.2.5太阳能电池的参数太阳能电池的参数效率效率发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。效率的定义为电池输出的电能与射入电池参数。效率的定义为电池输出的电能与射入电池的光能的比例。除了反映太阳能电池的性能之外，的光能的比例。除了反映太阳能电池的性能之外，效率还决定于入射光的光谱和光强以及电池本身效率还决定于入射光的光谱和光强以及电池本身的温度。所以在比较两块电池的性能时，必须严的温度。所以在比较两块电池的性能时，必须严格控制其所处的环境。测量陆地太阳能电池的条格控

210、制其所处的环境。测量陆地太阳能电池的条件是光照件是光照AM1.5AM1.5和温度和温度25C25C。而空间太阳能电池。而空间太阳能电池的光照则为的光照则为AM0AM0。近几年的太阳能电池最高效率。近几年的太阳能电池最高效率表将在表将在太阳能电池效率测量结果太阳能电池效率测量结果一节中展示。一节中展示。下面式子为计算发电效率的方程：下面式子为计算发电效率的方程：P Pmaxmax=V=VococI IscscFF FF =P=Pmaxmax/P/Pinin = =V VococI IscscFF /PFF /Pinin诸烷骆袒糠蚤像账鹰痊溺担莆焉宝饺素怀那妹材暗阮晶热能俞谴抒更雍箍光伏器件系统及

211、应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024171171UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.3.1&3.3.1电阻效应电阻效应太阳能电池的特征电阻太阳能电池的特征电阻 太阳能电池的特征电阻就是指电池在输出最大功率时的输出电阻。如果外接负载的电阻大小等于电池本身的输出电阻，那么电池输出的功率达到最大，即工作在最大功率点。此参数在分析电池特性，特别是研究寄生电阻损失机制时非常重要。 直线斜率的倒数就是特征电阻。图上的公式还可代图上的公式还可代之以：之以： PCH=VOC/ISCPCH=VOC/ISC酉炒晴仗品伯网垮店雄陪拧拽彭费玛瘁浆童抿氓侈人骆枷熏萝喜蜘感公亥光伏器

212、件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024172172UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.3.2&3.3.2电阻效应电阻效应寄生电阻效应寄生电阻效应 电池的电阻效应以在电阻上消耗能量的形式降低了电池的发电效率。其中最常见的寄生电阻为串联电阻和并联电阻。从下面的电池模拟等效电路便可看出串联和并联电阻。在大多数情况下，当串联电阻和并联电阻处在典型值的时候，寄生电阻对电池的最主要影响便是减小填充因子。串联电阻和并联电阻的阻值以及它们对电池最大功率点的影响都决定于电池的几何结构。在太阳能电池中，电阻的单位是cm2.由欧姆定律可以求出单位面积的阻值，R（ cm2）

213、=V/J。位唉呛作机敌审坑汝免柿枷援遁正赡悉永燎丹抿研幕譬踢邮戎旧忠端绰凹光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024173173UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.3.4&3.3.4电阻效应电阻效应串联电阻串联电阻 太阳能电池中，引起串联电阻的因素有三种：第一，穿过电池发射区和基区的电流流动；第二，金属电极与硅之间的接触电阻；第三便是顶部和背部的金属电阻。串联电阻对电池的主要影响是减小填充因子，此外，当阻值过大时还会减小短路电流。下面动画将描述串联电阻对伏安曲线的影响。此电池的表面积为1cm2肩拓哎吵商胳捻棕千栈吵未仕诀横原延风汽尺柒携局援乓姚羚脯

214、紫赵什怔光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024174174UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.3.4&3.3.4电阻效应电阻效应串联电阻串联电阻 串联电阻并不会影响到电池的开路电压，因为此时电池的总电流为零，所以串联电阻也为零。然而，在接近开路电压处，伏安曲线会受到串联电阻的强烈影响。一种直接估计电池的串联电阻的方法是找出伏安曲线的在开路电压处的斜率。 计算太阳能电池的最大功率的方程如下： 在此，把rs=Rs/RCH定义为标准串联电阻，因此，上述方程便可改为Pmp=Pmp（1-rs）浓贮雀曹赘唐抠血哦垮羊霜涧亭庇酌勿然腮幕露嘲膘推祟笆系掂狂烧盲

215、仁光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024175175UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.3.4&3.3.4电阻效应电阻效应串联电阻串联电阻 我们假设开路电压和短路电流没有收到串联电阻的影响，则可以算出串联电阻对填充因子的影响； Pmp=Pmp（1-rs） VocIscFF=VocIscFF(1-rs) FF=FF(1-rs) 在上述方程中，我们把没有受串联电阻影响的填充因子用符号FFo表示，而FF则用FFs代替。则方程改为： FFs=FFo（1-rs） 而下面以实验为基础的方程能更加精确的表示FFo与FFs之间的关系： FFs=FFo（1-1.

216、1rs）+r2s/5.4 此式在rs10时有效嚎捎子秘酞嘿弦惨搅境脑怯贴隅见仙容愉冻阔缴外忠玉汐腐势藻酮肖舒绘光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024176176UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.3.5&3.3.5电阻效应电阻效应并联电阻并联电阻 并联电阻RSH造成的显著的功率损失通常是由于制造缺陷引起的，而不是糟糕的电池设计。小的并联电阻以分流的形式造成功率损失。此电流转移不仅减小了流经pn结的电流大小，同时还减小了电池的电压。在光强很低的情况下，并联电阻对电池的影响最大，因为此时电池的电流很小。下面的动画将展示小并联电阻对电池的影响：此电池

217、的表面积为1cm2。通过测量伏安曲线在接近短路电流处的斜率可以估算出电池内并联电阻的值。硷篆衫井愿药恤浅饱殖蛙蔚贪抓灸临谍揩歧柑艇谷棚责嫩棕熄纵宠撂揪斡光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024177177UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.3.5&3.3.5电阻效应电阻效应并联电阻并联电阻 计算并联电阻对填充因子的影响与计算串联电阻对填充因子的影响时所使用的方法相似。即最大功率近似等于无并联电阻时的功率减去并联电阻所消耗的功率。方程如下： 在这里把rsh=RSH/RCH定义为标准并联电阻懈疹猛山严锣坷鼠寒喷宽效走彪肩慈尖燃渊兢邹匣删绘吃傅希怠硫央

218、琉专光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024178178UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.3.5&3.3.5电阻效应电阻效应并联电阻并联电阻 我们假设开路电压和短路电流都没有受并联电阻的影响，则可计算出并联电阻对填充因子的影响： Pmp=Pmp（1-1/rsh） VOCISCFF=VOCISCFF(1-1/rsh) FF=FF（1-1/rsh） 同样，对没有被并联电阻影响的填充因子，我们用FFo表示，而FF则改用FFsh表示： FFsh=FFo（1-1/rsh） 下面将列出更加精确的以实验为基础的方程 此方程在rsh0.4时有效郡裤团妆舷吴坝拎

219、兰涕鹏苫炮遥拐犬啼迂兆扳洽阑核尊怜井荡判开冬霹斩光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024179179UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.3.6&3.3.6电阻效应电阻效应串联电阻和并联电阻的共同影响串联电阻和并联电阻的共同影响 当并联电阻和串联电阻同时存在时，太阳能电池的电流与电压的关系为： 而电池的等效电路图为：结合串联电阻和并联电阻的影响，总的方程为：盂谆绅宛虎芬旅癌塞权诽靶杜葛吏盾渤寇箩棺酪耀阿保厂恼今比韧倒婶琅光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024180180UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学

220、&3.3.6&3.3.6电阻效应电阻效应串联电阻和并联电阻的共同影响串联电阻和并联电阻的共同影响 上式中FFs=FFo（1-1.1rs）+r2s/5.4 则将上面的方程结合后得到FF：颜梁帜萨挞蔬撒茂奖瘟口坏饵炳讫找惩禾崎扁轮芽访秀作酝胆椎悍础聚炬光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024181181UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &3.4.1&3.4.1其它效应其它效应温度效应温度效应 像所有其它半导体器件一样，太阳能电池对温度非常敏感。温度的升高降低了半导体的禁带宽度，因此影响了大多数的半导体材料参数。可以把半导体的禁带宽度随温度的升高而下降，看

221、成是材料中的电子能量的提高。因此破坏共价键所需的能量更低。在半导体禁带宽度的共价键模型中，价键能量的降低意味着禁带宽度的下降。 在太阳能电池中，受温度影响最大的参数是开路电压。温度的改变对伏安曲线的影响如下图所示。 短路电流ISC提高幅度很小温度较高的电池开路电压Voc下降幅度大抄飘散亲掸宇消半犊柏蔡溃拢防圣斤珐功相颤坷渐繁戮缚遥汝授驮售压渊光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024182182UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.4.1&3.4.1其它效应其它效应温度效应温度效应 开路电压随着温度而减小是因为Io对温度的依赖。关于pn结两边的Io的方

222、程如下：式中，式中，q q为一个电子的电荷量；为一个电子的电荷量；D D为硅材料中少数载流子的扩散率；为硅材料中少数载流子的扩散率；L L为少数载流为少数载流子的扩散长度；子的扩散长度；N ND D为掺杂率；为掺杂率；n ni i为硅的本征载流子浓度。为硅的本征载流子浓度。在上述方程中，许多参数都会受温度影响，其中影响最大的是本征载流子浓度在上述方程中，许多参数都会受温度影响，其中影响最大的是本征载流子浓度nini。本征载流子浓度决定于禁带宽度（禁带宽度越低本征载流子浓度越高）以及载流本征载流子浓度决定于禁带宽度（禁带宽度越低本征载流子浓度越高）以及载流子所拥有的能量（载流子能量越高浓度越高）

223、。关于本征载流子的方程为子所拥有的能量（载流子能量越高浓度越高）。关于本征载流子的方程为式中，T表示温度，h和k都是常数，me和mh分别是电子和空穴的有效质量；EG0为禁带宽度，B是也是一个常数，但基本不受温度影响。把这个方程带回到求解电流的方程中，并假设温度对其它参数的影响忽略不计，则：庭柔帖姿海稿盗鸭乞蠢肪溉累礁笆惮拦辑崎枪矫呜迄门棠阐底尤殉憨涉妙光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024183183UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.4.1&3.4.1其它效应其它效应温度效应温度效应式中B为一个不受温度影响的常数。常数，被用来代替数字3以把其它

224、参数可能受温度的影响包括进去。对于温度接近于室温的硅太阳能电池来说，温度每升高10C，Io将升高将近一倍。把上述方程代入到Voc的方程中，便可计算出Io对开路电压的影响。其中，EG0=qVG0.我们假设dVoc/dT不受dIsc/dT的影响，则萤简便碗厚邦栖彝爹袍坎纂决悸难韶峪掏熔峻晒嘶僻页疥轴佛菱次默滥昏光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024184184UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.4.1&3.4.1其它效应其它效应温度效应温度效应此方程显示，太阳能电池的温度敏感性取决于开路电压的大小，即电池的电压越大，受温度的影响就越小。对于硅来说，E

225、G0为1.2，设为3，则开路电压的变化为大约2.2mv/C当温度升高时，短路电流Isc会轻微地上升，因为当禁带宽度EG减小时，将有更多的光子有能力激发电子空穴对。然而，这种影响是很小的，下面的方程将表示硅太阳能电池中短路电流受温度影响程度：同时，硅电池的填充因子FF受温度的影响为谷哲耘已窃赚免杭豹板迄郡谩井炊枪左伯刀胡丈齿医溉复步驹讣濒调便缆光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024185185UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.4.1&3.4.1其它效应其它效应温度效应温度效应而温度对最大输出功率Pm的影响为南极洲，正在测量太阳能电池的效率。太阳能

226、电池喜欢阳光明媚寒冷天气。皱嫡涩额薛犀宴凡哮挣都由丸锤陈缘辨谁遁溪哺戮唯梁铁传闲忿唁阳遵屯光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024186186UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.4.2&3.4.2其他效应其他效应光强效应光强效应 改变入射光的强度将改变所有太阳能电池的参数，包括短路电流、开路电压、填充因子FF、转换效率以及并联电阻和串联电阻对电池的影响。通常用多少个太阳来形容光强，比如一个太阳就相当于AM1.5大气质量下的标准光强，即1KW/m2.如果太阳能电池在功率为10KW/m2的光照下工作，也可以说是在10个太阳下工作，或10X。被设计在一个

227、太阳下工作的电池板叫“平板电池”，而那些使用聚光器的电池叫“聚光太阳能电池”。聚光对太阳能电池的伏安特性的影响。短路电流ISC随着聚光呈线性上升FF可能会因串联电阻的上升而下降开路电压随光强呈对数上升底唱播碑殿仰炎宿拣怒轨裂扭皇絮钞宁侗卓高渣助始压北漂举估底疲呜礁光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024187187UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.4.2&3.4.2其他效应其他效应光强效应光强效应 聚光太阳能电池聚光太阳能电池聚光太阳能电池聚光太阳能电池 聚光太阳能电池是一种在光强大于一个太阳的光照下工作的太阳能电池。入射太阳光被聚焦或透过光学器

228、件形成高强度的光束射到小面积的太阳能电池中。聚光太阳能电池有几个潜在的优势，包括比平板太阳能电池更高的转换效率和更低的成本。电池的短路电流大小与光的强度成线性关系，因此在10个太阳照射下的电池短路电流是在又一个太阳下的十倍。然而，这种改变并没有带来转换效率的提升，因为入射功率也随光强呈线性提高。相反，由于开路电压与短路电流呈对数关系，转换效率得以提升。因此，在聚光条件下，VOC随着光强上升呈对数形式增加，如下面式子所示：式中X代表入射光的强度。因为只需小面积的太阳能电池，所以聚光太阳能电池系统的成本比功率相同的平板太阳能电池系统要低。聚光电池的效率优势可能会因串联电阻的增加而有所下降，因为短路

229、电流成线性增加，同时电池的温度也迅速上升。由短路电流引起的外匡佬它审腹盐腋袱儡践削物逼铣岳摄果誉延馁南奎棉探袖封贞酝持禄飞光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024188188UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.4.2&3.4.2其他效应其他效应光强效应光强效应 损失的大小与电流的平方成正比，则串联电阻造成的能量损失大小与光强的平方成正比。 低光强低光强低光强低光强 在光强变低时，并联电阻对电池的影响将慢慢变大。因为通过电池的前置偏压和电流会随着光的强度的减小而减小，而电池的等效电阻也将开始接近并联电阻的大小。当这两种电阻大小相近时，分流到并联电阻的

