上一讲回忆•波粒二象性；•“光〞能量的分布特性；•黑体辐射与普朗克分布；•太阳辐射的能量；•影响地面辐射能量的因素；•大气质量AM的定义及计算；•太阳高度角的定义计算；•地面辐射量的计算 第三讲 太阳能利用根本原理PN结与太阳能电池特性 2、太阳能光伏原理、太阳能光伏原理•1839年，法国物理学家A.E.贝克勒尔〔A.E.Becqurel〕意外的发现：将两片金属浸入溶液构成的伏打电池，当受到阳光照射时会产生额外的伏打电动势他把这种现象称为“光生伏打效应〞〔Photovoltaic effect〕，简称“光伏效应〞•1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应以后，人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件〞因为半导体P-N结器件在太阳光照射下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为“太阳能电池〞〔Solar cell〕•1954年，恰宾〔Charbin〕等人在美国贝尔 实验室第一次做出了光电转换效率6%的实用的单晶硅太阳能电池，开创了太阳能电池研究的新纪元 •光生伏特效应：简称“光伏效应〞，英文名称：Photovoltaic effect什么材料？ 指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
镜子？金属导体？绝缘体？橡胶？液体？水？半导体？二极管？ 太阳能光伏电池•现阶段进入民用领域的太阳电池主要是晶体硅太阳电池，占目前产量的90%以上•薄膜太阳电池已被公认为未来太阳电池开展的主要方向之一，具有省材、低能耗，便于大面积连续生产、原材料丰富、无毒、无污染等优点，生产制造本钱低，在建筑光伏一体化〔BIPV〕、荒漠电站等方面具有广泛的应用前景，是目前研发领域的主要研究内容之一6 •晶体与非晶体： 有固定熔点的固体成为晶体； 非晶体会在某一温度范围内逐渐软化•单晶与多晶： 始终按同一种排列重复生长的晶体--单晶； 多种晶粒排列组成的固体—多晶 单晶硅片多晶硅片 1.1 半导体物理根底能带理论：能带理论：共有化运动：原子共有电子的运动轨道杂化导、禁、禁带宽度度发生生变化化 1，说锗晶体本身是电中性的，那掺入三价元素杂质后的P型半导体还是电中性的吗？2，入三价元素杂质的N形半导体如果还为电中性，为什么电子的数目较多？3，入五价元素杂质的P型半导体如果还为电中性，为什么空穴的数目较多？空穴在电场力的作用下还可以移动？那空穴到底指的是什么？掺杂半导体：？本征半导体〔intrinsic semiconductor)：完全不含杂质且无晶格缺陷的纯洁半导体称为本征半导体。
漂移与漂移与扩散散•漂移 --半导体在外电场的作用下，在载流子的热运动上叠加上的一个附加运动；•扩散 ----由半导体中载流子的浓度差而引起的净位移； •PN结：将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体〔通常是硅或锗〕基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结外接正偏电压：外接正偏电压：二极管整流 光垂直入射到半导体外表时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：Ix：距离外表x远处的光强I0：入射光强R：材料外表的反射率α：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关 本征吸收与非本征吸本征吸收与非本征吸收收•本征吸收 --半导体能带中位于价带的电子在吸收光子能量后越过禁带跃迁到导带而在价带中形成电子-空穴对的吸收：•非本征吸收激子吸收自由载流子吸收杂质吸收晶格震动吸收 a、能带理论与半导体；•例题1：太阳能光伏电池的心脏是_____,其内建电场的方向是由_____指向_____ 例题2：简述内建电场形成原理 例题3：以下图是PN结的伏安特性，请描述该现象及其应用，并从内建电压与外电场方向的角度解释形成这一现象的原因 开路电压短路电流填充因子 太阳能电池分类 光伏产业链电池片组件石英砂多晶硅料多晶硅锭 单晶硅片多晶硅片离网发电系统并网发电系统 高纯多晶硅的生产石英砂多晶硅料流程示意图（西门子法）：石英砂——冶金硅——三氯氢硅或四氯化硅——精馏除杂——高纯多晶硅高纯多晶硅高纯多晶硅：高纯棒状、块状硅，纯度可达99.999至99.9999，是制造太阳能电池单晶硅片和多晶硅片的基本材料焦炭电炉H2还原 直拉单晶硅棒和多晶硅锭的生产多晶硅料单晶硅棒多晶硅锭 直拉法定向凝固法和浇铸法流程示意图：直拉单晶硅棒：浆料—熔化—种晶—缩颈—放肩—等径—收尾多晶硅锭：①浇铸法：高纯硅料—熔化—浇铸—冷却； ②直熔法：多晶硅—熔化—热交换—冷却—凝固—多晶硅 单晶硅片和多晶硅片的生产 单晶硅棒多晶硅锭 单晶硅片多晶硅片流程示意图〔单晶硅片〕：切断——滚圆〔切方〕——切片——清洗——检测包装 太阳能电池的生产 电池片单晶硅片多晶硅片常规晶体硅太阳电池的根本制造流程：制绒清洗——扩散——刻蚀——去磷硅玻璃——PECVD SiNx减反膜——丝网印刷和烧结——分检测试——包装 组件的生产 电池片组件流程示意图：焊接——焊串——层叠——中测——层压——固化——装框和接线盒——终测 光伏发电系统 组件离网发电系统并网发电系统光伏发电系统构成：光伏发电系统构成：光伏阵列、控制器、逆变器、蓄电池、负载 太阳能电池各项损失c、太阳能光伏效率的影响因素 1.1 光的反射、折射和吸收1、太阳能利用光学原理 菲涅尔公式： 1.2 几何光学定律 光线——用来表示光的传播方向的直线。
注意理解几点： 1)画光线时必须有表示光的传播方向的箭头 2)光线只代表光的传播方向 ，并不是实际存在的东西，而光是实际存在的 3)光线可代表很窄、平行光束的传播路径 4)两条光线可代表一条光束的边缘 5)用光线可代表光的会聚、发散或平行的性质 、直线传播定律：在均匀介质中，光沿直线传播 应用：1)光源可任意画出从光源发出的光线2)某光源发出的两条光线，根据光沿直线传播的性质，这两条光线的交点即是该发光体的位置3)眼睛根据光的直线传播确定物体的位置4)假设有一不透明物体在空间里，那么光线不能直接通过这一物体 1.2.2 光的反射定律• 光从一种均匀物质射到另一种均匀物质的外表时，光会改变传播方向，又返回到原先的物质中，这种现象叫光的反射定律 反射定律“三线同面，法线居中，两角相等三线同面，法线居中，两角相等〞〞 BOAN〕〕〔〔βα光的反射反射光线、入射光线和法线在同一平面上反射角等于 入射角反射光线和入射光线反射光线和入射光线分居法线的分居法线的两侧两侧 练习练习1：：（1）（2）（3）〔〔〔〔1 1 1 1〕中画出反射光线；〔〕中画出反射光线；〔〕中画出反射光线；〔〕中画出反射光线；〔2 2 2 2〕中画出入射光线〕中画出入射光线〕中画出入射光线〕中画出入射光线〔〔〔〔3 3 3 3〕中画出镜面。