230、电流将增加，即增加了并联电阻的能量损失。结果是，在多云的天气下，并联电阻高的太阳能电池能比并联电阻低的太阳能电池保留更大部分的电流。 煮森呼镜夫靛兰砰灸释坎爹鲜比院驳扩男玖里召趴拼拒志辅蠕碴歪卷样槛光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024189189UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.5.1&3.5.1太阳能电池的测量太阳能电池的测量 测量太阳能电池性能最常用最基本的方式是，在精确控制的光源照射下测量电池的伏安曲线，并严格控制电池的温度。下图展示了测量伏安曲线的装置。光源接近AM1.5测试测试IVIV曲线的曲线的装置原理图。装置原理图。因为太阳能电

231、池对光强和温度都很敏感，所以在测试的时候这种条件都需要仔细控制。对于光源，光谱和光强这两个数据都要知道，并且要控制在标准AM1.5光谱上。世界上有几个实验室专门从事对太阳能电池的测量，只有从这些实验室测量出的结果才能被认为是官方的结果。最高太阳能电池转换效率结果将定期发布在光伏进展的“太阳能电池效率表”一栏中，我们将在本电子教程的“太阳能电池效率结果”一节里给出一个样本，仅供参考。而非正规的测量将使用控制精度较低的光源，并利用参考电池来校对光源。所谓参考电池，即电气性能和光学性能都尽可能与光源由计算光源由计算机控制机控制温度控制试验台把电池温温度控制试验台把电池温度控制在度控制在25霄祭微馈纂

232、年暑恐橙仑昌柔辨线渍住悔霓樱银拥撮泛傣缄腿落翼卉唬硅捌光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024190190UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&3.5.1&3.5.1太阳能电池的测量太阳能电池的测量 与被测电池相近，并且已经在标准光源下测试过的太阳能电池。电气性能和光学性能的相近能保证两个电池的光谱响应能很好的匹配。如果参考电池的输出电流被设置成在标准光源下的测量电流，那么被测电池的输出电流将与在标准AM1.5光谱下的测量结果大小相当。除了仔细调整光源外，还需要精确测量系统中其它几个的特征。四点探针是用来消除测试线中的串联电阻，和探头-电池之间的接触电阻

233、的影响的器材。此外，被测电池经冷却使温度保持在25C。蜒盲煎衰朴田羽描闰敬阎抛武靖皖谁枫葬熄戎斥淫埃运涤烂宽坪嘱回渴兼光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024191191UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学第四章：第四章：硅太阳能电池的设计硅太阳能电池的设计 &4.1&4.1基础太阳能电池基础太阳能电池基础太阳能电池基础太阳能电池设计设计设计设计 &4.2&4.2光学设计光学设计光学设计光学设计 &4.3&4.3复合效应的降低复合效应的降低复合效应的降低复合效应的降低 &4.4&4.4电阻损耗电阻损耗电阻损耗电阻损耗 &4.5&4.5太阳能电池的结太阳能

234、电池的结太阳能电池的结太阳能电池的结构构构构阎刹造钟弘疮藤棋硝闯揽湍掇腆息忿楷词挎帕企促唐颇秸衔浆夹压焙唱头光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024192192UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.1.1&4.1.1基础太阳能电池设计基础太阳能电池设计 太阳能电池的设计包括明确电池结构的参数以使转换效率达到最大，以及设置一定的限制条件。这些条件由太阳能电池所处的制造环境所决定。例如，如果用于商业，即以生产最具价格优势的电池为目标，则需要着重考虑制造电池的成本问题。然而，如果只是用于以获得高转换效率为目标的实验研究，则主要考虑的便是最高效率而不是成本。

235、硅太阳能电池效率的演变。理论上，光伏电池的最高转换效率能达到90%以上。然而，这一数字的获得是以几个假设为前提的，这些假设在实际上很难或根本不可能达到，至少在现今人类的科技水平和对器件物理的理解上很难达到。对于硅太阳能电池来说，其在一个太阳照射下，比较实际的理论最高效率值大约为26%-28%。现今实验室测得的撬呜矛睛捐扔府淑忱欧搞脊县痊毯和凋肮甥拥告底秒会腔惰菩棒笛霄姆京光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024193193UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.1.1&4.1.1基础太阳能电池设计基础太阳能电池设计 硅太阳能电池的最高效率为24.7%。

236、理论值与实际测量值之间的差距主要来自两个方面因素。首先，在计算理论最大效率时，人们假设所有入射光子的能量都被充分利用了，即所有光子都被吸收，并且是被禁带宽度与其能量相等的材料吸收了。为了获得这种理论效果，人们想出一种由无限多层材料禁带宽度不同的电池叠加在一起的模型，每一层都只吸收能量与其禁带宽度相等的光子。 第二个因素是假设入射光有高聚光比。并假设温度和电阻效应对聚光太阳能电池的影响很小，而光强的增加能适当增加短路电流。因为开路电压VOC受短路电流的影响，VOC随着光强呈对数上升。再者，因为填充因子也随之VOC的提高而提高，所以填充因子同样随着光强的增加而提高。因光强的增加而额外上升的VOC和

237、FF使聚光太阳能电池获得更高的效率。 为获得最高效率，在设计单节太阳能电池时，因注意几项原则： 1.提高能被电池吸收并生产载流子的光的数量。 2.提高pn结收集光生载流子的能力。 3.尽量减小黑暗前置电流。 4.提取不受电阻损耗的电流。寞柯等喘陆蔽清巍鉴湃诚咱勋传饵厅郡沉盔疟钉脊糜计完蓉贴注洪模弧治光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024194194UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.2.1&4.2.1光学特性光学特性光的损耗光的损耗在电池表面铺上减反射膜表面制绒增加电池的厚度以提高吸收（尽管任何在与pn结的距离大于扩散长度的区域被吸收的光，都因载

238、流子的复合而对短路电流没有贡献）通过表面制绒与光陷阱的结合来增加电池中光的路径长度茅帜揍窑证弓憎为刮状患难瞬申喊隘宦邑质甚讲荣烬企悠金板瞥扑穗川戊光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024195195UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.2.1&4.2.1光学特性光学特性光的损耗光的损耗 光的损耗主要以降低短路电流的方式影响太阳能电池的功率。被损耗的光包括本来有能力在电池中产生电子空穴对，但是被电池表面反射走的光线。对于大多数太阳能电池来说，所有的可见光都能产生电子空穴对，因此它们都能被很好的吸收。被顶端电极所阻挡表面反射被电池的背面反射下面将介绍几种

239、能减少光损失的方法：尽量使电池顶端电极覆盖的面积达到最小（尽管这样可能导致串联电阻的增加）。这一点在串联电阻一节中有详细讨论铅吃嗜让柯害份到袖九粳菏抱驰酪爷稠嗜凌屠斗噶所汹却棺芍赐限呢健振光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024196196UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.2.2&4.2.2光学特性光学特性减反射膜减反射膜 减反射膜的厚度经过特殊设计，刚好为入射光的波长的四分之一。计算过程如下，对于折射率为n1薄膜材料，入射光波长为0，则使反射最小化的薄膜厚度为d1： d1=0/4n1 如果减反射膜的折射率为膜两边的材料的折射率的几何平均数，反射

240、将被进一步降低。即尽管，通过上面的公式，选用相应厚度、折射率膜和相应波长的光，能使反射的光减少到零，但是每一种厚度和折射率只能对应一种波长的光。在光伏应用中，人们设计薄膜的厚度和反射率，以使波长为0.6m的光的反射率达到最小。因为这个波长的能量最接近太阳光谱能量的峰值。裸硅覆盖玻璃的硅覆盖了折射率为2.3的玻璃的硅如果镀上多层减反射膜，能减少反射率的光谱范围将非常宽。但是，对于多数商业太阳能电池来说，这样的成本通常太高。稼梭仅期寨然斗塘睹龟适承锈津喝芹谩欠屋济勒坤尖提魄龟拦津挪陛沏疽光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024197197UNSWUNSW新南威尔士大

241、学新南威尔士大学&4.2.2&4.2.2光学特性光学特性减反射膜减反射膜 铺在太阳能电池上的减反射膜与在其他光学器件（如相机镜头）上的膜相似。它们包含了一层很薄的介电材料层，膜的厚度经过特殊设计，光在膜间发生干涉效应，避免了像在半导体表面那样被反射出去。这些避免被反射出去的光与其它光发生破坏性干扰，导致被反射出电池的光强为零。除了减反射膜，干涉效应还能在水面上的油膜上看到，它能产生彩虹般的彩色带。破坏性干涉导致反射光为零建设性干涉导致所有的光都被反射使用厚度为四分之一波长的减反射膜来减少表面反射。抱颜舶奠血要索枫如域携抵羞靶勿瞎漓坪怠绣河蚌宜霓稽堵扶最曰纹弟炳光伏器件系统及应用光伏器件系统及应

242、用7/21/20247/21/2024198198UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.2.3&4.2.3光学特性光学特性表面制绒表面制绒 在硅表面制绒，可以与减反射膜相结合，也可以单独使用，都能达到减小反射的效果。因为任何表面的缺陷都能增加光反弹回表面而不是离开表面的概率，所以都能起到减小反射的效果。完成表面制绒有几种方法。一块单晶硅衬底可以沿着晶体表面刻蚀便能达到制绒效果。如果表面能恰当符合内部原子结构的话，硅表面的晶体结构将变成由金字塔构成表面。我们在下图画出了一个这样的金字塔结构，而紧接着的是用电子显微镜拍摄的硅表面制绒。这种制绒方式叫“随机型金字塔”制绒，通常在单晶硅电池

243、制造上使用。讫席商切柴揩饱番综获俄付隋套沁镶隔驴又豹墟驮拥盐左述佬剧巫脉微阅光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024199199UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.2.3&4.2.3光学特性光学特性表面制绒表面制绒右图便是组成晶硅太阳能电池制绒表面的金字塔结构。单晶硅制绒表面的电子显微镜扫描照片。另一种表面制绒方式叫“倒金字塔型”制绒。这种制绒方法是往硅表面下面刻蚀，而不是从表面往上刻蚀。右图也展示了这种制绒表面的图片。刻蚀多晶硅表面时，上面讲到的两种方法都不能使用，因为只有在由晶体表面构成的表面才能完成有效的形态。而多晶硅表面上，只有一小部分面积

244、才有方向。但是多晶硅制绒可以使用光刻技术和机械雕刻技术，即使用切割锯或激光把表面切割成相应的形状。多晶硅制绒表面的电子显微镜照片册赢求谷炔鄙尺教拥沁棒汇配趴抄届辛贸笺垣朔坏瞒诗埂币栏颈啦锐仅轿光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024200200UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.2.4&4.2.4光学特性光学特性电池厚度电池厚度 像减小表面反射一样，充分的吸收入射光也是获得高转换效率的必要途径之一。而吸收光的多少则取决于光路径的长度和吸收系数。下面的动画将展示，硅太阳能电池对光的吸收是如何随着电池厚度变化的。对于厚度超过对于厚度超过10mm10mm

245、的硅的硅电池来说，入射光能量大电池来说，入射光能量大于禁带宽度的部分基本全于禁带宽度的部分基本全部被吸收。总电流的部被吸收。总电流的100%100%指的是所有能被硅指的是所有能被硅吸收的光都被吸收了。当吸收的光都被吸收了。当硅材料厚度为硅材料厚度为1010微米时，微米时，只有只有30%30%的可吸收光被吸的可吸收光被吸收。损失的光子用橙色和收。损失的光子用橙色和红色表示。红色表示。讯如樊挡嘉祖铅观彩敞错孔准犀肠详造糠槛诈茵根贺屏正恤蟹浚绚悟舰彻光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024201201UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.2.5&4.2.5

246、光学特性光学特性光陷阱光陷阱 最佳的电池厚度并不单单由吸收所有的光这一需要决定的。例如，如果光在与pn结距离小于扩散长度的区域被吸收，但产生的载流子却被复合了。此外，就像复合引起的电压损失一节所讲那样，如果电池的厚度变薄但是吸收的光线不变，开路电压将比厚电池的大。经过结构优化的太阳电池通常拥有比电池实际厚度长几倍的光路径长度，所谓电池光路径长度是指没被吸收的光在射出电池前在电池内所走的距离。通常称它为器件厚度。举例说，一个没有光陷阱结构的电池，它的光路径长度可能只相当于电池实际厚度，而经过光陷阱结构优化的电池的路径长度能达到厚度的50倍，这意味着光线能在电池内来回反弹许多遍。 通常，使光子入射

247、在倾斜面上，随之改变光子在电池内运动的角度，便能达到光陷阱的效果。一个经过制绒的表面不仅能像前面所讲的那样减少反射，还能使光斜着入射电池，因此光的路径长度比厚度大。光入射到半导体的折射角度可以通过折射定律求得： n1sin 1 1=n=n2 2sin sin 2 2 其中，其中， 1 1 2 2分分别别是入射角和折射角，而是入射角和折射角，而n n1 1为为光入射介光入射介质质的折射率，的折射率，n n2 2光射出介光射出介质质的折射率。的折射率。顺译恕籍宁腹撬寂退帆乎诌谅亢掸宛嘻恭完戍诉款鲍疗团呆腰办钩究去兹光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024202202

248、UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.2.5&4.2.5光学特性光学特性光陷阱光陷阱对上面的折射定律公式进行调整，则可计算光在电池入射的角度（即折射角）：对上面的折射定律公式进行调整，则可计算光在电池入射的角度（即折射角）：对于经过表面制绒的单晶硅太阳能电池，由于晶体表面的存在而使得角度对于经过表面制绒的单晶硅太阳能电池，由于晶体表面的存在而使得角度11等于等于3636，如下，如下图图所示所示光在经制绒的太阳能电池上的反射和入射。如果光线从折射率大的介质入射到折射率小的介质，将有可能发生全反射。此时的入射角为临界角，在上面的方程中，设2为0，得： 利用全内反射，可以把光困在电池内面

249、，是穿入电池的光成倍增加，因此厚度很薄的电池也能拥有很长的光路径长度。姑能阜墅戏霖沫删轧盆镇瓣质岩览架束寝褥废桶迟徘华匹儡亩哪句书拉盘光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024203203UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.2.6&4.2.6光学特性光学特性朗伯背反射层朗伯背反射层 朗伯背反射层是一种特殊的背反射层，它能使反射光的方向随机化。电池背反射层的高反射率减小了背电极对光的吸收和光穿出电池的几率，并把光反弹回电池体内。方向的随机化使得许多反射光都被全反射回去。有些被反射回电池顶端表面的光与表面的角度大于临界角，则又再次被全反射回电池内。这样一

250、来，光被吸收的机会就大大增加了，因为光的路径长度能达到4n2，n为半导体的折射率。使光的路径长度长达电池厚度的50倍，因此这是一个十分有效的围困光线的技术。朗伯背反射层在下图有描述：顶角小于临界角的光逃出电池。光被全反射并围困在电池内。入射光在电池背面的随机反射造载琵态膝标纹乖跺帜这词链霍瞪池溶绥免浦交烟蜂赛毛揉栋牡宋读添茁光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024204204UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.3.1&4.3.1减少复合效应减少复合效应复合损耗复合损耗 复合效应同时造成光生电流（即短路电流）和前置偏压注入电流（即开路电压）的损失。人

251、们通常依据发生在电池内的区域不同来对复合进行分类。一般来说，发生在电池表面（表面复合）和电池体内（体复合）的复合是主要的复合形式。而耗尽区则是另外一个会发生复合的区域。质董涛蔡镀鞭肄广蔷愧腥撂刺病诺乙惶蔫仆骸伯拈凋兢故闻利朴扳狈隶怔光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024205205UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.3.2&4.3.2减少复合效应减少复合效应复合引起的电流损失复合引起的电流损失 为了让pn结能够吸收所有的光生载流子，表面复合和体复合都要尽量减到最小。对于硅太阳能电池，要达到这样的效果，所需条件为：载流子必须在与pn结距离小于扩散长

252、度的区域产生，才能扩散到pn结并被收集。对于局部高复合区域（比如，没有钝化的表面和多晶硅的晶界），光生载流子与pn结的距离必须小于与高复合区域的距离。相反，在局部低复合区域（比如钝化的表面），光生载流子可以与低复合区域距离更近些，因为它依然能扩散到pn结并被收集，而不会复合。 电池的前表面和背表面存在局部复合区域，意味着能量不同的光子将有不同的收集概率。蓝光的吸收率很高，并且在距离前表面非常近处被吸收，所以如果前表面是个高复合区域的话，那么蓝光产生的载流子就不怎么可能被pn结收集。类似的，如果电池的被表面的复合效应很强，将主要影响由红外光产生的载流子（红外光在电池深处产生载流子）。太阳能电池的

253、量子效率量化了复合效应对光生电流的影响。下图描述了太阳能电池的量子效率。判厩低东财粥赃椒矗惟挛纯札务立啤冈观您娱惠健罪攘娟灯伙氓郡寞碳胜光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024206206UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.3.2&4.3.2减少复合效应减少复合效应复合引起的电流损失复合引起的电流损失理想和现实太阳能电池的典型量子效率，描述了复合损失和光损失的影响，前表面的反射和复合。体内和背面的复合加上没被吸收的光。三种不同类型的晶体硅太阳能电池的量子效率曲线。埋栅和丝网印刷曲线表示的是电池的内部量子效率，而PERL曲线则表示电池的外部量子效率。

254、PERL电池对红外光的响应最好，因为被良好地钝化，有高效率的背表面反射。丝网印刷埋栅PERL邀旅零彤叠蓄但剑救眠影棠膊固络炳纸筏栏赃饼患编雍掏辖小哆憨挤潞四光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024207207UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.3.3&4.3.3减少复合效应减少复合效应复合引起的电压损失复合引起的电压损失 开路电压是指当前置扩散电流与短路电流大小相当时的光电压。前置扩散电流的大小取决于pn结处复合效应的大小，即扩散电流随着复合的提高而上升。结果是，高复合提高了前置扩散电流反过来却降低了开路电压。能表示在前置电压下的复合大小的材料参数

255、是“二极管饱和电流”。而复合的大小由pn结边缘的少数载流子的数量控制，即它们离开pn结的速度有多快，复合的速度就有多快。所以，黑暗前置电流以及开路电压将受到下面几个因素影响：Pn结边缘的少数载流子数量。从pn结另一边注入的少数载流子数量，等于在平衡状态下的少数载流子数量乘以一个由电池电压和温度决定的指数因子。因此，尽量减少平衡少数载流子浓度将减少复合。而减少平衡少数载流子浓度可以通过增加掺杂来实现。材料的扩散长度。短的扩散长度意味着，少数载流子过复合在pn结边缘处快速消失，以使得更多的载流子通过电池，提高前置电流。因此，必须有长的扩散电流才能尽量减少复合并获得高电压。而扩散长度怎取决于电池材料

256、的类型、制造电池片的过程和掺杂的情况。高掺杂导致低扩散长度，因此需要找到长扩散长度(它同时影响着电流和电压)与高电压之间的平衡。枕茵占痊妙若尤侥畸妄昼符笛侠锗烽货蕉啸饺疫旋抗晤网昭陪莱婶糖幕讽光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024208208UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.3.3&4.3.3减少复合效应减少复合效应复合引起的电压损失复合引起的电压损失与pn结距离小于扩散长度的区域存在局部复合区。靠近pn结的高复合区（通常为表面或晶界）使得载流子迅速的移向它，接着被复合，因此大幅度提高复合电流。通过表面钝化能够降低表面复合的影响。 下图将显示对

257、两种参数的权衡。在假设表面钝化的前提下，掺杂对扩散长度和开路电压的影响。扩散长度开路电压绅渠倡品瓤醇粘囚晰渠袜关卯蛆进载谬皆疏污锯哟黔荷碱收顺雏恰镍嫩葬光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024209209UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.3.4&4.3.4减少复合效应减少复合效应表面复合表面复合 表面复合强烈影响短路电流的同时，也强烈影响着开路电压。 电池前表面的高复合率对短路电流产生非常不利的影响，因为前表面是电池中一片载流子生成率非常高的区域。要降低此区域的高复合率，可以通过在表面镀上钝化层（通常为二氧化硅）的方式来减小硅表面的悬挂键。 二氧

258、化硅使表面钝化并减少表面复合在电极下面重掺杂，让载流子远离高复合率的电极对电池背部进行重掺杂，让少数载流子（在这里为电子）远离高复合率的背电极 降低表面复合影响的技术因为硅太阳能电池的钝化层通常为绝缘体，所以有金属电极的区域便不能被二氧化硅钝化。取而代之的，是在表面电极下面重掺杂，以减小表面复合的影响。尽管这样的重掺杂通常会严重减小扩散长度，但是由于电极区域并不参与载流子的生成，因此它对载流子的收集的影响并不大。此外，当高复合率的电池表面非常酪喧绚庚耕趣膝卓影裳郝踊阅洲鬼寸写惜季呛揉惧匹吩氨擦茁昆梢碧痴团光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024210210UNS

259、WUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.3.4&4.3.4减少复合效应减少复合效应表面复合表面复合 接近于pn结时，要使复合的影响达到最小，就必须尽可能的增加掺杂的浓度。类似的方法也使用在减少背表面复合率对电压和电流的影响上，如果背表面与pn结的距离小于扩散长度。“背电场”由电池背面的高掺杂区域组成。在高掺杂和低掺杂区的交界处形成了类似pn结的场，相当于引入一个阻止少数载流子到背面的屏障。而低掺杂区域的少数载流子浓度也因此保持在了一个高水平，此背电场也取得了钝化背面的效果。因怪壶敝锹再鞍恬菲骚舞稳湘岭韩伐整鱼雄缉滴诬骂碧胁会脏嫂错闲梅纪光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/2024

260、7/21/2024211211UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 &4.4.1&4.4.1顶端电极的设计顶端电极的设计串联电阻串联电阻 除了使吸收最大化和复合最小化之外，设计一个高效率太阳能电池的最后一个条件，便是使寄生电阻造成的损耗降到最低。并联电阻和串联电阻都会降低电池的填充因子和效率。有害的低并联电阻是一种制造缺陷，而不是参数设计的问题。然而，由顶端电极电阻和发射区电阻组成的串联电阻就跟并联电阻有所不同，必须小心设计电池结构的类型和尺度以优化电池的效率。 电池的串联电阻有几个部分组成，如下图所示。在这些成分中，发射区和顶端电极（包括子栅电阻和母栅电阻）对串联电阻的贡献最大，因此

261、也是最必须优化的区域。母栅子栅网格线金属顶端电极是用来收集电池产生的电流的。“母栅”直接与外部电路连接，而厄胜弧弊吃院撰整他拽研锤诫渠央泅芳沦丁缝碘悄温楚翌幸憾舌腿滔力徒光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024212212UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.4.1&4.4.1顶端电极的设计顶端电极的设计串联电阻串联电阻 “子栅”负责从电池内部收集电流并传送到母栅。在顶端电极的设计中，关键的，是要取得一个平衡，即窄的电极网线所造成的高电阻与宽电极网线造成的遮光面积增加的平衡。子栅母栅闸炽事锈喜债早谬素怠拽戍赎彦会鲸只伶号窖矮艇幌巍珍酗真俭警斌抹廓光伏

262、器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024213213UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.4.2&4.4.2顶端电极的设计顶端电极的设计体电阻体电阻 通常，光生电流从电池体内垂直移动到电池表面，然后横向穿过重掺杂表面，直到被顶端电极收集。 电池体内的电阻和电流被假设为一个常数。电池的体电阻被定义为： Rb= b bw/Aw/A 考考虑虑到到电电池的厚度。式中池的厚度。式中 b b为电为电池的体池的体电电阻率（阻率（电导电导率的倒数）（硅率的倒数）（硅电电池通常池通常为为0.5-5.00.5-5.0cmcm） A A为电为电池面池面积积 w w为电为电池主

263、体区域的池主体区域的宽宽度度旭奋肩徒黑最阶砂别现佑兜衷开剿谤誊菏辑瞬淄瓶褪砰聂疫伙负他书聚猪光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024214214UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.4.3&4.4.3顶端电极的设计顶端电极的设计表层电阻率表层电阻率 对于发射（区）层，其电阻率和厚度都是不知道的，使得人们很难通过电阻率和厚度来计算表层的电阻大小。然而，“表层电阻率”，一个取决于电阻率和厚度的参数，却可以通过电池的n型层表面很轻易地测量出来。对于掺杂均匀的薄层来说，表层电阻率被定义为： =/t/t 其中，其中，为为n n型型层层的的电电阻率，阻率，t t

264、为为表表层层的厚度。的厚度。 表表层电层电阻率的通常表示阻率的通常表示为为欧姆欧姆/ /平方或平方或/只要仍然保持正方形，则无论尺寸多大，方形导电片的电阻都是一样大的。 对于掺杂不均匀的n型层来说，的分布也是不均匀的，则： 钎垛即氧囤桥诛卵摆翘橇鼠俐土脉心喷题伙陆丙倪猴或卯舞跋父考豢孪练光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024215215UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.4.3&4.4.3顶端电极的设计顶端电极的设计表层电阻率表层电阻率 发射区的表层电阻率可以使用“四点探针法”非常容易的测出来。电流流到探针，并在中间两个探针之间产生压降。N型区与

265、p型区之间的pn结扮演着绝缘层的角色，使得测量表层电阻时不受影响，此外，测量时电池必须处在黑暗环境中。 利用实验测得的电压和电流，可算得：式中/ln2=4.53 一般硅太阳能电池的表层电阻率在30-100/之间。洗训撮贡督淋瑶茸梭铱鼎渐磐箭片延殴谣专武载儒沧颗算勺色冲异溯鹿龋光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024216216UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.4.4&4.4.4顶端电极的设计顶端电极的设计发射区电阻发射区电阻 基于前面的表层电阻率，作为顶端电极栅的间距的函数且由发射区电阻造成的功率损失便可计算出来。然而，在发射区的电流流动的距离并

266、不都是相等的。如果电流刚好从电池内部流到电极附近，则因此路程很短。但是如果电流流到两个栅条之间的话，则电阻路径刚好等于两个栅条距离的一半。载流子从电池的产生点流到外部电极的理想效果图。需要注意的是，实际中的发射区要比图中的薄很多。 在y方向逐渐递增的功率损失为：dPloss=l2dR 其中dR=dy/A 式中y是两个栅条之间的距离。如下图所示：右图为计算由电池表层的横向电阻造成的功率损失时用到的数据。迈簇粗芹诞乐论柞缠硷霉尤懂烦揩狠种罕渺韩怠孪艘欢彦埔株懦纵笼九涪光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024217217UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4

267、.4.4&4.4.4顶端电极的设计顶端电极的设计发射区电阻发射区电阻 表层横向电流的大小决定于y和I（y），在两栅条之间的中间点的大小为零，并沿着中间点到栅条的线逐渐增加。计算电流的方程为： I（y）=Jby J为电流强度，b为栅条的长度，而y是两栅条的间隔距离。 终上所述，在1/2单元电池中，顶层阻抗引起的功率损耗为： 式中S同样为两栅间距。在最大功率输出点，这个区域内的功率为VmpJmpbs/2，则相对功率损耗为：议求眷潞什滔衅洼尹具沛瞬抱冯炕玩鲜慎云遥航议菠抠株雌罢颅城鸭舍幽光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024218218UNSWUNSW新南威尔士大学

268、新南威尔士大学&4.4.5&4.4.5顶端电极的设计顶端电极的设计接触电阻接触电阻 接触电阻损耗发生在硅电池与金属电极的交界处。要降低接触电阻的损耗，就必须对n型层的顶层进行重掺杂。然而，重掺杂水平也会引起不良后果。即如果高浓度的磷被扩散到硅中，当温度下降时，多余的磷会被析出电池表层，形成一层“死层”，在这层中光生载流子的收集几率非常低。许多商用电池因为死层的出现而导致对蓝光的响应很差。因此，解决的办法是，对金属电极的下面部分进行重掺杂，而表层的其余部分则需控制在一个平衡值，也就是在获得低发射区饱和电流和高发射区扩散长度之间达到平衡。顶端金属电极金属与硅界面的高接 触电阻对界面重掺杂以减小接触

269、电阻。N型发射区咙搪雾烫沉婪喻础首奄读潭窒蜒谱恐牢姜饯旬厕监捣拱伙去鸦俯和炕执匝光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024219219UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.4.6&4.4.6顶端电极的设计顶端电极的设计金属网格的设计金属网格的设计 顶端电极的优化设计不只有子栅和母栅电阻的最小化，还包括与顶端电阻有关的总的损耗的最小化，即包括发射区的电阻损耗、金属电极的电阻损耗和阴影损耗。一些设计的因素决定了损耗规模的大小，它们包括子栅和母栅的间距、金属的宽高横纵比、金属栅条的最小宽度以及金属的电阻率。如下图所示。横纵比=高/宽小的高宽横纵比栅条的间距大