〕中画出镜面〕中画出镜面〕中画出镜面 漫反射漫反射：假设反射面凹凸不平，而平行光虽为平行光束，反射光却四向分散无论单向反射或漫射，皆遵循光的反射定律 1.2.3 光的折射定律光由一种介质传入另一种介质时〔非垂直射入〕，前进方向会改变的现象原因：光在不同介质中，由于速率的不同，使得前进方向改变〔1〕入射线、折射线与法线在同一平面上〔2〕光自光速快的介质，传入光速慢的介质时，其折射线偏向法线即折射角小于入射角〔3〕光自光速慢的介质，传入光速快的介质时，其折射线偏离法线，及折射角大於入射角 •例题2：以下哪些提高太阳能电池效率的措施是通用改善光学性能〔〕•A，绒面电池 B，正面上下结太阳电池•C，退火和吸杂 D，优质减反射膜2、电学性质例题3：在衡量太阳电池输出特性参数中，表征最大输出功率与太阳电池短路电流和开路电压乘积比值的是____ A．转换效率 B.填充因子 C. 光谱响应 D. 方块电阻 第三章：第三章：太阳能太阳能电池的特性池的特性§ 3.1 理想太阳能理想太阳能电池池§ 3.2 太阳能太阳能电池的参数池的参数§ 3.3 电阻效阻效应§ 3.4 其他效其他效应§ 3.5 对太阳能太阳能电池的池的测量量2024/9/640 § 3.1.1 理想太阳能理想太阳能电池池太阳能太阳能电池的池的结构构 太太阳阳能能电电池池是是一一种种能能直直接接把把太太阳阳光光转转化化为为电电的的电电子子器器件件。
入入射射到到电电池池的的太太阳阳光光通通过过同同时时产产生生电电流流和和电电压压的的形形式式来来产产生生电电能能这这个个过过程程的的发发生生需需要要两两个个条条件件，，首首先先，，被被吸吸收收的的光光要要能能在在材材料料中中把把一一个个电电子子激激发发到到高高能能级级，，第第二二，，处处于于高高能能级级的的电电子子能能从从电电池池中中移移动动到到外外部部电电路路在在外外部部电电路路的的电电子子消消耗耗了了能能量量然然后后回回到到电电池池中中许许多多不不同同的的材材料料和和工工艺艺都都根根本本上上能能满满足足太太阳阳能能转转化化的的需需求求，，但但实实际际上上，，几几乎乎所所有有的的光光伏伏电电池池转转化化过过程程都是使用都是使用组组成成 pn结结形式的半形式的半导导体材料来完成的体材料来完成的2024/9/641 § 3.1.1 理想太阳能理想太阳能电池池太阳能太阳能电池的池的结构构太阳能太阳能电池的横截面池的横截面减反射膜减反射膜前端接触电极前端接触电极发射区发射区基区基区背接触电极背接触电极电子空穴对电子空穴对 太阳能太阳能电电池运行的根本步池运行的根本步骤骤：：光生光生载载流子的流子的产产生生光生光生载载流子聚集成流子聚集成电电流流产产生跨越太阳能生跨越太阳能电电池的高池的高电压电压能量在能量在电电路和外接路和外接电电阻中消耗阻中消耗§ 3.1.1 理想太阳能理想太阳能电池池太阳能太阳能电池的池的结构构2024/9/643 § 3.1.2 理想太阳能理想太阳能电池池光生光生电流流 在在太太阳阳能能电电池池中中产产生生的的电电流流叫叫做做“光光生生电电流流〞〞，，它它的的产产生包括了两个主要的生包括了两个主要的过过程。
程 第第一一个个过过程程是是吸吸收收入入射射光光子子并并产产生生电电子子空空穴穴对对电电子子空空穴穴对对只只能能由由能能量量大大于于太太阳阳能能电电池池的的禁禁带带宽宽度度的的光光子子产产生生然然而而，，电电子子〔 〔在在p型型材材料料中中〕 〕和和空空穴穴〔 〔在在n型型材材料料中中〕 〕是是处处在在亚亚稳稳定定状状态态的的，，在在复复合合之之前前其其平平均均生生存存时时间间等等于于少少数数载载流流子子的的寿寿命命如如果果载载流流子子被被复复合合了了，，光光生生电电子子空穴空穴对对将消失，也将消失，也产产生不了生不了电电流或流或电电能了 2024/9/644 § 3.1.2 理想太阳能理想太阳能电池池光生光生电流流 第二个第二个过程是程是pn结通通过对这些光生些光生载流子的收集，流子的收集，即把即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合pn结是通是通过其内建其内建电场的作用把的作用把载流子分开的如果光流子分开的如果光生少数生少数载流子到达流子到达pn结，将会被内建，将会被内建电场移到另一个区，移到另一个区，然后它便成了多数然后它便成了多数载流子。
如果用一根流子如果用一根导线把把发射区跟射区跟基区基区连接在一起〔使接在一起〔使电池短路〕，光生池短路〕，光生载流子将流到外流子将流到外部部电路 “收收集集概概率率〞〞描描述述了了光光照照射射到到电电池池的的某某个个区区域域产产生生的的载载流流子子被被pn结结收收集集并并参参与与到到电电流流流流动动的的概概率率，，它它的的大大小小取取决决于于光光生生载载流流子子需需要要运运动动的的距距离离和和电电池池的的外外表表特特性性在在耗耗散散区区的的所所有有光光生生载载流流子子的的收收集集概概率率都都是是相相同同的的，，因因为为在在这这个个区区域域的的电电子子空空穴穴对对会会被被电电场场迅迅速速地地分分开开在在原原来来电电场场的的区区域域，，其其收收集集概概率率将将下下降降当当载载流流子子在在与与电电场场的的距距离离大大于于扩扩散散长长度度的的区区域域产产生生时时，，那那么么它它的的收收集集概概率率是是相相当当低低的的相相似似的的，，如如果果载载流流子子是是在在靠靠近近电电池池外外表表这这样样的的高高复复合合区区的的区区域域产产生生，，那那么么它它将将会会被被复复合合。
下下面面的的图图描描述述了了外外表表钝钝化化和和扩扩散散长长度度对对收集概率的影响收集概率的影响§ 理想太阳能理想太阳能电池池收集概率收集概率 § 理想太阳能理想太阳能电池池收集概率收集概率 对收集概率的收集概率的计算，算，红线代表代表发射区的射区的扩散散长度，度，蓝线代表基区的代表基区的发射射长度前端外表前端外表在高复合率的情况下，在高复合率的情况下，其外表的收集概率很低其外表的收集概率很低低扩散长度的太阳低扩散长度的太阳能电池电池中距离外表的距离电池中距离外表的距离弱钝化的太阳弱钝化的太阳能电池能电池强钝化的太阳能强钝化的太阳能电池电池在耗散区的收集概在耗散区的收集概率相同率相同背外表背外表收收集集概概率率 收收集集概概率率与与载流流子子的的生生成成率率决决定定了了电池池的的光光生生电流流的的大大小小光光生生电流流大大小小等等于于电池池各各处的的载流流子子生生成成速速率率乘乘以以该处的的收收集集概概率率下下面面是是硅硅在在光光照照为AM1.5下下光光生生电流流的的方方程程，，包包括括了了生生成成率率和和收收集集概概率。
率收集概率收集概率生成率生成率在电池中的距离在电池中的距离§ 理想太阳能理想太阳能电池池收集概率收集概率2024/9/648 在在1.5光谱下硅的生成速率注意，电池外表的生成率是光谱下硅的生成速率注意，电池外表的生成率是最高的，因此电池对外表特性是很敏感的最高的，因此电池对外表特性是很敏感的§ 理想太阳能理想太阳能电池池收集概率收集概率2024/9/649 § 理想太阳能理想太阳能电池池收集概率收集概率 收收集集概概率率的的不不一一致致产产生生了了光光生生电电流流的的光光谱谱效效应应例例如如，，外外表表的的收收集集概概率率低低于于其其他他局局部部的的收收集集概概率率比比较较以以下下图图的的蓝蓝光光、、红红光光和和红红外外光光，，蓝蓝光光在在硅硅外外表表的的零零点点几几微微米米处处几几乎乎被被全全部部吸吸收收因因此此，，如如果果顶顶端端外外表表的的收收集集概概率率非非常常低低的的话话，，入入射射光光中中蓝蓝光光将将不不对对光光生生电电池池做出奉献做出奉献 上上图显示示了了不不同同波波长的的光光在在硅硅材材料料中中的的载流流子子生生成成率率。