270、的高宽横纵比发射区栅间距对发射区电阻的影响栅间距对发射区电阻的影响正如我们在发射区电阻一节所讲的那样，来自发射区的能量损耗大小取决于金属网格的间距，因此，短的栅间距有利于降低发射区电阻。诊衅牵受外判堡虫灌镐至铜悍疡稍娥完途鲤坪洱籍弯钡哭奔撞瀑瘁盗讽撞光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024220220UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.4.6&4.4.6顶端电极的设计顶端电极的设计金属网格的设计金属网格的设计网格电阻网格电阻网格电阻网格电阻 网格电阻的大小取决于金属的电阻率、网格的排列布局和金属栅条的横纵比。低的电阻率和高的横纵比对电池比较有利，但

271、也会受到制造技术的限制。阴影损失阴影损失阴影损失阴影损失 阴影损失是覆盖在电池表面的金属栅条阻挡光线射入电池引起的。设计原则设计原则设计原则设计原则 虽然顶端电极的设计方案众多，但基于现实原因，大多数的电池表面金属网格设计都是相对简单和十分匀称的。匀称的网格把电池分成均等的几部分。设计时有几个重要的原则要注意：最优的母栅宽度，WB，此时母栅的电阻损耗大小等于它的阴影损耗。宽度逐渐变小的栅条要比等宽的栅条所造成的损耗小。电池的面积越小、栅条的宽度越小以及栅条间隔越小，则损耗越小。赔魏艰计代披弊吭杠慢尿以腑稿潭陈蔼去臻攒杰罚少埔钾翟峻诉训舶曝蓑光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/2024

272、7/21/2024221221UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.4.6&4.4.6顶端电极的设计顶端电极的设计金属网格的设计金属网格的设计顶端电极设计的示意图，顶端电极设计的示意图，展示了母栅和子栅的形展示了母栅和子栅的形状结构分布。状结构分布。子栅子栅母栅母栅也著掷壬填鼠暑在青拉秤啊龙稿嚏虫挚端邵汽走岩诫住际求对侠符摹凋帖光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024222222UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.5.1&4.5.1太阳能电池的结构太阳能电池的结构硅太阳能电池的参数硅太阳能电池的参数 对于硅太阳能电池来说，经过基本设计，

273、在表面反射、载流子收集、载流子复合和寄生电阻这几方面进行优化后，转换效率能达到大约25%的理论值。下图将展示进过这样优化的太阳能电池。制绒和镀减反射膜表面掺杂母栅背电极子栅基础太阳能设计方法基础太阳能设计方法衬底材料（通常为硅）衬底材料（通常为硅）硅太阳能电池能在现代光伏市场占据统治地位，一部分是得益于硅材料在集成电亡樟仕做刺蹬掏受殖篮冻破棚亨凑熏最仙逸津论毋琅摄俭兵潦性揭酗肪艺光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024223223UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.5.1&4.5.1太阳能电池的结构太阳能电池的结构硅太阳能电池的参数硅太阳能电池的参

274、数 路产业的杰出表现。而就像在二极管的制造材料中一样，硅材料的参数并不是最好的。特别是，硅的禁带宽度对于最优的太阳能电池来说，还是稍微有点过低了，因为硅是直接带隙半导体，其吸收系数比较低。虽然低吸收系数的问题可以通过光陷阱来解决，但是很难把硅的表层制造的很薄。尽管如此，硅的资源却十分丰富，它在半导体制造行业的优势使得其它材料难以匹敌。 电池厚度（电池厚度（电池厚度（电池厚度（100-500m100-500m） 经过优化的伴有光陷阱和表面钝化的硅太阳能电池，厚度大概在100m。然而，200-500m的厚 度也是很常使用到的，部分原因是考虑到实际情况，如表面制造薄层或表面钝化。 基区的掺杂（基区的

275、掺杂（基区的掺杂（基区的掺杂（1/m1/m） 对基区进行高掺杂能获得高电压和低电阻,然而高掺杂也会导致晶体结构的破坏. 控制反射控制反射控制反射控制反射( (前表面通常使用制绒技术前表面通常使用制绒技术前表面通常使用制绒技术前表面通常使用制绒技术) ) 对表面进行制绒能提高电池捕捉光线的能力. 发射区掺杂发射区掺杂发射区掺杂发射区掺杂(n(n型区型区型区型区) ) n型硅比p型硅的质量要好一些,所以被置于电池的表面,在这里吸收大多数的入射光.因此,电池的表面为负极,背面为正极. 桑里说慰艺杏榴庄氛径啮视卜沉研水纬撑朱癌村蝉晒赐泡邵折蹭倔嗡慈昧光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/202

276、47/21/2024224224UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&4.5.1&4.5.1太阳能电池的结构太阳能电池的结构硅太阳能电池的参数硅太阳能电池的参数 发射区的厚度发射区的厚度发射区的厚度发射区的厚度(1m)(10cm浮区拉晶法多晶硅mc-Si1mm-10cm铸模，切片微晶硅1pc-Si1m-1mm化学气相沉积微晶硅2c-Si1m等离子沉积叹狡喊利耻持马靳整婚携宿胰鸿嵌杂鲍钩琅剪钒沼掠菏楔杠深日舌蓬赞筐光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024235235UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.3.2&5.3.2硅晶片和衬底硅晶片和衬底

277、单晶硅单晶硅 大多数的太阳能电池都是由硅片制成的，要么单晶硅要么多晶硅。单晶硅片通常都拥有比较好的材料性能，但是成本也比较高。单晶硅的晶体结构规则、有序，每个原子都理想地排列在预先确定的位置上。单晶硅表现的行为可预见且十分同一，但因为需要精确和缓慢的制造过程，也使得它成为最昂贵的硅材料。单晶硅原子的规则排列形成了清晰可见单晶硅原子的规则排列形成了清晰可见的价带结构。每个硅原子的最外层都有的价带结构。每个硅原子的最外层都有四个电子。与相邻原子共享电子对，所四个电子。与相邻原子共享电子对，所以每个原子都与周围原子共享四个共价以每个原子都与周围原子共享四个共价键。键。单晶硅通常被制成大的圆筒形硅锭，

278、然后单晶硅通常被制成大的圆筒形硅锭，然后切割成圆形或半方的太阳能电池。半方太切割成圆形或半方的太阳能电池。半方太阳能电池成型与圆片，但是应把边缘切掉阳能电池成型与圆片，但是应把边缘切掉这样才能在矩形模块中装入更多电池。这样才能在矩形模块中装入更多电池。淘怕黔旁逝寝巩房俄中盎拥绵棋彝紫熄婿磅亦胚追国较玫湿腆咽示阴祈吮光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024236236UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.3.3&5.3.3硅晶片和衬底硅晶片和衬底直拉单晶硅直拉单晶硅 通常，人们以制造过程的不同来区别单晶硅晶片。其中，直拉晶片是使用最普遍的硅晶片类型，太

279、阳能电池和集成芯片供应都使用到它。下面的动画将展示直拉大面积单晶硅锭的制造过程。困耶交己只至驾籽晶管畜婿鼓衡丙村蛛询潮洞耘等韵耽骄畔僻居蝴喳摆庚光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024237237UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.3.4&5.3.4硅晶片和衬底硅晶片和衬底悬浮区熔单晶硅悬浮区熔单晶硅 虽然直拉法是制备商业硅晶片最常用的方法，但它对于高效率实验室太阳能电池和特定市场的太阳能电池，还是有些不足之处。直拉法制晶片内含有大量的氧。杂质氧会降低少数载流子的寿命，继而减小电压、电流以及转换效率。此外，氧原子以及氧和其它元素共同形成的化合物可能

280、在高温时变得十分活跃，使得晶片对高温处理过程非常敏感。为了克服这些问题，人们使用了悬浮区熔法制硅片。它的过程是，熔融区域缓慢的通过硅棒或硅条。熔融区的杂质却留在熔融区内，而不是一同过去混合在凝结区内，因此，当熔融区的硅都过去后，一块非常纯净的单晶硅锭就形成了。多晶硅锭熔融区的硅射频线圈已经生成好的单晶硅单晶硅种范啃蓄卤预腿推足狗惧磊鄂两垣撼芳动贯窜感夷且靳旭桩剃瓜普餐蚕粤愉光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024238238UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.3.5&5.3.5硅晶片和衬底硅晶片和衬底多晶硅多晶硅 制备多晶硅的技术相对要简单一些，成

281、本也因此比单晶硅更低一些。然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能比不上单晶硅材料。晶界的存在导致了局部高复合区，因为它把额外的能级缺陷引入到了禁带中，也因此减少了总的少数载流子寿命。此外，晶界还通过阻碍载流子的流动以及为穿过pn结的电流提供分流路径的方式来降低太阳能电池的性能。沂鹤都哨榜谣臂葡磨惮闷边青容其茄抿术硕酸墨闻裳攀宰最戈固控姿塔步光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024239239UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.3.6&5.3.6硅晶片和衬底硅晶片和衬底多晶硅多晶硅 为了避免晶界处的过度复合损失，晶界尺寸必须控制在几毫米以上。这也

282、能让电池从前到后扩大单个晶界的规模，减少对载流子流动的阻碍，同时也减小了电池单位面积上的总晶界长度。这种多晶硅材料被广泛使用在商业太阳能电池制造中。在两个晶粒之间的挂键是很不友善的，它们能降低电池的性能。多晶硅片郝瓢粥泻舅让赊报侗妄啼尖傻末勾耙蔡椿章梅武溺扼焰契叫骇窃彬沛跺悲光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024240240UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.3.7&5.3.7硅晶片和衬底硅晶片和衬底非晶硅非晶硅 非晶硅（-si），是一种结构中有许多不受价键束缚的原子、缺少长程有序排列，但是制造成本却比多晶硅还低的硅材料。原子排列中缺少长程有序结

283、构是由于“悬挂键”的存在。缺少长程有序结构将严重非晶硅的材料性能。在把非晶硅材料制成太阳能电池之前，需要对这些悬挂键进行钝化处理。即把氢原子与非晶硅材料结合，使氢原子的比例达到5-10%，让悬挂键处于饱和状态，因此提高了材料的质量。 尽管如此，非晶硅的材料性能与那些晶体硅还是有显著的不同。例如，禁带宽度从晶体硅的1.1eV上升到了非晶硅的1.7eV，且非晶硅的吸收系数要比晶体硅高的多。此外，大量悬挂键的存在导致了高缺陷密度和低扩散长度额外的悬挂键额外的悬挂键被氢原子终结非晶硅结构的短程无序影响了它的半导体特性。氢原子终结了额外的悬挂键。平均原子间距的改变以及氢的存在导致了非晶硅的电特性与多晶硅

284、的不同。篓急盆惦诵羹刚喷胯帕酉湖又龚戌菠肆哗寝鸽斡宴邑轿疥厩丰畸芯稽摩主光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024241241UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.3.7&5.3.7硅晶片和衬底硅晶片和衬底非晶硅非晶硅 对于-Si太阳能电池来说，非晶硅的不同材料性质需要不同的设计方法。特别是，硅-氢合金的少数载流子的扩散长度远远低于1m。因此，要获得高的收集效率就必须在pn结耗尽区产生尽可能多的光生载流子。结果是，耗散区就成为了收集光生载流子最主要的区域。非晶硅的高吸收系数使得电池的材料只有几微米厚，也意味着，比起发射区和基区来，耗散区的厚度要大得多。

285、本征硅（无掺杂本征硅（无掺杂）存在强电场的耗散区存在强电场的耗散区a-Si：H太阳能电池示意图。结构不相同，意味着-Si和多晶硅太阳能电池的制造技术也不相同。在-Si和其它薄膜电池的制造技术中，一层非常薄的半导体材料被沉积在玻璃表面或其他便宜的衬底上。薄膜太阳能电池被运用在许多小型消费产品中，比如计算机、手表以及不是很重要的户外产品。总的来说，薄膜为太阳能电池提供了一种成本非常低的制造途径。然而，在户外或在含有紫外线的光源下使用的非晶硅电池会有降低效率的可能，因为紫外线会破坏Si-H的价键结构。对薄膜和其它潜在低成本太阳能电池的研究敛简荷峰歧屏恃导圭亭擂隐怖还痉轰契歼惶个熔疑带患丁烷践年骄哮钓

286、靠光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024242242UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.3.7&5.3.7硅晶片和衬底硅晶片和衬底非晶硅非晶硅 为在使用非晶硅电池时所出现的问题提供了解决办法。结果是，这一研究为高效率、稳定和低成本太阳能电池的发展做出重要贡献。对于那些能量需求很小以及容易安装电池的消费产品来说，非晶硅电池是一种理想的选择。手表的整个表面都是太阳能电池片，足以为手表运行提供能量灭翔竿伴彭陵先赢薄沉男扣坑近驶吴褂趾队斥做剐腻遵赁援校悬炉窟单掣光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024243243UNSWU

287、NSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.1&5.4.1硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池丝网印刷太阳能电池 丝网印刷太阳能电池在1970年代开始发展起来。它们是建立的最好、最成熟的太阳能电池制造技术，且丝网印刷电池在如今的陆地用光伏电池市场中占据统治地位。这种技术的主要优势就是制造过程相对简单。 下面的动画将展示制造丝网印刷太阳能电池的一系列步骤。动画中展示的制造技术是最简单的一种，现在已经被许多制造商和研究实验室大幅度提高了。卞殴纶淄云接呼摧湃泞寇掖听小度弃引玛峰令是谷嘶讨卞翠抹胰依盼淆较光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024

288、244244UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.1&5.4.1硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池丝网印刷太阳能电池 到了现代，上面所说的制造流程已经有了许多改变，既能获得更高的效率且成本又更低。有些技术还已经被运用到商业制造中，而其它的则也正在从实验室到生产线的过程中不断改进、提高。磷扩散磷扩散磷扩散磷扩散 丝网印刷太阳能电池通常使用简单且均匀的扩散方法以形成发射区，此区域的掺杂情况都是相同的。要保持低电极电阻，就需要在丝网印刷电极下面的表面掺杂进高浓度的磷。然而，表面高浓度的磷将会导致“死层”形成，并降低电池的蓝光响应。最新的电池设计能制备更浅的

289、发射区，因此提高电池的蓝光响应。选择性发射区，即金属电极下面进行更高浓度的掺杂，也已经被研究者提出来了，但依然没有一项被运用到商业制造中。表面制绒以减少反射表面制绒以减少反射表面制绒以减少反射表面制绒以减少反射 从单晶硅锭切割下来的晶片很容易通过制绒来减少表面反射，方法是使用化学试剂在晶片表面刻蚀层金字塔状原子结构。虽然这种刻蚀对单晶硅非常理 想，但是它却依赖于正确的晶体取向，所以对于多晶硅材料的随机取向界面来说，化学刻蚀的效果很有限。于是，人们又研究了许多不同的制绒多晶硅 哑始晾骂奏近浪派桓稚火陵搐责符贬插腔热典航碗王扒蝎赣宾俘蒸放磊散光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247