波波长0.45μm的的蓝光光拥有有高高吸吸收收率率，，为105cm-1，，也也因因此此它它在在非非常常靠靠近近顶端端外外表表处被被吸吸收收波波长0.8μm的的红光光的的吸吸收收率率103cm-1，，因因此此其其吸吸收收长度度更更深深一一些些1.1μm红外外光光的的吸吸收收率率为103cm-1，，但但是是它它几几乎乎不不被被吸吸收因收因为它的能量接近于硅材料的禁它的能量接近于硅材料的禁带宽度§ 理想太阳能理想太阳能电池池收集概率收集概率归归一一化化的的E-H对对生生成成率率 所所谓谓“量量子子效效率率〞〞，，即即太太阳阳能能电电池池所所收收集集的的载载流流子子的的数数量量与与入入射射光光子子的的数数量量的的比比例例量量子子效效率率即即可可以以与与波波长长相相对对应应又又可可以以与与光光子子能能量量相相对对应应如如果果某某个个特特定定波波长长的的所所有有光光子子都都被被吸吸收收，，并并且且其其所所产产生生的的少少数数载载流流子子都都能能被被收收集集，，那那么么这这个个特特定定波波长长的的所所有有光光子子的的量量子子效效率率都都是是相相同同的的而而能能量量低低于于禁禁带带宽宽度度的的光光子子的的量量子子效效率率为为零零。
以下以下图图将描述理想太阳能将描述理想太阳能电电池的量子效率曲池的量子效率曲线线§ 理想太阳能理想太阳能电池池量子效率量子效率2024/9/652 § 理想太阳能理想太阳能电池池量子效率量子效率总量子效率的减小是由反射效应和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过短的扩散长度引起的理想量子理想量子效率曲线效率曲线能量低于禁带宽度的光能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以长波不能被吸收，所以长波长的量子效率为零长的量子效率为零量量子子效效率率前端表面复合导致蓝光响应的减小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红光响应的降低是由于背表面反射、对长波光的吸收的面反射、对长波光的吸收的减少和短扩散长度减少和短扩散长度 以以下下图图为为硅硅太太阳阳能能电电池池的的量量子子效效率率通通常常，，波波长长小小于于350nm的的光光子子的的量量子子效效率率不不予予测测量量，，因因为为在在1.5大大气气质质量量光光谱谱中，这些短波的光所包含能量很小中，这些短波的光所包含能量很小 尽尽管管理理想想的的量量子子效效率率曲曲线线是是矩矩形形的的〔 〔如如上上图图〕 〕，，但但是是实实际际上上几几乎乎所所有有的的太太阳阳能能电电池池的的都都会会因因为为复复合合效效应应而而减减小小。
影影响响收收集集效效率率的的因因素素同同样样影影响响着着量量子子效效率率例例如如，，顶顶端端外外表表钝钝化化会会影影响响靠靠近近外外表表的的载载流流子子的的生生成成，，而而又又因因为为蓝蓝光光是是在在非非常常靠靠近近外外表表处处被被吸吸收收的的，，所所以以顶顶端端外外表表的的高高复复合合效效应应会会强强烈烈地地影影响响蓝蓝光光局局部部量量子子效效率率相相似似的的，，绿绿光光能能在在电电池池体体内内的的大大局局部部被被吸吸收收，，但但是是电电池池内内过过低低的的扩扩散散长长度度将将影影响收集概率并减小光响收集概率并减小光谱谱中中绿绿光局部的量子效率光局部的量子效率 硅硅太太阳阳能能电电池池中中，，“外外部部〞〞量量子子效效率率包包括括光光的的损损失失，，如如透透射射和和反反射射然然而而，，测测量量经经反反射射和和透透射射损损失失后后剩剩下下的的光光的的量量子子效效率率还还是是非非常常有有用用的的内内部部〞〞量量子子效效率率指指的的是是那那些些没没有有被被反反射射和和透透射射且且能能够够产产生生可可收收集集的的载载流流子子的的光光的的量量子子效效率率通通过过测测量量电电池池的的反反射射和和透透射射，，可可以修正外部量子效率曲以修正外部量子效率曲线线并得到内部量子效率。
并得到内部量子效率§ 理想太阳能理想太阳能电池池量子效率量子效率2024/9/654 “光光谱谱响响应应〞〞在在概概念念上上类类似似于于量量子子效效率率量量子子效效率率描描述述的的是是电电池池产产生生的的光光生生电电子子数数量量与与入入射射到到电电池池的的光光子子数数量量的的比比，，而而光光谱谱响响应应指指的的是是太太阳阳能能电电池池产产生生的的电电流流大大小小与与入入射射能能量量的的比比例例以下以下图图将描述一光将描述一光谱谱响响应应曲曲线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硅太阳能电池的响应曲线能量低于禁带宽度的光能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以在长不能被吸收，所以在长波长段的光谱响应为零波长段的光谱响应为零光光谱谱响响应应§ 理想太阳能理想太阳能电池池光光谱响响应2024/9/655 理理想想的的光光谱响响应在在长波波长段段受受到到限限制制，，因因为半半导体体不不能能吸吸收收能能量量低低于于禁禁带宽度度的的光光子子这种种限限制制在在量量子子效效率率曲曲线中中同同样起起作作用用然然而而，，不不同同于于量量子子效效率率的的矩矩形形曲曲线，，光光谱响响应曲曲线在在随随着着波波长减减小小而而下下降降。
因因为这些些短短波波长的的光光子子的的能能量量很很高高，，导致致光光子子与与能能量量的的比比例例下下降降光光子子的的能能量量中中，，所所有有超超出出禁禁带宽度度的的局局部部都都不不能能被被电池池利利用用，，而而是是只只能能加加热电池池在在太太阳阳能能电池池中中，，高高光光子子能能量量的的不不能能完完全全利利用用以以及及低低光光子子能能量量的的无无法法吸吸收收，，导致致了了显著的能量著的能量损失 光光谱响响应是是非非常常重重要要的的量量，，因因为只只有有测量量了了光光谱响响应才才能能计算算出出量量子子效效率公式如下：率公式如下：§ 理想太阳能理想太阳能电池池光光谱响响应SR（光谱响应）（光谱响应）2024/9/656 被被收收集集的的光光生生载载流流子子并并不不是是靠靠其其本本身身来来产产生生电电能能的的为为了了产产生生电电能能，，必必须须同同时时产产生生电电压压和和电电流流在在太太阳阳能能电电池池中中，，电电压压是是由由所所谓谓的的“光光生生伏伏打打效效应应〞〞过过程程产产生生的的pn结结对对光光生生载载流流子子的的收收集集引引起起了了电电子子穿穿过过电电场场移移向向n型型区区，，而而空空穴穴那那么么移移向向p型型区区。
在在电电池池短短路路的的情情况况下下，，将将不不会会出出现现电电荷荷的的聚聚集集，，因因为为载载流流子子都都参与了光生参与了光生电电流的流流的流动动 然然而而，，如如果果光光生生载载流流子子被被阻阻止止流流出出电电池池，，那那pn结结对对光光生生载载流流子子的的收收集集将将引引起起n型型区区的的电电子子数数目目增增多多，，p型型区区的的空空穴穴数数目目增增多多这这样样，，电电荷荷的的分分开开将将在在电电池池两两边边产产生生一一个个与与内内建建电电场场方方向向相反的相反的电场电场，也因此降低了，也因此降低了电电池的池的总电场总电场§ 理想太阳能理想太阳能电池池光伏效光伏效应2024/9/657 § 理想太阳能理想太阳能电池池光伏效光伏效应 因因为内内建建电场代代表表着着对前前置置扩散散电流流的的障障碍碍，，所所以以电场减减小小的的同同时也也增增大大扩散散电流流穿穿过pn结的的电压将将到到达达新新的的平平衡衡流流出出电池池的的电流流大大小小就就等等于于光光生生电流流与与扩散散电流流的的差差在在电池池开开路路的的情情况况下下，，pn结的的正正向向偏偏压处在在新新的的一一点点，，此此时，，光光生生电流流大大小小等等于于扩散散电流流大大小小，，且且方方向向相相反反，，即即总的的电流流为零零。