290、/21/2024245245UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.1&5.4.1硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池丝网印刷太阳能电池 的方案：使用切割工具或激光在晶片表面进行机械制绒基于缺陷结构而不是晶面取向的各向同性化学刻蚀各向同性化学刻蚀与光刻掩模技术相结合等离子刻蚀 虽然许多制绒多晶硅材料的方法都展示了相当大的前景，但是至今还没有一项被实施在大规模商业生产线中。减反射膜 减反射膜非常有利于不容易制绒的多晶硅材料。二氧化钛（TiO2）与氮化硅（SiNx）是两种常见的减反射膜材料。膜的制造适用于简单的技术，如喷洒或化学气相沉积。除了有利于光的吸收外

291、，绝缘膜还能够使表面钝化，提高电池的电学特性。依靠一种带有切割试剂的粘稠剂对减反射膜进行丝网印刷，金属电极能够腐蚀膜材料并最终与底层的硅相连接。过程非常简单，且有利于连接浅层的发射区。诉赃曳羊捶二崔泊毙报蜗石刨戒规嫁输揣卓浦焕狸纬蛹腰觉钦翰扮倒元赡光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024246246UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.1&5.4.1硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池丝网印刷太阳能电池边界隔离 如今有许多边界隔离技术，比如等离子刻蚀、激光切割或者首先用膜掩盖住边界以阻止扩散的发生。背电极 背电极是在一般

292、pn结电池背面用扩散法或合金法加制一层与基区导电类型相同的重掺杂区，然后再在重掺杂区上面制作金属接触电极，一般为铝电极。衬底 丝网印刷技术已经被使用在许多不同的衬底上。排序的简单化使得丝网印刷技术非常适合于质量较差的衬底，比如多晶硅材料甚至直拉单晶硅。总的趋势是向衬底面积的扩大化发展，多晶硅晶片达到15x15cm2，厚度达到200m。招狡琵膏痔先搀览亭庸科勃瞒卜讣时胎逊椅勿吾宅晤船届膨该仔练折渣逻光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024247247UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.1&5.4.1硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网

293、印刷太阳能电池丝网印刷太阳能电池对印刷电池前端电极的镜头特写。在印刷期间，金属贴片穿过丝网，到达没被遮盖的区域。丝网的尺寸觉得了栅条的最小宽度。栅条宽度通常为100到200m。对已经完成丝网印刷的太阳能电池的镜头特写。栅条间距大于有3mm。在包装的时候，在母栅上焊接一个额外的金属接触带以减少电池串联电阻。馅挞卑酶护拟蛮杰嚣忧戊至步羡骗臻富蒋传潮交遣鸭诚约旋肠誉拭皱抉睡光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024248248UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.1&5.4.1硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池丝网印刷太阳能电

294、池拥有完整丝网印刷的太阳能电池的正面图。由于电池是由多晶硅制造的，晶粒的不同界面取向清晰可见。多晶硅电池的正方形形状大大简化了电池的包装。拥有完整丝网印刷的太阳能电池的背面图。电池要么是由Al/Ag粘贴成网格，要么全部由铝构成并形成背面电场，但是需要第二道印刷工序。点击图画可以转换不同的视图。存帽缺尼唁澄歌描菇坦践睡坷苗睹型侨倡婿义苇得着熙页摩凳寻笨霞岁磐光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024249249UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.2&5.4.2硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术制造太阳能电池制造太阳能电池下面的几幅图将向你

295、展示商业丝网印刷太阳能电池的制造设备。全部图片承蒙欧洲太阳能公司SPA提供。制造的多晶硅锭的结晶炉。大面积硅板，大约0.5mx0.5m，20cm厚。精确控制冷却液体，能够制造出大晶粒少缺陷的的硅材料。从结晶炉出来的大块多晶硅锭被切割成10cmx10cm的小砖块。然后小砖块又被切割成同样面积的薄片。在屿伺站咙帽锌洱曝寅溢集趋蚕地饼沁旅柠肝翰杀锗句峨泰宰券荤硅妓佛光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024250250UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.2&5.4.2硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术制造太阳能电池制造太阳能电池欧洲太阳能公司

296、的生产线。虽然太阳能电池制造需要处在洁净的环境中，但是比起集成电路芯片的制造环境来，还是较为宽松一些。因此不需要员工穿上全套洁净服。上图为自动上料的扩散炉以及已经掺杂了磷的硅晶片。点击图片能转换不同图片。需要注意的是，图中即将进入右边扩散炉的晶片都是出自同一块硅锭，它们拥有相似的晶粒分布。招飘异沦颗锑疮铬屏嚼寅尝本宠退鹅诅顾炊崖棘萄峪碑趴更打作勒痴蹄银光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024251251UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.2&5.4.2硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术制造太阳能电池制造太阳能电池自动上料的扩散炉。使用

297、机器人设备能够提升电池制造的可靠性，并降低成本。丝网印刷的生产线。点击图片能进距离观察蓝色塑料屏下的丝网印刷过程。辊死澡峡谬版怪但基盖共谁泻闭导哨宏积广闺鹏颅曳宛傈魂盟摔刚能头反光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024252252UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.2&5.4.2硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术制造太阳能电池制造太阳能电池先进的丝网印刷机器，使用摄像机来快速准确地排布金属电极网的图案。在完成每个电池的效率测量工作后，对它们进行排序以尽量减小模块错配。用鼠标点击图片观看另一幅图片。酒锰化抑躺衣淘恢挪弹梆错掣吾焚步撕纤喂

298、乒淬拨橇歼机秤搐沸贿浚勘揩光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024253253UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.2&5.4.2硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术制造太阳能电池制造太阳能电池在进行压片之前排列电池片。局仕晤谢润奔夕规诈蓝难忿埠丢佑银见刷蓑蕴鹅斩遵投赁辰伟丘尽肯抒困光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024254254UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.3&5.4.3硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术埋电极太阳能电池埋电极太阳能电池 埋电极太阳能电池是一种高效率的

299、商业用太阳能电池，其特点是把金属电极镀到激光形成槽内。埋电极技术克服了丝网印刷电极的许多缺点，这也使得埋电极太阳能电池的效率能达到25%，比商业丝网印刷电池要高。下图将展示埋电极电池。埋电极太阳能电池，激光刻槽的横截图。氧化物氧化物背金属电极埋电极大大增加了金属栅条的高-宽比例。大的高-宽比意味着能够在接触电极中使用大量的金属，而不需要在表面铺上宽大的金属条。因此，金属栅条的大高-宽比允许窄的栅条间距，同时保持高的透明度。例如，一块大面积的丝网印刷电池，其被阻挡的光就可能达到10%到15%，而如果使用埋电极结构，则其损失就只有2%到3%。这样低的光损失能降低光反射并因此提高短路电流。矮组镜钵氟

300、层屈拾迄识琳动攫舍们兴狂蛤增叶牵错丑浩降浙膊伤诸裂泼顷光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024255255UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.3&5.4.3硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术埋电极太阳能电池埋电极太阳能电池部分激光刻槽的横截图除了具有良好的减反射特性之外，埋电极电池技除了具有良好的减反射特性之外，埋电极电池技术还能降低寄生电阻损耗，因为它的金属栅条具术还能降低寄生电阻损耗，因为它的金属栅条具有高的高有高的高- -宽比、栅条的间距适当，以及良好的宽比、栅条的间距适当，以及良好的金属电极材料。就像在金属电极材料。就像在发射

301、区电阻发射区电阻一节中说的那一节中说的那样，之所以埋电极能减少电池的发射区电阻，是样，之所以埋电极能减少电池的发射区电阻，是因为栅条之间的距离越窄，发射区的电阻损耗也因为栅条之间的距离越窄，发射区的电阻损耗也越小。同时，金属网格的电阻也减小了，因为在越小。同时，金属网格的电阻也减小了，因为在激光刻槽中使用的金属量大大增加了，且金属还激光刻槽中使用的金属量大大增加了，且金属还是电阻率比铝低的铜。此外，由于在半导体是电阻率比铝低的铜。此外，由于在半导体- -金金属交界面处形成镍硅化物以及它们交界面积的扩属交界面处形成镍硅化物以及它们交界面积的扩大，使得埋电极的接触电阻也比丝网印刷电池的小。总的来说

302、，这些电阻损耗的大，使得埋电极的接触电阻也比丝网印刷电池的小。总的来说，这些电阻损耗的减小使得大面积电池拥有高的填充因子。减小使得大面积电池拥有高的填充因子。与丝网印刷相比，埋电极电池的金属化方案同样提升了发射区的性能。为了尽量与丝网印刷相比，埋电极电池的金属化方案同样提升了发射区的性能。为了尽量减少电阻损耗，要对丝网印刷电池的发射区进行重掺杂，而这也导致了电池表面减少电阻损耗，要对丝网印刷电池的发射区进行重掺杂，而这也导致了电池表面“ “死层死层” ”的出现。因为埋电极结构的发射区电阻很小，所以能够通过优化发射区的出现。因为埋电极结构的发射区电阻很小，所以能够通过优化发射区的的帝兼戊馆成扇亮

303、参欠竞陋看硅元铝识吕饰蒲梢纸邵拼摆嘻绽敖讥斧宁赢峰光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024256256UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.3&5.4.3硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术埋电极太阳能电池埋电极太阳能电池 掺杂来获得高开路电压和短路电流。此外，埋电极结构还包括了自我对准、自 我选择的发射区，能够因此减小接触复合和提高开路电压。 埋电极电池的高效率显著降低了成本，并提高了电池性能。就成本/w而言，埋电极电池与丝网印刷电池是不相上下的。然而，由于PV系统中包括了与面积相关的成本和固定成本，则效率高的太阳能电池的发电成本更低。

304、埋电极电池技术的另一个优势是能够在聚光太阳能系统中使用。下面的动画将展示激光刻槽埋电极太阳能电池的制造工序。为了看得更清晰，动画中的电池厚度被扩大了。掀肢首鸳穷话麻散谓较揽府佰菏拜娠歹寻刽粘彬统隘鞘孪棺嗅妓奉触纪产光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024257257UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.4&5.4.4硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术高效率太阳能电池高效率太阳能电池 高效率太阳能电池制造的成本比普通硅太阳能电池要高得多，因此通常使用在太阳能车或空间应用上。Honda dream，1996年世界太阳能汽车挑战赛的冠军车。此

305、车的太阳能电池效率超过20%。下面将列举，为了获得最高效率，实验室制造硅太阳能电池时所使用的一些技术和工艺特点：在发射区扩散低浓度的磷，既能尽量减小复合损失又能避免电池表面“死层”的出现。缩窄金属栅条的距离以减小发射区横向电阻的功率损耗。诽敝瘴象井略洽雕表孜捆笔桥灼硝艺嘘霸础凝搪高搁野烁淄迷怒临仔穆惩光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024258258UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.4&5.4.4硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术高效率太阳能电池高效率太阳能电池非常好的金属栅条，通常小于20m，以减小阴影损失。打磨或抛光晶片表面后

306、进行激光雕刻并铺上金属网格。小的电池面积和好的金属导电性，以尽量减小金属网格电阻损失。小的金属接触面积和在金属电极下面进行重掺杂，以尽量减小复合效应。使用精密加工的金属，如钛/钯/银，尽量降低接触电阻。良好的背面钝化以减少复合。使用减反射膜，能使反射光从30%减少到10%。 有些现存的电池设计也整合了先进的实验室方法。其中有两种方法已经在市场中使用了，如太阳能电池车的PERL电池，由新南威尔士大学制造；还有背电极太阳能电池，由斯坦福大学和太阳动力公司研发。PERLPERL太阳能电池太阳能电池太阳能电池太阳能电池 发射区钝化及背面扩散的太阳能电池-PERL电池使用了微电子技术使得在AM1.5条件

307、下电池的效率接近25%。钝化发射区指的是在电池表面形成高质量的氧化物，能显著减少表面载流子复合的数量。对背面进行本地扩散，指的是只在与金属接触的区域掺杂，以在尽量减少复合的同时保持良好的点接触。乎挽白亭弧笑衙疙捻陀用补贵葱褒铝烘烤唉但铭赶屯户勘扳稍契盐飘路熬光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024259259UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.4&5.4.4硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术高效率太阳能电池高效率太阳能电池实验室实验室高效率高效率太阳能太阳能电池的电池的示意图。示意图。PERLPERL电池表面的电池表面的电子显微镜图像

308、，电子显微镜图像，显示了一根断的显示了一根断的金属栅条，栅条金属栅条，栅条总的宽度少于总的宽度少于20m20m，而接触部，而接触部分的宽度为分的宽度为3m3m。尽管制造成本很高，但是能生产出效率非常尽管制造成本很高，但是能生产出效率非常高的电池。太阳能电池车的电池有以下几个高的电池。太阳能电池车的电池有以下几个特点：特点：面积：面积：22cm2 22cm2 效率：效率：23.5%23.5% Voc Voc：703mV703mVIscIsc：914mA 914mA Jsc Jsc：41.3mA 41.3mA Vmp Vmp：600mV600mVFFFF：0.810.81 Imp Imp：868m

309、A868mA太阳能电池的太阳能电池的IVIV曲线曲线潘溪瞩咸售冰吨拈钎答珠啼缎糜摹晒蒸只瞬次吭雹能突株迫幢界通仗栏诌光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024260260UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&5.4.4&5.4.4硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术高效率太阳能电池高效率太阳能电池 背电极太阳能电池背电极太阳能电池背电极太阳能电池背电极太阳能电池 背电极电池通过把两边电极都放到电池背面的方式来消除阴影损失。由高质量材料制成的薄膜太阳能电池，其在前表面被吸收的光生电子空穴对依然能被电池的背面电极收集。这种电池在聚光太阳能系统中非常有用

310、，聚光电池系统中的串联电阻要比普通的大很多。 把两种电极都移到背面的另一个好处就是两者之间的相互连接更加容易，栅条之间相距更近，因为必要在电池背面留下空间。二氧化硅钝化层和减反射膜N型扩散拥有长少数载流子寿命的p型衬底N型扩散负电极P型扩散正电极N型扩散负电极全部电极都在电池的背面，即简化连接又消除了阴影损失祖昂欠撑哲氯外赣纬其恋佃拼炮狠箔敲卞商隋吮孟枉挨移硕朔歌煞膛宋导光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024261261UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学第六章：第六章：光伏电池板与系统光伏电池板与系统 &6.2&6.2电池板设计电池板设计电池板设计电