当当两两个个电流流到到达达平平衡衡时的的电压叫叫做做“开开路路电压〞 下面下面动画展示了画展示了载流子分流子分别在短路和开路情况下的流在短路和开路情况下的流动情况 动动画画显显示示了了太太阳阳能能电电池池分分别别在在热热平平衡衡、、短短路路和和开开路路下下的的载载流流子子运运动动状状态态请请注注意意不不同同情情况况下下，，流流过过pn结结的的电电流流的的不不同同在在热热平平衡衡下下〔 〔光光照照为为零零〕 〕，，扩扩散散电电流流和和漂漂移移电电流流都都非非常常小小而而电电池池短短路路时时，，pn结结两两边边的的少少数数载载流流子子浓浓度度以以及及由由少少数数载载流流子子决决定定大大小小的的漂漂移移电电流流都都将将增增加加在在开开路路时时，，光光生生载载流流子子引引起起正正向向偏偏压压，，因因此此增增加加了了扩扩散散电电流流因因为为扩扩散散电电流流和和漂漂移移电电流流的的方方向向相反，所以开路相反，所以开路时电时电池池总电总电流流为为零§ 理想太阳能理想太阳能电池池光伏效光伏效应2024/9/659 § 太阳能太阳能电池的参数池的参数 电池的伏安曲池的伏安曲线 太太阳阳能能电电池池的的伏伏安安曲曲线线是是电电池池二二极极管管在在黑黑暗暗时时的的伏伏安安曲曲线线与与光光生生电电流流的的叠叠加加。
光光的的照照射射能能使使伏伏安安曲曲线线移移动动到到第第四四象象限限，，意意味味着着能能量量来来自自电电池池用用光光照照射射电电池池并并加加上上二二极极管的暗管的暗电电流，那么二极管的方程流，那么二极管的方程变为变为：：式中式中IL为光生光生电流第一象限的伏安曲第一象限的伏安曲线方程方程为：：2024/9/660 § 太阳能太阳能电池的参数池的参数 电池的伏安曲池的伏安曲线动画展示了光对一个动画展示了光对一个pn结的电流电压特性的影响结的电流电压特性的影响没有光照时，太阳能电池与没有光照时，太阳能电池与普通二极管的电性能没什么普通二极管的电性能没什么不同 点击继续点击继续 接接下下来来的的几几节节将将讨讨论论几几个个用用于于描描述述太太阳阳能能电电池池特特性性的的重重要要参参数数短短路路电电流流〔 〔ISC〕 〕，，开开路路电电压压〔 〔VOC〕 〕，，填填充充因因子子〔 〔FF〕 〕和和转转换换效率都可以从伏安曲效率都可以从伏安曲线测线测算出来的重要参数算出来的重要参数 § 太阳能太阳能电池的参数池的参数短路短路电流流 短短路路电电流流是是指指当当穿穿过过电电池池的的电电压压为为零零时时流流过过电电池池的的电电流流〔 〔或或者者说说电电池池被短路被短路时时的的电电流流〕 〕。
通常通常记记作作ISC太阳能电池的伏安曲线太阳能电池的伏安曲线短路电流短路电流ISC是电池流出的最是电池流出的最大电流，此时穿过电池的电大电流，此时穿过电池的电压为零电池产生的电能 短短路路电电流流源源于于光光生生载载流流子子的的产产生生和和收收集集对对于于电电阻阻阻阻抗抗最最小小的的理理想想太太阳阳能能电电池池来来说说，，短短路路电电流流就就等等于于光光生生电电流流因因此此短短路路电电流流是是电电池池能能输输出出的最大电流的最大电流2024/9/662 短路短路电电流的大小取决于以下几个因素：流的大小取决于以下几个因素：太太阳阳能能电电池池的的外外表表积积要要消消除除太太阳阳能能电电池池对对外外表表积积的的依依赖赖，，通通常需改常需改变变短路短路电电流流强强度度〔 〔JSC单单位位为为mA/cm2〕 〕而不是短路而不是短路电电流光光子子的的数数量量〔 〔即即入入射射光光的的强强度度〕 〕电电池池输输出出的的短短路路电电流流ISC的的大大小小直接取决于光照直接取决于光照强强度度〔 〔在入射光在入射光强强度一度一节节有有讨论讨论〕 〕入入射射光光的的光光谱谱测测量量太太阳阳能能电电池池是是通通常常使使用用标标准准的的1.5大大气气质质量量光光谱谱。
电电池的光学特性池的光学特性〔 〔吸收和反射吸收和反射〕〔 〕〔光学光学损损耗一耗一节节已已讨论过讨论过〕 〕电电池池的的收收集集概概率率，，主主要要取取决决于于电电池池外外表表钝钝化化和和基基区区的的少少数数载载流流子寿命 § 太阳能太阳能电池的参数池的参数短路短路电流流2024/9/663 在在比比较相相同同材材料料的的两两块太太阳阳能能电池池时，，最最重重要要的的参参数数是是扩散散长度度和和外外表表钝化化对于于外外表表完完全全钝化化和和生生成成率率完完全全相相同同的的电池来池来说，短路，短路电流方程近似于：流方程近似于： JSC=qG(Ln+Lp) 式式中中G代代表表生生成成率率，，而而Ln和和Lp分分别为电子子和和空空穴穴的的扩散散长度度尽尽管管此此方方程程以以与与多多数数太太阳阳能能电池池的的实际情情况况不不太太相相符符的的假假设为前前提提的的，，但但这并并不不阻阻碍碍我我们从从这个个方方程程看看出出，，短短路路电流流很很大大程程度上取决于生成率和度上取决于生成率和扩散散长度。
度 在在AM1.5大大气气质量量光光谱下下的的硅硅太太阳阳能能电池池，，其其可可能能的的最最大大电流流为46mA/cm2实验室室测得得的的数数据据已已经到到达达42mA/cm2，，而而商商业用太阳能用太阳能电池的短路池的短路电流在流在28到到35mA/cm2之之间 § 太阳能太阳能电池的参数池的参数短路短路电流流2024/9/664 开开路路电电压压VOC是是太太阳阳能能电电池池能能输输出出的的最最大大电电压压，，此此时时输输出出电电流流为为零零开开路路电电压压的的大大小小相相当当于于光光生生电电流流在在电电池池两两边边加加的的正正向向偏偏压压开开路路电电压压如如以以下下图图伏安曲伏安曲线线所示 § 太阳太阳电池的参数池的参数开路开路电压开路电压是太阳能电池的开路电压是太阳能电池的最大电压，即净电流为零最大电压，即净电流为零时的电压时的电压2024/9/665 上上述述方方程程显显示示了了VOC取取决决于于太太阳阳能能电电池池的的饱饱和和电电流流和和光光生生电电流流由由于于短短路路电电流流的的变变化化很很小小，，而而饱饱和和电电流流的的大大小小可可以以改改变变几几个个数数量量级级，，所所以以主主要要影影响响是是饱饱和和电电流流。
饱饱和和电电流流I0主主要要取取决决于于电电池池的的复复合合效效应应即即可可以以通通过过测测量量开开路路电电压压来来算算出出电电池池的的复复合合效效应应实实验验室室测测得得的的硅硅太太阳阳能能电电池池在在AM1.5光光谱谱下下的的最最大大开开路路电压电压能到达能到达720mV，而商，而商业业用太阳能用太阳能电电池通常池通常为为600mV § 太阳太阳电池的参数池的参数开路开路电压 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：压方程：2024/9/666 短短路路电电流流和和开开路路电电压压分分别别是是太太阳阳能能电电池池能能输输出出的的最最大大电电流流和和最最大大电电压压然然而而，，当当电电池池输输出出状状态态在在这这两两点点时时，，电电池池的的输输出出功功率率都都为为零零填填充充因因子子〞〞，，通通常常使使用用它它的的简简写写“FF〞〞，，是是由由开开路路电电压压VOC和和短短路路电电流流ISC共共同同决决定定的的参参数数，，它它决决定定了了太太阳阳能能电电池池的的输输出出效效率率。