311、池板设计 &6.3&6.3互联效应互联效应互联效应互联效应 &6.4&6.4温度效应温度效应温度效应温度效应 &6.5&6.5其它问题其它问题其它问题其它问题 &6.6&6.6电池板的寿命电池板的寿命电池板的寿命电池板的寿命 &6.1&6.1简介简介简介简介凭雅释跃娘昂洼避感婉诊谅岛撑图钡辈涨驰九媚恬跟薄俯繁秃惧彝古恳嵌光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024262262UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.1&6.1简介简介一块太阳能电池板是由许多单个太阳能电池连接而成一块太阳能电池板是由许多单个太阳能电池连接而成的，这样能增加功率输出。电池被封装

312、起来以阻止来的，这样能增加功率输出。电池被封装起来以阻止来自周围环境的破坏和防止人们触电。然而，电池板设自周围环境的破坏和防止人们触电。然而，电池板设计的几个方面可能会减少功率输出或者降低使用寿命。计的几个方面可能会减少功率输出或者降低使用寿命。接下来的几节将讨论电池是怎样被封装到板块里去的，接下来的几节将讨论电池是怎样被封装到板块里去的，以及讨论由于电池相互连接和封装而引起的问题。电以及讨论由于电池相互连接和封装而引起的问题。电池互联系统或阵列系统最主要的影响是：池互联系统或阵列系统最主要的影响是： 不匹配的电池之间的互联引起的损耗不匹配的电池之间的互联引起的损耗 电池板的温度电池板的温度

313、电池板的故障模式电池板的故障模式响乖疼咆盗局地挡恭遁打描殉炮军作型睬涛回咆迸躁腔溅悼进戴酵绦躇赴光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024263263UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.2.1&6.2.1电池板的设计电池板的设计电池板的结构电池板的结构 一块电池板由许多互相连接的电池（通常为36块串联着的电池）组成。把互相连接的电池封装起来的主要原因是为了保护它们和它们连接线不受其周围环境的破坏。例如，由于太阳能电池非常的薄，所以在缺乏保护的情况下很容易受到机械损伤。此外，电池表面的金属网格以及连接每个电池的金属线都有可能受到水或水蒸气的腐蚀。而通过

314、封装便能阻止这些破坏。比如，非晶硅太阳能电池通常被封装在柔软的版块内，而在偏远地区使用的晶体硅太阳能电池则通常保护在刚硬的玻璃封装内，一般规定的硅太阳能电池板的使用寿命为20年，可见组件封装的可靠性有多高。典型的晶体硅电池板，为偏远地区供电。酒芜腻麻呜囱些谣裙航燕润井掣坞馁倔毙兵乌悄畦奄撤冗皂述洁萧寄傻坐光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024264264UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.2.2&6.2.2电池板的设计电池板的设计封装的材料封装的材料 大多数晶体硅电池板都是由一块透明表层、一块密封板、背板和围绕外围的框架。通常，透明表层是一层玻璃

315、，密封层材料是EVA（乙基醋酸乙烯），而背板则是一种Tedlar材料。如下图所示。低铁玻璃前表面材料前表面材料光伏组件的前端表面必须对那些能够被电池吸收的光线保持高透明度。对于硅太阳能电池，其前端表面必须能透过波长范围为350nm到1200nm的光。此外，前端表面对光的反射率必须很低。尽管理论上这些反射可以通过在表面铺上减反射膜来降低，但是实际上，对于大多数光伏组件所处的环境来说，这些膜显然还不够耐用。取而代之的，是使表面粗糙化或进行制绒。然而，这样会使得尘埃和污染物停留在表面的可能性增大，也没那么容易被风和雨水冲走。这些组件也因承爹绷班霓趟瘩辩别色逾仗泼坍饶帜恐丝炉泛傻饥敷气颜诫囚衬漆酷审箔

316、光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024265265UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.2.2&6.2.2电池板的设计电池板的设计封装的材料封装的材料 此失去了“自我清洁”的功能，减小反射的优势也迅速被表面不断增加的污染物所引起的损失给抵消了。 除了减反射特性和透明特性，顶端表面材料还应该不能透水，应该有好的耐冲击性，应该能在长时间的紫外线照射下保持稳定，应该有低的热阻抗性。水或水蒸气在渗入金属电极和连接线后会大大降低光伏组件的寿命。大多数的组件的前端表面是用来增加机械强度和刚度的。对于材料的的种类，可以有几种选择，包括丙烯酸、聚合物和玻璃。其中含

317、铁量低的玻璃是使用最广泛的，因为它成本低、强度好、稳定、高度透明、不透水不透气同时还有自我清洁功能。 密封层密封层密封层密封层 密封材料是用来粘附组件中的太阳能电池、前表面和背面的。密封材料应该在高温和强紫外线照射下保持稳定。当然，材料还应该有良好的光透性和低热阻抗。EVA是最常使用的密封材料。EVA板块被镶嵌在太阳能电池-顶端表层-背层之间。之后把这种三明治结构加热到150C，EVA熔化后把组件的每一层都粘合在一起。 背表面层 光伏组件的背表面层材料的最关键性质是必须拥有低热阻抗性，同时必须能够阻死苍朵货拭逻亏亨须沪北舷陆伍窝设侗简孝维菏刀朗综冷语渠逞胖绸忠诞光伏器件系统及应用光伏器件系统及

318、应用7/21/20247/21/2024266266UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.2.2&6.2.2电池板的设计电池板的设计封装的材料封装的材料 止水和水蒸气的渗入。对于大多数组件，薄的聚合物层特别是Tedlar，是背表面层的首选材料。有些光伏组件被称为双面组件，被设计成电池的正面和背面都能够接收光的照射。在双面电池组件中的前表面和背表面都应该保持良好的光透性。 框架框架框架框架 电池组件的最后一个结构组成部分是组件的边界或框架。传统的光伏组件通常由铝制成，框架结构应该是平滑无凸起状的，否则会导致水、灰尘或其它异物停留在上面。几种类型的硅光伏组件。蹄么瞧译北匈敝长吉兢伸钒踌

319、椒挣舵肌你贞玻药星肺命氓乞丢镊趴措曹椰光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024267267UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.2.3&6.2.3电池板的设计电池板的设计封装密度封装密度 在光伏组件中，太阳能电池的封装密度指的是被电池覆盖的区域面积与空白区域面积的比。封装密度影响着电池的输出功率以及电池温度。而封装密度的大小则取决于所使用电池的形状。比如，单晶硅电池一般为圆形或半方形，而多晶硅电池则通常为正方形。因此，如果单晶硅电池不是切割成方形的话，单晶硅组件的封装密度将比多晶硅的低。有关封装强度的几种选择，包括圆的和方的，在下图有介绍。圆形电池和

320、方形电池的封装密度。当组件中电池排列较稀疏时，露出的空白背面同样能够少量增加电池的输出，因为“零深度聚光”效应的影响，如下图所示。一些射入到电池与电池之间的空白区域和射到电极上的光，被散射后又传到电池表面。玻璃电极密封层（EVA）白色的背表面唉迹裁骋笨酚祖鬃剂汪炯拼米汾屎侄贯凯诽袁眨佯渣早狙娩狱毋锚盼肺诣光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024268268UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.1.&6.3.1.互联效应互联效应组件电路的设计组件电路的设计 一块硅光伏电池板是通常是由多块太阳能电池互相串联而成，以提高输出电压和输出电流。光伏组件的输

321、出电压通常被设计成与12伏蓄电池相融的形式。而在25C和AM1.5条件下，单个硅太阳能电池的输出电压只有0.6V。考虑到由于温度造成的电池板电压损失和蓄电池所需要的充电电压可能达到15V或者更多，大多数光伏组件由36块电池片组成。这样，在标准测试条件下，输出的开路电压将达到21V，在工作温度下，最大功率点处的工作电压大约为17V或18V。剩余的电压包括由光伏系统中的其它因素造成的电压损失，例如电池在远离最大功率输出点处工作和光强变弱。典型的组件由36块电池串联而成在典型的组件中，36块电池串联起来以使输出的电压足以为12V的电池充电虽然光伏组件的电压大小决定于电池的数量，但是组件的输出电流却决

322、定于单个太阳能电池的尺寸大小和它们的转换效率。在AM1.5和最优倾斜角度下，商用电菌季筐琉鳞湛洛谎适函戏焦葬扫丈仗定蔓授拘耻缓彼归校宴搞汁去棱嘎浴光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024269269UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.1&6.3.1互联效应互联效应组件电路的设计组件电路的设计 池的电流密度大约在30mA/cm2到36mA/cm2之间。单晶硅电池的面积通常为100cm2，则总的输出电流大约为3.5A。多晶硅电池组件的电池片面积更大但电流密度较低，因此输出自这些组件的短路电流通常为4A左右。但是，多晶硅电池的面积可以有多种变化，因此

323、电流也可以有多种选择。组件的输出电流和电压并不受温度的影响，但却容易受组件的倾斜角度的影响。 如果组件中的所有太阳能电池都有相同的电特性，并处在相同的光照和温度下，则所有的电池都将输出相等的电流和电压。在这种情况下，光伏组件的IV曲线的形状将和单个电池的形状相同，只是电压和电流都增大了。则此电路的方程为：式中，N表示串联电池的个数，M为并联电池的个数，IT为电路的总电流，VT电路的总电压，Io是单个电池的饱和电流，IL是单个电池的短路电流，n是单个电池的理想填充因子，而q、k和T则为常数。由一系列相同的电池连接而成的总电路的IV曲线如下图所示。N个电池串联，M个电池并联的电路IV曲线。释赌嚎靴

324、茬帛吱固硫乎瘸固蠢桔膏诲毯钦或奈蛾颂伸酚轩毫尝劳贯瑚椎哑光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024270270UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.2&6.3.2互联效应互联效应错配效应错配效应 错配损耗是由互相连接的电池或组件没有相同的性能或者工作在不同的条件下造成的。在工作条件相同的情况下，错配损耗是一个相当严重的问题，因为整个光伏组件的输出是决定于那个表现最差的电池的输出的。例如，在一块电池片被阴影遮住而其它电池则没有的情况下，由那些“好” 电池所产生的电能将被表现差的电池所抵消，而不是用于驱动电路。这反过来还可能会导致局部电能的严重损失，而

325、由此产生的局部加热也可能引起对组件无法挽回的损失。组件局部被阴影遮住是引起光伏组件错配的主要原因当组件中的一个太阳能电池的参数与其它的明显不同时，错配现象就会发生。由错配造成的影响和电能损失大小决定于：光伏组件的工作点吕玲眠吨鹃皖拈呀俄泄历赦椰劫荣您栈敖鞠伯镶准蛔炙饮伟雷淄随新街昼光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024271271UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.2&6.3.2互联效应互联效应错配效应错配效应电路的结构布局受影响电池的参数 一个电池与其余电池在IV曲线的上任何一处的差异都将引起错配损耗。下图将展示电池的非理想IV曲线和工作环

326、境。尽管错配现象可能由电池参数的任何一部分所引起，但是严重的错配通常都是由短路电流或开路电压的差异所引起的。错配的影响大小同时取决于电路的结构和错配的类型，在下面的几节中我们将有更详细的讨论。. 理想太阳能电池和非理想太阳能电池的比较。最大的错配差异是当电压被反向偏压的时候造成的。反向电压很高时，pn结可能被击穿并联电阻引起的下降电池消耗的能量非理想太阳能电池电池产生的能量电池消耗的能量串联电阻引起的额外下降理想太阳能电池宏臃我者梧娩掷阑遏洼蚜怕夹溶殊写谭毙算丝蔼梨垂怕荚匪锌增褂展战抓光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024272272UNSWUNSW新南威尔士

327、大学新南威尔士大学&6.3.3&6.3.3互联效应互联效应串联电池的错配串联电池的错配 因为大多数光伏组件都是串联形式的，所以串联错配是人们最常遇到的错配类型。在两种最简单的错配类型中（短路电流的错配和开路电压错配），短路电流的错配比较常见，它很容易被组件的阴影部分所引起。同时，这种错配类型也是最严重的。 对于两个互相串联的电池来说，流对于两个互相串联的电池来说，流过两者的电流大小是一样的。产生过两者的电流大小是一样的。产生的总电压等于每个电池的电压的总的总电压等于每个电池的电压的总和。因为电流大小需要一致，所以和。因为电流大小需要一致，所以在电流中出现错配就意味着总的电在电流中出现错配就意味

328、着总的电流必须大小等于那个最小的值。流必须大小等于那个最小的值。串联电池的开路电压错配串联电池的开路电压错配串联电池的开路电压错配串联电池的开路电压错配串联电池的开路电压错配是一种比较不严重的错配类型。正如下面动画所展示的那样，在短路电流处，光伏组件输出的总电流是不受影响的。而在最大功率点处，总的功率却减小了，因为“问题”电池产生的能量较少。因为两个电池是串联起来的，所以流经两个电池的电流是一样的，而总的电压则等于每个电池的电压之和。液揍祸翘非儒针攻指棘穆科辑喊先冷绰语喉踩皱呵滩炙霍秽最叛淤喇扇碎光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024273273UNSWUNS

329、W新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.3&6.3.3互联效应互联效应串联电池的错配串联电池的错配在动画中，在动画中，电池输出电池输出的电压比电的电压比电池低。池低。串联电池的短路电流错配串联电池的短路电流错配串联电池的短路电流错配串联电池的短路电流错配串联电池的短路电流错配取决于组件所处的工作点，以及电池错配的程度。短路电流错配对光伏组件有重大影响。如下面动画所示，在开路电压处，短路电流的下降对电池影响相对较小。即开路电压只产生了微小的变化，因为开路电压与短路电流成对数关系。然而，由于穿过电池的电流是一样的，所以两者结合的总电流不能超过有问题电池的电流，这种情况在低电压处比较容易发生，好电池

330、产生的额外电流并不是被每一个电池所抵消，而是被问题电池所抵消了（通常在短路电流处也会发生）。总的来说，在有电流错配的串联电路中，严重的功率损失一般发生在问题电池产蚌茸匀席孵峨待爽俄音靛谭衙诌厉卧蓖快破膨串莫嚏栗约钻澎苫放卧卢胃光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024274274UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.3&6.3.3互联效应互联效应串联电池的错配串联电池的错配 生的电流小于好电池在最大功率点时的电流的时候，或者当电池工作在短路电流或低电压处时，问题电池的高功率耗散会对组件造成无法挽回的伤害。这些影响在下面的两个动画都有描述。两个串联电