填填充充因因子子被被定定义义为为电电池池的的最最大大输输出出功功率率与与开开路路VOC和和ISC的的乘乘积积的的比比值值从从图图形形上上看看，，FF就就是是能能够够占占据据IV曲曲线线区域最大的面区域最大的面积积如以下图图所示 § 太阳能太阳能电池的参数池的参数填充因子填充因子2024/9/667 § 太阳能太阳能电池的参数池的参数填充因子填充因子 输输出出电电流流〔〔红红线线〕〕和和功功率率的的〔〔蓝蓝线线〕〕图图表表同同时时标标明明了了电电场场的的短短路路电电流流〔〔ISC〕〕点点、、开开路路电电压压〔〔VOC〕〕点点以以及及最最大大功功率率点点〔〔Vmp，，Imp〕〕，，点点击击图图片片可可以以看看到到当当电电池池的的填填充充因因子子变变小小时时曲曲线线是是如如何何变变化的 FF是是对对伏伏安安曲曲线线的的矩矩形形面面积积的的测测量量，，那那么么电电压压高高的的太太阳阳能能电电池池，，其其FF值值也也可可能能比比较较大大，，因因为为伏伏安安曲曲线线中中剩剩余余局局部部的的面面积积会会更更小小要要计计算算电电池池的的FF可可以以对对电电池池的的功功率率进进行行求求导导，，令令其其值值为为零，便可找出功率最大零，便可找出功率最大时时的的电压电电压电流流值值了。
即：了即： d〔 〔IV〕 〕/dV=0 并并给给出：出： § 太阳能太阳能电池的参数池的参数填充因子填充因子2024/9/669 上上述述方方程程显显示示了了电电池池的的开开路路电电压压越越高高，，填填充充因因子子就就越越大大然然而而，，材材料料相相同同的的电电池池的的开开路路电电压压，，它它们们的的变变化化也也相相对对较较小小例例如如，，(At one sun)在在一一个个AM1.0下下，，实实验验室室硅硅太太阳阳能能电电池池和和典典型型的的商商业业硅硅太太阳阳能能电电池池的的开开路路电电压压之之差差大大约约为为120mV，，填填充充因因子子分分别别为为0.85和和0.83.然然而而，，不不同同材材料料的的电电池池的的填填充充因因子子的的差差异异那那么么可能非常大例如，可能非常大例如，GaAs太阳能太阳能电电池的填充因子能到达池的填充因子能到达0.89 § 太阳能太阳能电池的参数池的参数填充因子填充因子 然然而而，，单单从从上上面面的的步步骤骤并并不不能能得得出出一一个个简简单单或或近近似似的的方方程程。
上上面面的的方方程程只只与与VOC和和Vmp，，所所以以还还需需要要额额外外的的能能求求出出Imp和和FF的方程一个比较常使用的经验方程是：的方程一个比较常使用的经验方程是：2024/9/670 上上述述方方程程还说明明了了理理想想因因子子〔〔也也叫叫n因因子子〕〕的的重重要要性性理理想想因因子子是是描描述述pn结质量量和和电池池的的复复合合类型型的的测量量量量对于于复复合合类型型那那一一节所所讨论的的简单的的复复合合来来说，，n的的值为1然然而而对于于其其它它特特别是是效效应很很强的的复复合合类型型来来说，，n的的值应该为2大大的的n值不不仅会会降降低低填填充充因因子子，，还会会因因为高高复复合合效效应而而降降低低开开路路电压 上上述述方方程程中中一一个个重重要要的的限限制制是是，，它它求求出出的的只只是是最最大大填填充充因因子子，，然然而而实际上上因因为电池池中中寄寄生生电阻阻的的存存在在，，填填充充因因子子的的值可可能能会会更更低低一一些些因因此此，，测量量填填充充因因子子最最常常用用的的方方法法还是是测量伏安曲量伏安曲线，即最大功率除以开路，即最大功率除以开路电压与短路与短路电流的乘流的乘积。
FF=VmpImp/〔〔VOCISC 〕〕 § 太阳能太阳能电池的参数池的参数填充因子填充因子2024/9/671 发电效效率率是是人人们在在比比较两两块电池池好好坏坏时最最常常使使用用参参数数效效率率定定义为电池池输出出的的电能能与与射射入入电池池的的光光能能的的比比例例除除了了反反映映太太阳阳能能电池池的的性性能能之之外外，，效效率率还决决定定于于入入射射光光的的光光谱和和光光强以以及及电池池本本身身的的温温度度所所以以在在比比较两两块电池池的的性性能能时，，必必须严格格控控制制其其所所处的的环境境测量量陆地地太太阳阳能能电池池的的条条件件是是光光照照AM1.5和和温温度度25°C而而空空间太太阳阳能能电池池的的光光照照那那么么为AM0近近几几年年的的太太阳阳能能电池池最最高高效效率率表表将将在在太太阳阳能能电池池效效率率测量量结果一果一节中中给出下式下式为计算算发电效率的方程：效率的方程：Pmax= VOCISC FF ,η=Pmax/Pin = VOCISC FF /Pin § 太阳能太阳能电池的参数池的参数 效效 率率2024/9/672 直线斜率的倒数就是直线斜率的倒数就是特征电阻。
特征电阻 太太阳阳能能电电池池的的特特征征电电阻阻就就是是指指电电池池在在输输出出最最大大功功率率时时的的输输出出电电阻阻如如果果外外接接负负载载的的电电阻阻大大小小等等于于电电池池本本身身的的输输出出电电阻阻，，那那么么电电池池输输出出的的功功率率到到达达最最大大，，即即工工作作在在最最大大功功率率点点此此参参数数在分析在分析电电池特性，特池特性，特别别是研究寄生是研究寄生电电阻阻损损失机制失机制时时非常重要非常重要图上的公式上的公式还可代可代之以：之以： RCH=VOC/ISC § 电阻效阻效应 太阳能太阳能电池的池的特征特征电阻阻2024/9/673 电池池的的电阻阻效效应以以在在电阻阻上上消消耗耗能能量量的的形形式式降降低低了了电池池的的发电效效率率其其中中最最常常见的的寄寄生生电阻阻为串串联电阻阻和和并并联电阻阻从从下面的下面的电池等效池等效电路便可看出串路便可看出串联和并和并联电阻。
阻 在在大大多多数数情情况况下下，，当当串串联联电电阻阻和和并并联联电电阻阻处处在在典典型型值值的的时时候候，，寄寄生生电电阻阻对对电电池池的的最最主主要要影影响响便便是是减减小小填填充充因因子子串串联联电电阻阻和和并并联联电电阻阻的的阻阻值值以以及及它它们们对对电电池池最最大大功功率率点点的的影影响响都都决决定定于于电电池池的的几几何何结结构构在在太太阳阳能能电电池池中中，，电电阻阻的的单单位位是是Ωcm2由由欧姆定律可以求出单位面积的阻值，欧姆定律可以求出单位面积的阻值，R〔〔 Ωcm2 〕〕=V/J § 电阻效阻效应 寄生寄生电阻效阻效应74 太太阳阳能能电池池中中，，引引起起串串联电阻阻的的因因素素有有三三种种：：第第一一，，穿穿过电池池发射射区区和和基基区区的的电流流流流动；；第第二二，，金金属属电极极与与硅硅之之间的的接接触触电阻阻；；第第三三便便是是顶部部和和背背部部的的金金属属电阻阻串串联电阻阻对电池池的的主主要要影影响响是是减减小小填填充充因因子子，，此此外外，，当当阻阻值过大大时还会会减减小小短短路路电流流。
下下面面动画画描描述了串述了串联电阻阻对伏安曲伏安曲线的影响串联电阻对串联电阻对FF的影的影响此电池的外表响此电池的外表积为积为1cm2 § 电阻效阻效应串串联电阻阻2024/9/675 串串联电阻阻并并不不会会影影响响到到电池池的的开开路路电压，，因因为此此时电池池的的总电流流为零零，，所所以以串串联电阻阻也也为零零然然而而，，在在接接近近开开路路电压处，，伏伏安安曲曲线会会受受到到串串联电阻阻的的强烈烈影影响响一一种种直直接接估估计电池池的的串串联电阻的方法是找出伏安曲阻的方法是找出伏安曲线在开路在开路电压处的斜率 计算太阳能算太阳能电池的最大功率的方程池的最大功率的方程如下：如下： § 电阻效阻效应串串联电阻阻若定若定义 为标准（准（ normalized）串）串联电阻，阻， 2024/9/676 我我们们假假设设开开路路电电压压和和短短路路电电流流没没有有受受到到串串联联电电阻阻的的影影响响，，那么可以算出串那么可以算出串联电联电阻阻对对填充因子的影响：填充因子的影响： 在在上上述述方方程程中中，，我我们们把把没没有有受受串串联联电电阻阻影影响响的的填填充充因因子子用用符号符号FF0表示，而表示，而FF‘那么用那么用FFs代替。
那么方程改代替那么方程改为为：： 而而下下面面以以实实验验为为根根底底的的方方程程能能更更加加精精确确地地表表示示FF0与与FFS之之间间的关系：的关系： FFs=FF0[〔 〔1-1.1rs〕 〕+r2s/5.4] 此式在此式在rs<0.4及及VOC>10时时有效 § 电阻效阻效应串串联电阻阻2024/9/677 并并联电阻阻RSH造造成成的的显著著的的功功率率损失失通通常常是是由由于于制制造造缺缺陷陷引引起起的的，，而而不不是是糟糟糕糕的的电池池设计小小的的并并联电阻阻以以分分流流的的形形式式造造成成功功率率损失失此此电流流转移移不不仅减减小小了了流流经pn结的的电流流大大小小，，同同时还减减小小了了电池池的的电压在在光光强很很低低的的情情况况下下，，并并联电阻阻对电池池的的影影响响最最大大，，因因为此此时电池的池的电流很小下面的流很小下面的动画将展示小并画将展示小并联电阻阻对电池的影响：池的影响： 此此电电池池的的外外表表积积为为1cm2。
通通过过测测量量伏伏安安曲曲线线在在接接近近短短路路电电流流处处的的斜斜率率可可以以估估算算出出电池内并联电阻的值电池内并联电阻的值 § 电阻效阻效应并并联电阻阻2024/9/678 计算算并并联电阻阻对填填充充因因子子的的影影响响与与计算算串串联电阻阻对填填充充因因子子的的影影响响时所所使使用用的的方方法法相相似似即即最最大大功功率率近近似似等等于于无无并并联电阻阻时的功率减去并的功率减去并联电阻所消耗的功率方程如下：阻所消耗的功率方程如下： 这里把这里把rsh=Rsh/RCH定义为标定义为标准并联电阻准并联电阻 § 电阻效阻效应并并联电阻阻2024/9/679 我我们们假假设设开开路路电电压压和和短短路路电电流流都都没没有有受受并并联联电电阻阻的的影影响响，，那那么么可可计计算出并算出并联电联电阻阻对对填充因子的影响：填充因子的影响： 同同样样，，对对没没有有被被并并联联电电阻阻影影响响的的填填充充因因子子，，我我们们用用FF0表表示示，，而而FF’那那么改用么改用FFsh表示：表示： FFsh=FF0〔 〔1-1/rsh〕 〕 下面将列出更加精确的以下面将列出更加精确的以实验为实验为根底的方程根底的方程 此方程在此方程在rsh>0.4时有效时有效 § 电阻效阻效应并并联电阻阻80 当当并并联电阻阻和和串串联电阻阻同同时存存在在时，，太太阳阳能能电池池的的电流流与与电压的关系的关系为：： 而电池的等效电路图为：而电池的等效电路图为： § 电阻效阻效应串、并串、并联电阻的共同影响阻的共同影响式中式中IL为光生光生电流。
〕流〕〔第一象限的伏安曲〔第一象限的伏安曲线方程方程为：：81 上式中上式中FFs=FF0[〔 〔1-1.1rs〕 〕+r2s/5.4] 那么将上面的方程那么将上面的方程结结合后得到合后得到FF：： § 电阻效阻效应串、并串、并联电阻的共同影响阻的共同影响结合串联电阻和并联电阻的影响，总的方程为结合串联电阻和并联电阻的影响，总的方程为：：2024/9/682 像像所所有有其其它它半半导体体器器件件一一样，，太太阳阳能能电池池对温温度度非非常常敏敏感感温温度度的的升升高高降降低低了了半半导体体的的禁禁带宽度度，，因因此此影影响响了了大大多多数数的的半半导体体材材料料参参数数可可以以把把半半导体体的的禁禁带宽度度随随温温度度的的升升高高而而下下降降看看成成是是材材料料中中的的电子子能能量量的的提提高高因因此此破破坏坏共共价价键所所需需的的能能量量更更低低在在半半导体体禁禁带宽度度的的共共价价键模模型型中中，，价价键能量的降低意味着禁能量的降低意味着禁带宽度的下降度的下降 § 其他效其他效应温度效温度效应2024/9/683 § 其他效其他效应温度效温度效应 在在太太阳阳能能电池池中中，，受受温温度度影影响响最最大大的的参参数数是是开开路路电压。
温温度度的的改改变对伏伏安安曲曲线的的影影响响如如以以下下图所所示 短短路路电电流流ISC提提 高高 幅幅度很小度很小温温 度度 较较 高高的电池的电池开路电压开路电压Voc下降幅度大下降幅度大 开开路路电电压压随随着着温温度度而而减减小小是是因因为为I0对对温温度度的的依依赖赖关关于于pn结结两两边边的的I0的方程如下：的方程如下： 式式中中，，q为为一一个个电电子子的的电电荷荷量量；；D为为硅硅材材料料中中少少数数载载流流子子的的扩扩散散率率；；L为为少数少数载载流子的流子的扩扩散散长长度；度；ND为掺杂为掺杂率；率；ni为为硅的本征硅的本征载载流子流子浓浓度 在在上上述述方方程程中中，，许许多多参参数数都都会会受受温温度度影影响响，，其其中中影影响响最最大大的的是是本本征征载载流流子子浓浓度度ni本本征征载载流流子子浓浓度度决决定定于于禁禁带带宽宽度度〔 〔禁禁带带宽宽度度越越低低本本征征载载流流子子浓浓度越高度越高〕 〕以及以及载载流子所流子所拥拥有的能量有的能量〔 〔载载流子能量越高流子能量越高浓浓度越高度越高〕 〕。
§ 其他效其他效应温度效温度效应2024/9/685 § 其他效其他效应温度效温度效应关于本征关于本征载流子的方程流子的方程为：： 式式中中，，T表表示示温温度度，，h和和k都都是是常常数数，，me和和mh分分别别是是电电子子和和空空穴穴的的有有效效质质量量；；EG0为为禁禁带带宽宽度度，，B是是也也是是一一个个常常数数，，但但根根本本不不受受温温度度影影响响把把这这个个方方程程带带回回到到求求解解电电流流的的方方程程中中，，并假设温度对其它参数的影响忽略不计，那么：并假设温度对其它参数的影响忽略不计，那么： 式式中中B’为为一一个个不不受受温温度度影影响响的的常常数数常常数数γ，，被被用用来来代代替替数数字字3以以把把其其它它参参数数可可能能受受温温度度的的影影响响包包括括进进去去对对于于温温度度接接近近于于室室温温的的硅太阳能电池来说，温度每升高硅太阳能电池来说，温度每升高10°10°C，，I0将升高将近一倍将升高将近一倍 把把上上述述方方程程代代入入到到VOC的的方方程程中中，，便便可可计计算算出出I0 0对对开开路路电电压压的的影影响。