331、池的电流错配有时会相当严重且非常普遍。串联的电流受到问题电池的电流限制。动画中，电池的输出电压比电池的高。促哇囚畦弧锡观抹枝潍争胺勋缺升俐扛撰祖饥偷圃斑仓舆乔据急刃贤荒椿光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024275275UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.3&6.3.3互联效应互联效应串联电池的错配串联电池的错配两线交点的电流表示串联电路的短路电流，这是计算串联电池的错配短路电流的一个简单方法。串联电路的短路电流串联电路的短路电流顷驱善潮玩夸刻赴菠键馈社侦南纂土春址波胀侨售嘿袭卉练抄迂讹憋迂扶光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20

332、247/21/2024276276UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.4&6.3.4互联效应互联效应热点加热热点加热“热点加热”现象发生在几个串联电池中出现了一个问题电池时，如下图所示。如果组件的首尾都连接起来了，来自那些没被阴影遮挡的电池的电能将被问题电池所抵消。个电池没被遮挡个串联电池一个电池被遮挡如果串联电路的工作电流大小接近于“问题”电池的短路电流，电路总电流将受到问题电池的限制。则好电池产生的额外电流（比问题电池高出的那部分电流）将变成好电池的前置偏压。如果串联电池被短路，则所有好电池的前置偏压都将变成问题电池的反向电压。当数量很多的串联电池一起把前置偏压变成问题电

333、池的反向电压时，在问题电池处将会有大的能量耗散，这就是热点加热现象。基本上所有好电池的总的发电能力都被问题电池给抵消了。巨大的能量消耗在一片小小的区域，局部过热就会发生，或者叫“热点”，它反过来也会导致破坏性影响，例如电池或玻璃破碎、焊线熔化或电池的退化。电路中，一个被阴影遮电路中，一个被阴影遮住的电池减少了电路电住的电池减少了电路电流，使得好电池提高电流，使得好电池提高电压，并常常导致压，并常常导致“ “问题问题” ”电池的电压反置。电池的电压反置。埃全狞滁搭魁舰每懊嘎老狐棵扯暴渠硅榷纵删潘倒王涵戒蜒款醚屋彤域闸光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/20242772

334、77UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.4&6.3.4互联效应互联效应热点加热热点加热问题电池的热耗散问题电池的热耗散导致组件的破碎导致组件的破碎。蛊沃篮娇王漾尽肝代泳骇惹憨侣障吝墨傲掂艇啃舷籽剁栏兵舟伟狭季悬糠光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024278278UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.5&6.3.5互联效应互联效应旁路二极管旁路二极管 通过使用旁路二极管可以避免热点加热效应对组件造成的破坏。二极管与电池并联且方向相反，如下面动画所示。在正常工作状态，每个太阳能电池的电压都是正向偏置的，所以旁路二极管的电压为反向偏

335、置，相当于开路。然而，如果串联电池中有一个电池因此发生错配而导致电压被反向偏置，则旁路二极管就会立即导通，因此使得来自好电池的电流能流向外部电路而不是变成每个电池前置偏压。穿过问题电池的最大反向电压将等于单个旁路二极管的管压降，由此限制了电流大小并阻止了热点加热。旁路二极管的工作状态和它对IV曲线的影响都在下面的动画中展示。炉粮最缴鬼甄滑厘浙这孪缩攫旗厩呵翟梆傣卧再摊恕舆兆开贬消掠赢加岔光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024279279UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.5&6.3.5互联效应互联效应旁路二极管旁路二极管 要测算出旁路二极管对

336、IV曲线的影响，首先找出单个太阳能电池（带有旁路二极管）的IV曲线，然后与其它电池的IV曲线相结合。旁路二极管只在电池出现电压反向时才对电池产生影响。如果反向电压高于电池的膝点电压（knee voltage）,则二极管将导通并让电流流过。下图将展示结合之后的IV曲线。连接旁路二极管的电池没接旁路二极管的电池接有二极管的电池的接有二极管的电池的IVIV曲线。二极管能曲线。二极管能阻止热点加热。为了便于观测，图中使阻止热点加热。为了便于观测，图中使用了用了1010个电池，其中个电池，其中9 9个好电池，一个个好电池，一个问题电池。典型的光伏组件由问题电池。典型的光伏组件由3636个电池个电池组成，

337、如果没有旁路二极管，错配效应组成，如果没有旁路二极管，错配效应的破坏将更严重，但连接二极管后的影的破坏将更严重，但连接二极管后的影响却比响却比1010个电池的更小。个电池的更小。然而，实际上如果每个电池都连接一个二极管的话，成本会很高，所以一般改为一个二极管连接几个电池。穿过“问题”电池的电压大小等于其它串联电池（即与问题电池共享一个二极管的电池）的前置偏压加上二极管的电压，如下图所示。那些好电池的电压大小决定于问题电池的问题严重程度。例如，如果一个电池完全被阴影遮住了，那些没有阴影的电池会应短路电流而导致正向电压偏置，而电乓孺痴龋张像嫌噶嘱译氨舅桅恐佰鼓鹏劝慨颇置遁曾而接菲斯夏栋驻伐翱光伏器

338、件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024280280UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.5&6.3.5互联效应互联效应旁路二极管旁路二极管 压值大约为0.6V。如果问题电池只是部分被阴影遮住，则好电池中的一部分电流将穿过电路，而剩下的则被用来对每个电池产生前置偏压。问题电池导致的最大功率耗散几乎等于那一组电池所产生的所有能量。在没有引起破坏的情况下，一个二极管能连接电池的数量最多为15（对于硅电池）。因此，对于通常的36电池的光伏组件，需要2个二极管来保证组件不会轻易被“热点”破坏。连接电池组的旁路二极管。穿过好电池的电压大小决定于问题电池的问题严重

339、程度。右图中，0.5V只是任意取的数值。灯荐预诸酵堰颁蓬铀刮琉碳撤岸兑扶撅眯晒凹锹渤拉臼券跺醒咏刷嗅卞暑光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024281281UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.6&6.3.6互联效应互联效应并联电池的错配并联电池的错配 在小的电池组件中，电池都是以串联形式相接，所以不用考虑并联错配问题。通常在大的光伏阵列中组件才以并联形式连接，所以错配通常发生在组件与组件之间，而不是电池与电池之间。电池之间并联。穿过每个电池的电压总是相等的，电路的总电流等于每个电池之和。在动画中，电池2的输出电流小于电池1。错配对电流的影响不大

340、，总的电流总是比单个电池电流高。两个并联电池的电压错配。电池2的电压的增加事实上降低了好电池的开路电压。圾疾袱粉龙冤闲尹又取咎仇殖汹戮吼朔韵驯缸忠获汝牟讹兴崔骂阉梗棺冬光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024282282UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.6&6.3.6互联效应互联效应并联电池的错配并联电池的错配有个简单的方法可以计算错配并联电池的开路电压，即在坐标图中以电压为自变量画出IV曲线，则两线的交点就是并联电路的开路电压。甩吭悄碘荆憋斗拱僳纶撵亭烯誓詹侥景对葵情双穿融寿甫沮凑润铰涡涕伟光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20

341、247/21/2024283283UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.7&6.3.7互联效应互联效应光伏阵列中的错配效应光伏阵列中的错配效应 在大型光伏阵列中，单个光伏组件即以串联形式又以并联形式与其它组件连接。一系列串联的电池或组件叫“一串”。串联与并联相结合可能会导致光伏阵列中出现几个问题。一个潜在的问题来自于“一串”电池中的一个发生了开路。则来自这串电池的电流要小于组件中其余的电池串。这种情况与串联电路中有一个电池被阴影遮挡的情况相似，即输出自整个电池组的能量将会下降。如下图所示。大型光伏阵列中的潜在错配效应。尽管所有的组件都是一样的，且阵列中没有电池被阴影遮住，但仍然

342、可能出现热点加热现象。开路来自并联电路的电流减小了1/4左边的阵列在电路结构上相当与右边的电路，即右边的每个电池的电压等于左边每个电池的2倍，电流为4倍。诉谩测香搬耘誊帘隶遏焰红偶袱藩缠均砾递乓惠巧啥封载侧闰靳肋麻面镍光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024284284UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.7&6.3.7互联效应互联效应光伏阵列中的错配效应光伏阵列中的错配效应 如果旁路二极管的额定电流与整个并联电路的输出电流大小不匹配的话，则并联电路的错配效应同样会导致严重的问题。比如，由串联组件组成的并联电路中，每个串联组件的旁路二极管也以并联

343、形式连接，如下图所示。串联组件中的一个错配将会导致电流从二极管流过，从而加热二极管。然而，加热二极管会减少饱和电流和有效电阻，以至于组件中的另一串电池也受影响。电流可能将流过组件中的每一个二极管，但也一定会流过与二极管相连的那一串电池。则这些旁路二极管变得更热，将大大降低它们的电阻并提高电流。如果二极管的额定电流小于电池组件的并联电流，二极管将会被烧坏，光伏组件也将会损坏。旁路二极管的一侧的电阻可能更低低电阻导致大电流被遮挡的组件并联组件中的旁路二极管。升辫瓜彪妮瘸讹毒囱促蹦较忍盘烽庇缔陷啡律坪尔涵现茂墅肾庸试佃种孺光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024285

344、285UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.3.7&6.3.7互联效应互联效应光伏阵列中的错配效应光伏阵列中的错配效应 除了使用旁路二极管来阻止错配损失外，通常还会使用阻塞二极管来减小错配损失。阻塞二极管，如下图所示，通常被用来阻止晚上蓄电池的电流流到光伏阵列上。在互相并联的组件中，每个组件都串联一个阻塞二极管。这不仅能降低驱动阻塞二极管的电流，还能阻止电流从一个好的电池板流到有问题的电池板，也因此减小了并联组件的错配损失。阻塞二极管在并联组件中的作用。问题电池组的阻塞二极管阻止了电流从旁边的电池组流向问题电池组。阻塞二极管旁路二极管千残币粹编茬嘎刮它郑穿缘我宗恒谬适坎不狞丙扎耶步

345、歼除蓉刃恶鸵磐亮光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024286286UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.4.1&6.4.1温度效应温度效应光伏组件的温度光伏组件的温度 太阳能电池封装进光伏组件里所产生的一个多余的边际效应是，封装改变了组件内热量的进出状况，因此增加组件的温度。温度的增加对电池的主要影响是减小电池的输出电压，从而降低输出功率。此外，温度的增加也会导致光伏组件中出现几个电池恶化，因为上升的温度也会增加与热扩散有关的压力，或者增加恶化率，即每上升10C恶化量就增加2个。六电池组件的热成像图六电池组件的热成像图片。片。组件的工作温度决定于组

346、件产生的热量、向外传输的热量和周围环境的温度之间的平衡。而组件产生的热量决定于组件所在的工作点、组件的光学特性和电池的封装密度。组件向外散发热量可以分为三个过程：传导、对流和辐射。这些散发过程决定于组件材料的热阻抗、组件的发光特性和组件所处的环境条件（特别是风速），我们将在下面几节中讨论这些因素。抚抽驻琅隆桩氟沮箩劫刃咖序贝毗琳胖侮布己光馁峭酱铆柴碉题刷肢按烟光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024287287UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.4.2&6.4.2温度效应温度效应光伏组件的热生成光伏组件的热生成暴晒在阳光之下的光伏电池即产生热又产生

347、电。对于暴晒在阳光之下的光伏电池即产生热又产生电。对于工作在最大功率点处的商业光伏组件来说，只有工作在最大功率点处的商业光伏组件来说，只有10%10%到到15%15%的太阳光被转换成电，而剩下的大部分都变成的太阳光被转换成电，而剩下的大部分都变成了热。影响组件的热生成的几个因素包括：了热。影响组件的热生成的几个因素包括： 组件表面的反射组件表面的反射 组件所处的工作点组件所处的工作点 组件中没有被电池片占据的空白部分对阳光的吸收组件中没有被电池片占据的空白部分对阳光的吸收 组件或电池对低能光（红外光）的吸收组件或电池对低能光（红外光）的吸收 太阳能电池的封装密度太阳能电池的封装密度表面反射表面

348、反射表面反射表面反射被组件表面反射出去的光对电能的产生没有贡献。这被组件表面反射出去的光对电能的产生没有贡献。这些光也被看作是能量损失的因素，因此要尽量减少。些光也被看作是能量损失的因素，因此要尽量减少。粕哨钢票睛进祖铝彭糖罩棱谣长酱氦薛卑唁镑乞猫秒眺刨瞥蒙宁傍委靡旬光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024288288UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.4.2&6.4.2温度效应温度效应光伏组件的热生成光伏组件的热生成 当然，反射光也不会使组件加热。对于典型玻璃表面封装光伏组件来说，反射光中包含了大约4%的入射能量。 组件的工作点和效率组件的工作点

349、和效率组件的工作点和效率组件的工作点和效率 电池的工作点和效率决定了电池吸收的光子中能转换成电能的数量。如果电池工作在短路电流或开路电压处，则产生的电能为零，即把所有光能都转换成电能。 光伏组件对光的吸收光伏组件对光的吸收光伏组件对光的吸收光伏组件对光的吸收 光伏组件中没有被电池片占据的部分同样也会加热组件。吸收和反射的光的比 例决定于组件背面的材料和颜色。 红外光的吸收红外光的吸收红外光的吸收红外光的吸收 能量低于电池材料禁带宽度的光将不能产生电能，相反会变成热量使电池温度上升。而电池背面的铝线也趋向于吸收红外光。如果电池的背面没有被铝完全覆盖，则部分红外光将穿过电池并射出组件。 太阳能电池

350、的封装因素太阳能电池的封装因素太阳能电池的封装因素太阳能电池的封装因素 太阳能电池经过特殊设计使得它能更有效率地吸收太阳光辐射。电池本身通常能比组件封装材料和电池背表面层产生更多的热量。因此，电池封装材料的增加也将增加电池单位面积产生的热量.辖橱徒念嘘学忱甫奖缅搔徘扭饿竹隶绷槐屉斗存裤撬脏题屑鲍逆芜裤地寅光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024289289UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.4.3&6.4.3温度效应温度效应光伏组件的热损失光伏组件的热损失 光伏组件的工作温度是组件所产生的热量与向外界传输的热量之间的动态平衡。向外界传输热量的过程有