响 § 其他效其他效应温度效温度效应 其中，其中，VG0=EG0/q2024/9/687 此此方方程程显显示示，，太太阳阳能能电电池池的的温温度度敏敏感感性性取取决决于于开开路路电电压压的的大大小，即电池的电压越大，受温度的影响就越小小，即电池的电压越大，受温度的影响就越小 对对于于硅硅，，EG0为为1.2eV，，取取γ=3，，那那么么开开路路电电压压的的变变化化为为大大约约2.2mV/°C § 其他效其他效应温度效温度效应我我们假假设dVOC /dT不受不受dISC /dT的影响，那么的影响，那么2024/9/688 § 其他效其他效应温度效温度效应同时，同时，硅电池的填充因子硅电池的填充因子FF受温度的影响为：受温度的影响为： 当当温温度度升升高高时时，，短短路路电电流流ISC会会轻轻微微地地上上升升，，因因为为当当禁禁带带宽宽度度EG减减小小时时，，将将有有更更多多的的光光子子有有能能力力激激发发电电子子空空穴穴对对然然而而，，这这种种影影响响是是很很小小的的，，下下面面的的方方程程说说明明硅硅太太阳阳能能电电池池中中短短路路电电流流受受温温度度影影响响程程度度：： 而而温度温度对最大最大输出功率出功率Pm的影响的影响为：： 南南极极洲洲，，正正在在测测量量太太阳阳能能电电池池的的效效率率。
太太阳阳能能电电池池喜欢阳光明媚寒冷天气喜欢阳光明媚寒冷天气 § 其他效其他效应温度效温度效应2024/9/690 改改变变入入射射光光的的强强度度将将改改变变所所有有太太阳阳能能电电池池的的参参数数，，包包括括短短路路电电流流、、开开路路电电压压、、填填充充因因子子FF、、转转换换效效率率以以及及并并联联电电阻阻和和串串联联电电阻阻对对电电池池的的影影响响通通常常用用多多少少个个太太阳阳来来形形容容光光强强，，比比方方一一个个太太阳阳就就相相当当于于AM1.5大大气气质质量量下下的的标标准准光光强强，，即即1KW/m2如如果果太太阳阳能能电电池池在在功功率率为为10KW/m2的的光光照照下下工工作作，，也也可可以以说说是是在在10个个太太阳阳下下工工作作，，或或10X被被设设计计在在一一个个太太阳阳下下工工作作的的电电池池板板叫叫“平平板板电电池池〞〞，，而而那那些些使使用用聚聚光光器器的的电电池池叫叫“聚聚光光太太阳阳能能电电池〞§ 其他效其他效应光光强效效应2024/9/691 § 其他效其他效应光光强效效应聚光对太阳能电池的伏安特性的影响。
聚光对太阳能电池的伏安特性的影响短路电流短路电流ISC随着随着聚光呈线性上升聚光呈线性上升FF可能会因串联可能会因串联电阻的上升而下降电阻的上升而下降开路电压随光强呈开路电压随光强呈对数上升对数上升 聚光太阳能聚光太阳能电电池池 聚聚光光太太阳阳能能电电池池是是一一种种在在光光强强大大于于一一个个太太阳阳的的光光照照下下工工作作的的太太阳阳能能电电池池入入射射太太阳阳光光被被聚聚焦焦或或透透过过光光学学器器件件形形成成高高强强度度的的光光束束射射到到小小面面积积的的太太阳阳能能电电池池中中聚聚光光太太阳阳能能电电池池有有几几个个潜潜在在的的优优势势，，包包括括比比平平板板太太阳阳能能电电池池更更高高的的转转换换效效率率和和更更低低的的本本钱钱电电池池的的短短路路电电流流大大小小与与光光的的强强度度成成线线性性关关系系，，因因此此在在10个个太太阳阳照照射射下下的的电电池池短短路路电电流流是是在在一一个个太太阳阳照照射射下下的的十十倍倍然然而而，，这这种种改改变变并并没没有有带带来来转转换换效效率率的的提提升升，，因因为为入入射射功功率率也也随随光光强强呈呈线线性性提提高高。
相相反反，，由由于于开开路路电电压压与与短短路路电电流流呈呈对对数数关关系系，，转转换换效效率率得得以以提提升升因因此此，，在在聚聚光光条条件件下下，，VOC随随着着光光强强上上升升呈呈对对数数形形式式增增加加，，如如下下式式所所示：示：式中式中X代表入射光的强度代表入射光的强度§ 其他效其他效应光光强效效应2024/9/693 因因为只只需需小小面面积的的太太阳阳能能电池池，，所所以以聚聚光光太太阳阳能能电池池系系统的的本本钱比比功功率率相相同同的的平平板板太太阳阳能能电池池系系统要要低低聚聚光光电池池的的效效率率优势可可能能会会因因串串联电阻阻的的增增加加而而有有所所下下降降，，因因为短短路路电流流成成线性性增增加加，，同同时电池池的的温温度度也也迅迅速速上上升升由由短短路路电流流引引起起的的损失失的的大大小小与与电流流的的平平方方成成正正比比，，那那么么串串联电阻造成的能量阻造成的能量损失大小与光失大小与光强的平方成正比的平方成正比 低光低光强 在在光光强变低低时，，并并联电阻阻对电池池的的影影响响将将慢慢慢慢变大大。
因因为通通过电池池的的前前置置偏偏压和和电流流会会随随着着光光的的强度度的的减减小小而而减减小小，，而而电池池的的等等效效电阻阻也也将将开开始始接接近近并并联电阻阻的的大大小小当当这两两种种电阻阻大大小小相相近近时，，分分流流到到并并联电阻阻的的电流流将将增增加加，，即即增增加加了了并并联电阻阻的的能能量量损失失结果果是是，，在在多多云云的的天天气气下下，，并并联电阻阻高高的的太太阳阳能能电池池能能比比并并联电阻阻低低的的太太阳阳能能电池池保保存存更更大大局部的局部的电流 § 其他效其他效应光光强效效应2024/9/694 测测量量太太阳阳能能电电池池性性能能最最常常用用最最根根本本的的方方式式是是，，在在精精确确控控制制的的光光源源照照射射下下测测量量电电池池的的伏伏安安曲曲线线，，并并严严格格控控制制电电池池的的温温度度以以下下图图展展示示了了测测量量伏伏安安曲曲线线的装置测试IV曲曲线的装置原理的装置原理图 因因为为太太阳阳能能电电池池对对光光强强和和温温度度都都很很敏敏感感，，所所以以在在测测试试的的时时候候这这种种条条件件都都需需要要仔仔细细控控制制。
对对于于光光源源，，光光谱谱和和光光强强这这两两个个数数据据都都要要知知道道，，并并且且要要控控制制在在标标准准AM1.5光光谱谱上上世世界界上上有有几几个个实实验验室室专专门门从从事事对对太太阳阳能能电电池池的的测测量量，，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光源接近光源接近AM1.5光源由计算机控制光源由计算机控制温度控制试验台把电池温度控制在温度控制试验台把电池温度控制在25°§ 太阳能太阳能电池的池的测量量/测试2024/9/695 最最高高太太阳阳能能电池池转换效效率率结果果将将定定期期发布布在在?光光伏伏进展展?的的“太太阳阳能能电池池效效率率表表〞〞一一栏中中，，我我们将将在在本本电子子教教程程的的“太太阳阳能能电池池效效率率结果果〞〞一一节里里给出出一一个个样本本，，仅供供参参考考而而非非正正规的的测量量将将使使用用控控制制精精度度较低低的的光光源源，，并并利利用用参参考考电池池来来校校对光光源源所所谓参参考考电池池，，即即电气气性性能能和和光光学学性性能能都都尽尽可可能能与与与与被被测电池池相相近近，，并并且且已已经在在标准准光光源源下下测试过的的太太阳阳能能电池池。