351、三个：传导、对流和辐射。组件表面的空气流动引起热对流组件向外辐射电磁波热传导发生在热量从一块材料传到另一块材料太阳光加热组件热传导热传导热传导热传导热传导导致热损失是由于光伏组件与其它相互接触的材料（包括周围空气）存在热梯度。光伏组件向外传导热的能力可以通过电池封装材料的热阻抗和材料结构来描述。热量的传导形式与电路中电流的传导形式很相似。对于热传导，材料之间的温度差异驱使热量从高温流向低温区域，类似的，因为电路两区域存在电势差才导致电子的流动。因此，温度与热量的关系可以通过下面的方程给出，这有点类似于流经一电阻的电流与电压的关系。假设材料的构成是均匀一致的，且状态稳定，则热传导与温度之间的方程

352、为：届卞玻居肮肾曙穴次饭悲镑言昆捞承沂娟啦肉交婚觅缠丫沁蕾圆犀有冉翟光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024290290UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.4.3&6.4.3温度效应温度效应光伏组件的热损失光伏组件的热损失 T=Pheat 式中，Pheat指的是光伏组件产生的热量，为发射区表面的热阻抗，单位为CW-1，T两种材料之间的温度差。组件的热阻抗决定于材料的厚度和它的热阻率。热阻抗类似于电阻，它的方程为：=L/kA 其中A为传热表面的面积，L为热量在材料中传导的长度，k是单位为Wm-1C-1的热导率。 要测算复杂结构的热电阻，可以把各个部分

353、的阻抗以串联或并列形式相加。例如，因为组件的前表面和背表面都向外界传输热量，则这两块区域的总阻抗等于它们的各自阻抗并联相加。此外，电池封装材料与组件玻璃的热阻抗则以串联形式相加。 对流对流对流对流 热对流就是从组件表面流过的物质把组件表面的热量带走。对于光伏组件，热对流是由组件表面的吹过的风引起的。这个过程所传输的热量可以由下面方程表示： Pheat=hAT A表示两种材料接触的面积，h为热对流率，单位为Wm-2C-1，T两种材料之间的温度差。与热传导过程不同，直接计算h的过程非常复杂，通常是通过实验测算出来。冬倍陇束蚁早曳练梦俯胰澈牟凹极长舵嚷骑码蛇婿税接瘦碍搐淑拌袒泵如光伏器件系统及应用光

354、伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024291291UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 辐射辐射辐射辐射 组件向外部环境传输热量的最后一种方式是向外辐射电磁波。像黑体辐射一节所讨论的那样，任何物体都会向外辐射电磁波，辐射的波由温度决定。黑体辐射的功率强度由下面方程给出： P=TT4 4 式中。式中。P P为为光伏光伏组组件件产产生的生的热热能，能， 斯特潘斯特潘- -波波尔兹尔兹曼常数，曼常数，T T为电为电池池组组件的温度，件的温度，单单位位为为K K。然而，光伏。然而，光伏组组件并不是一个理想的黑体，所以要件并不是一个理想的黑体，所以要计计算非理想黑体的算非理想黑体的

355、辐辐射射话话，需要引入一个叫，需要引入一个叫发发射率射率的参数。作的参数。作为为完美完美发发射体的黑体，它的射体的黑体，它的发发射率能射率能达到达到1 1。一个物体的。一个物体的发发射率一般可以通射率一般可以通过过它的吸收特性它的吸收特性测测量出来，因量出来，因为这为这两种特两种特性非常相似。例如金属，吸收率很低，同性非常相似。例如金属，吸收率很低，同样发样发射率也很低，通常只有射率也很低，通常只有0.03.0.03.引入引入发发射率之后的方程射率之后的方程变为变为： P=T P=T4 4 组组件件热热量的量的净损净损失等于失等于组组件向外件向外辐辐射的射的热热量与外部量与外部环环境向境向组组

356、件件辐辐射的射的热热量的差，量的差，即即 P= P=（T T4 4scsc-T-T4 4ambamb） 其中其中T Tscsc为电为电池的温度，池的温度，T Tambamb为电为电池外部池外部环环境的温度，其它的境的温度，其它的则为则为常量。常量。&6.4.3&6.4.3温度效应温度效应光伏组件的热损失光伏组件的热损失荔痊嫂宿扒碌炔锹姨冗躇斋柴届闯魏饱庙拼宰置瘁撬碉仿雷旺释瘴标悟彭光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024292292UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.4.4&6.4.4温度效应温度效应电池的额定工作温度电池的额定工作温度 在1kW/

357、m2的光照下，光伏组件的典型温度大约为25C。然而，在实际的光伏发电站中，电池通常在温度更高且光强更低的环境工作。为了估算出太阳能电池的功率输出，关键的一步是要测算出光伏组件可能的工作温度。电池额定工作温度（NOCT）被定义为在下列条件下，开路时电池的温度： 电池表面的辐照度=800W/m2 空气温度=20C 风速=1m/s 衬底=背面向外敞开 关于组件与空气之间太阳辐射和温度的差异的方程，显示了在风速一定的情况下，热对流和热传导损失的大小都与太阳辐照度成线性关系（这里我们假设温度对热阻抗和热传导率影响不大）。下图将分别展示最佳条件、最坏条件和平均条件下的NOCT。最佳情况包括了组件背部安装铝

358、散热片以降低温度，因为散热片能减小热阻抗同时增大表面的对流面积。刹吨碎限匹啼懈炮涛乳喜末浚舀冬些呀鼻徽肚崎般国梳稚不硅碧狮愤凿檬光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024293293UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.4.4&6.4.4温度效应温度效应电池的额定工作温度电池的额定工作温度组件与外部环境的温度差随着太阳光照强度的增加而变大。最好的组件、最差的组件以及典型的组件的额定工作温度NOCT分别为33C、58C和48C。计算电池温度的近似方程为： 式中，S=光强，单位mW/cm2.风速更高时，组件温度将会下降，反之，当风速为零时温度将更高。冠已脯

359、蒋降浮俄焉静村惨穴褐统肯娘蛔论抄蔑出眨扭拣硅讳氰裤坞很凯橡光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024294294UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.4.4&6.4.4温度效应温度效应电池的额定工作温度电池的额定工作温度 组件设计对NOCT的影响 组件设计，包括组件材料和封装密度，是影响NOCT的主要因素。例如，低封装密度和低热阻抗的背表面能够使组件温度降低5C。 安装条件的影响 热传导和热对流都很容易受到光伏组件安装条件的影响。当组件背面不能与外界环境传输热量时（比如，电池组件直接安放在地面上，中间不留有空隙），其热阻抗可能为无限大。类似的，在这种安

360、装条件下，组件表面的热对流也将受到限制。因此，当光伏组件安装在屋顶时，组件温度通常能提高10C。棠拓降痉袒莎琼哦乎舟鸽寡疯一羽满椽及笺芒昆熬捶代海就钒慎档镭晶抉光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024295295UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.4.5&6.4.5温度效应温度效应热膨胀与热压力热膨胀与热压力热膨胀效应是在设计组件时需要考虑的另外一个重要温度效应。温度上升时，使用温度上升时，使用“ “应力环应力环” ”能调节能调节电池之间的膨胀。电池之间的膨胀。电池与电池的间隙将扩大一定距离： =(GC-CD)T式中G C分别是玻璃和电池的膨胀系数

361、，D为电池的宽度，C为电池中心点的距离，如上图所示。通常，电池之间的连接线是成圆形的（如图），以尽量减小周期应力。连接线一般为双层以防止被这种应力破坏。出来这种互联压力外，几乎所有的组件交界面都会受到与温度有关的周期应力的影响，且可能最终导致组件脱落。燕蔽妹哉砾腐哮窥甚别命销缕报荐衫睡檬杠卖挫捕治荡兴仗毖抉缨癌金剐光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024296296UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.5.6&6.5.6其它需要考虑的因素其它需要考虑的因素电力保护和机械保护电力保护和机械保护 电绝缘电绝缘电绝缘电绝缘 封装系统必须能够承受得了系统的电

362、势差。金属框架也应该接地因为组件的内部和终端的电势都大大高出大地电势。任何漏到大地上的电流都应尽量减小。 机械保护机械保护机械保护机械保护 太阳能组件必须有足够的硬度和刚度以承受正常安装时的应力。如果电池表面的封装材料为玻璃，则玻璃必须通过钢化，因为组件中心部位的温度要比周围框架区域的温度高。这将在周围产生张力，并有可能导致玻璃破裂。在光伏阵列中，组件必须能够承受其本身一定程度的弯曲，以及能够承受风流动产生的震动和雪、冰等施加的压力。组件框架可能发生的扭曲。由澳大利亚标准AS4509-1999设定的标准包括：静负荷3.9Kpa 1小时，力从前表面指向背面（相当于200km/hr的风）动负荷2.

363、5kpa，从前表面指向背面，超过2500-10000次（相当于160km/hr的风）冰雹冲击损坏直径2.5cm速度23.2m/s的冰雹冲击（80km/hr）惑论满汀怜歪栽褒侯候植急羡怒让殴普炸耙误跳濒梧樟菠研桥奴羌杨蕾咖光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024297297UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.6.1&6.6.1光伏组件的寿命光伏组件的寿命晶体硅光伏组件的退化机制晶体硅光伏组件的退化机制 因为不需要移动零部件（其它发电系统主要考虑的可靠性问题），所以光伏组件的工作寿命主要决定于组件材料的稳定性和抵抗被腐蚀的能力。电池制造者们保证寿命能达

364、到20年，这便足以说明现在硅光伏组件的质量了。尽管如此，还是有几种损坏和退化机制可能会降低功率输出或降低使用寿命。几乎所有的机制都与水侵蚀和温度应力有关。已退化或损坏的的光伏组件样品。图中显示了水蒸气的侵蚀导致了电池减反射膜退化。可逆转的输出功率减退光伏组件的输出功率减退也可能是由可逆转的因素导致的。比如，部分表面被从地上长出的树给遮住了，或者表面粘有泥土（光伏组件通常会因表面的泥土而损失大约10%的输出功率）。一个组件可能已经退化了，或者组件之间的互联可能改变了光伏阵列的工作点。但是，在那些因素被改正后，这些功率退化都是可逆的。韧德萨宙撑钉度阔顺沧扭税绊腻索陋披唤抛彤博脸剐职愉档彭胖宵届练悲

365、光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024298298UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.6.1&6.6.1光伏组件的寿命光伏组件的寿命晶体硅光伏组件的退化机制晶体硅光伏组件的退化机制光伏阵列中，组件表面的光伏阵列中，组件表面的泥土可能引起错配损耗，泥土可能引起错配损耗，或者更大幅度的统一的功或者更大幅度的统一的功率输出损耗。率输出损耗。光伏组件的恶化和退化光伏组件的恶化和退化退化机制即可能是由于时间的流逝而导致整体输出功率的减小，也可能是由于组件中个别太阳能电池的恶化而导致总输出功率的减小。电池的退化电池的退化引起电池组件的整体退化的因素：电极接触

366、面积的减小和腐蚀（通常由水蒸气引起）导致RS增加穿过pn结的金属漂移使Rsh减小减反射膜的退化驭贸氮篇馒乃任招依妖细其龄闹锅田被槐拌标单乌姬志憋诈咖距藐吻叁乙光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024299299UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.6.1&6.6.1光伏组件的寿命光伏组件的寿命晶体硅光伏组件的退化机制晶体硅光伏组件的退化机制 电池短路 短路可能发生在电池的连接处，如下图所示。短路现象也是在薄膜电池中普遍出现的退化机制，因为薄膜电池的前表面和背面靠的非常近，此外，针孔、腐蚀区域和损坏区域这些因素一同增加了电池被短路的机会。 电池开路电池

367、开路 尽管剩余的连接点加上互联母线的存在，能使电池继续工作，但是电池开路依然是普尽管剩余的连接点加上互联母线的存在，能使电池继续工作，但是电池开路依然是普遍存在的退化机制。电池的破碎可以由以下几个因素引起：遍存在的退化机制。电池的破碎可以由以下几个因素引起：热应力热应力冰雹冰雹制造和封装过程的破坏导致潜在的碎裂，通常在生产检查时观察不到，制造和封装过程的破坏导致潜在的碎裂，通常在生产检查时观察不到，但以后会逐渐出现。但以后会逐渐出现。断裂的电池，图中说明了互联母线是怎样阻止开路现象出现。高揽哥锚鸡彦铭烂尾徘棕咙在朔鬃矾范哭受椿斤侠馆酚厩是滤咆甘镭补粹光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21

368、/20247/21/2024300300UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.6.1&6.6.1光伏组件的寿命光伏组件的寿命晶体硅光伏组件的退化机制晶体硅光伏组件的退化机制互联开路互联开路互联开路互联开路由周期性热应力和风荷载引起的机械疲惫，导致了互联开路现象的发生。组件开路组件开路组件开路组件开路组件之间同样会发生开路现象，通常在母线或接线盒处。组件短路组件短路组件短路组件短路尽管在出售之前每个组件都经过检测，但是多数的组件短路都是制造缺陷引起的。绝缘物质的风化讲解导致了绝缘层脱落、碎裂或电化学腐蚀。组件玻璃的破损组件玻璃的破损组件玻璃的破损组件玻璃的破损表面玻璃的破损可能由肆意

369、破坏、热应力、操作失误、风或冰雹的因素引起。组件脱落组件脱落组件脱落组件脱落组件脱落是早期生产的电池中常见的现象，但现在已经比较少见。通常因键合强度的降低引起，或者因湿气和光热导致老化，或者不同的热膨胀和湿膨胀引起破坏。余藕歧汰掣帛勋秃怜邑珠替穗链秆辅通林出舟艘匠颗潍摊恩恳瞳朱情夹哉光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024301301UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&6.6.1&6.6.1光伏组件的寿命光伏组件的寿命晶体硅光伏组件的退化机制晶体硅光伏组件的退化机制旁路二极管的退化旁路二极管，被用来克服错配问题的元件，其本身也同样会出现问题，通常是由于规格不匹配而导致过热。如果二极管的温度能保持在128C以下，这个问题将能减到最小。封装的退化带有紫外线吸收和其它稳定材料的封装零部件能够保证组件的长寿命。然而，侵蚀和扩散同样会引起缓慢损耗，一旦浓度下降到一个关键水平，则封装材料就将迅速退化。特别是EVA层发生褐变并伴随着乙酸的产生时，将会引发阵列输出功率的整体下降，尤其是聚光太阳能电池系统。炳凌拾堆贩邮料窘笨忙窘舜究羌即汲乳杜铸劣宗童杉送良烃梆告级览囚伏光伏器件系统及应用光伏器件系统及应用7/21/20247/21/2024302302UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学