电气气性性能能和和光光学学性性能能的的相相近近能能保保证两两个个电池池的的光光谱响响应能能很很好好的的匹匹配配如如果果参参考考电池池的的输出出电流流被被设置置成成在在标准准光光源源下下的的测量量电流流，，那那么么被被测电池池的的输出出电流流将将与与在在标准准AM1.5光光谱下下的的测量量结果果大大小小相相当当除除了了仔仔细调整整光光源源外外，，还需需要要精精确确测量量系系统中中其其它它几几个个的的特特征征四四点点探探针是是用用来来消消除除测试线中中的的串串联电阻阻，，和和探探头-电池池之之间的的接接触触电阻阻的的影影响响的的器器材材此此外外，，被被测电池池经冷却使温度保持在冷却使温度保持在25°C§ 太阳能太阳能电池的池的测量量/测试2024/9/696 风能根本原理及设备新能源第四讲 1、风-风的产生 1.2. 风成为资源的条件•风能； E=1/2mV2•风能密度； W=E/S=1/2ρV3•风向与风频； •通过对测风塔的数据进行分析，得出代表年50m～80m高度的年平均风速、风功率密度根据?风电场风能资源测量方法?〔GB-T18710-2002〕可以判断风功率密度等级，一般来说，风功率密度到达3级以上，风电场才有开发价值。
•各测风塔的风能主要集中某几个扇区，盛行风向稳定，才有利于风能资源的有效利用•根据风电场65～85m轮毂高度处50年一遇最大风速，风电场风机轮毂高度处15m/s风速区间的湍流强度，判定风电场工程可以选择的风力发电机组类别 1.3 风的测量 1.4 风能资源 2. 风机的工作原理 2.2 攻角与失速 连续流动：动量方程：能量守恒：2.3 风机效率-贝茨理论 2.3 风机效率-其他因素叶尖速比：叶尖圆周速度与来流风速之比； 2.3 风机效率-其他因素实度：风轮叶片面积与扫风面积之比； 2.3 风机效率-其他因素 风力机为什么那么大？ 需要大型重卡才需要大型重卡才运送一片叶片运送一片叶片和人的大小和人的大小比照比照 •大家都知道风是时有时无，而且大小方向随时都变化的，以至于风力发电机发出的电时有时无，电压和频率也不稳定，这样就没有实际应用价值了•一阵狂风吹来，风轮越转越快，系统就会被吹跨 为了解决这些问题，现代风机增加了：为了解决这些问题，现代风机增加了：齿轮箱齿轮箱、、偏航系统偏航系统、、液压系统液压系统、、刹车系统刹车系统和和控控制系统制系统等 4-34-3、风能发电设备、风能发电设备————发电机发电机 (一一)典型典型风风力力发电发电机机组组的系的系统组统组成成 齿轮齿轮箱：可以将很低的箱：可以将很低的风轮转风轮转速速变为变为很高的很高的发电发电机机转转速，同速，同时时也也使得使得发电发电机易于控制，机易于控制，实现稳实现稳定的定的频频率和率和电电压输压输出出 偏航系偏航系统统：可以使：可以使风轮风轮扫扫掠面掠面积总积总是垂直于是垂直于主主风风向向 液液压压系系统统：就是用于：就是用于调调节节叶片叶片桨桨矩、阻尼、矩、阻尼、停机、刹停机、刹车车等状等状态态下下使用。
使用 控制系控制系统统：是：是现现代代风风力力发电发电机的控制中枢，机的控制中枢，就像人的大就像人的大脑脑要在恶恶劣的条件下，根据劣的条件下，根据风风速、速、风风向向对对系系统统加加以控制，当以控制，当风风速到达速到达3米米/秒秒时时开始开始发电发电，，12.5米米/秒秒时时能能发发出出额额定功率的定功率的电电能，能，25米米/秒秒时时自自动动停机，停机，现现代代风风机的存活机的存活风风速速为为60-70米米/秒秒 113 〔二〕〔二〕发电机机u微型及容量在10kW以下的小型风力发电机组，采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后向负载供电及向蓄电池充电；u容量在l00kw以上的并网运行的风力发电机组，那么应用同步发电机或异步发电机：115 •定桨距失速调节型风力发电机 • 定桨距是指叶片被固定安装在轮毂上，其桨距角〔叶片上某一点的弦线与转子平面间的夹角〕固定不变•变桨距调节型风力发电机 • 变桨距是指安装在轮毂上的叶片,可以借助控制技术改变其桨距角的大小现将当前世界市场上流行的几种风电现将当前世界市场上流行的几种风电机作一介绍：机作一介绍： 调节型风力发电机的功率曲线比照图调节型风力发电机的功率曲线比照图 •变速恒频是指在风力发电的过程中，发电机的转速可以随风速而变化•然后通过适当的控制措施使其发出的电能变为与电网同频率的电能送入电力系统变速恒频风力发电机系统变速恒频风力发电机系统 •1〕风力机可以最大限度的捕获风能，因而发电量较恒速恒频风力发电机大；•2〕较宽的转速运行范围，以适应因风速变化引起的风力机转速的变化；•3〕采用一定的控制策略可以灵活调节系统的有、无功功率；•4〕可抑制谐波，减少损耗，提高效率。
其主要问题是由于增加了交－直－交变换装置，大大增加了设备费用 变速恒频风力发电系统的优点非常突出变速恒频风力发电系统的优点非常突出 20世世纪纪70年代以来，随着世界性能源危机和年代以来，随着世界性能源危机和环环境境污污染日染日趋严趋严重，重，在在风风力力发电发电技技术术研究和研究和应应用上投入了相当大的人力及用上投入了相当大的人力及资资金，研金，研制出了高效、可靠的制出了高效、可靠的风风力力发电发电机，机，为风电为风电的大的大规规模开展提供了模开展提供了条件 •当前世界风电机技术开展的主要趋势•风电机大容量开展•风电场向近海开展风机技术开展趋势风机技术开展趋势 由于陆上风电机受运输、安装等条件的限制，2MW的单机容量是风电机开展的极限，这主要是因为到了2MW的容量，其桨叶长度将到达60～70m这将使陆上运输极为困难；安装用的吊车容量将超过1200～1400吨这种容量的吊车，除了在欧美等兴旺地区〔也仅有有限的几台〕外，其余地区根本没有同时在西欧等兴旺地区人口密度较稠密，安装风电场的地点也受到较大的限制人们很自然地把眼光放在海上风电场为了适应海上风电场的开展，欧盟于1999年6月在阿姆斯特丹发布2000～2021年能源白皮书，其中将开发3～5MW容量等级的风电机作为其工作的重点之一。
在海上建成的大型风力发电机群在海上建成的大型风力发电机群 3. 风力机功率的控制•桨距：叶片在叶轮上的安装角度；定桨距调节方式变桨距调节方式 4.风力机的其他组成系统 风能练习题 •1、风的功率是一段时间内测的能量〔〕•2、风能的功率与空气密度成正比〔〕•3、风能利用系数是衡量一台风力发电机从风中吸收能量的百分率 〔〕•4、变桨距调节是为了控制风力机的迎风性〔〕•5、一般风电机叶片数量越多功率越大 〔〕•6、风轮确定后它所吸收能量它所吸收能量的多少主要取决于空气速度的变化情况〔〕•7、对风力发电而言风速越大越好〔〕•8、沿叶片径向的攻角变化与风力机输出功率无关〔〕•9、偏航齿轮的功能和原理让机舱能在塔架上转动〔〕•10、攻角越大升力就越大，但升力增大的速率越小〔〕 选择题•1、风能的大小与风速的 成正比 )•A、平方； B、立方； C、四次方； D、五次方•2、风能是属于 的转化形式 )•A、太阳能； B、潮汐能； C、生物质能； D、其他能源•3、风力发电机组规定的工作风速范围一般是 ( )• A、0～18m/s; B、0～25m/s； C、3～25m/s； D、6～30m/s。
•4、风力发电机工作过程中，能量的转化顺序是 )• A、风能—动能—机械能—电能； B、动能—风能—机械能—电能；• C、动能—机械能—电能—风能； D、机械能—风能—动能—电能•5、如以下图，为某风场一天的风玫瑰图，那么该天的主导风向为 )• A、西南风 B、西北风• C、东南风 D、东北风•6、风能利用率Cp最大值可达 )• A、45%； B、59%； C、65%； D、80%•7、风力发电机风轮吸收能量的多少主要取决于空气 的变化〔〕• A、密度; B、速度； C、湿度； D、温度 计算题•某风力发电机组的风轮直径为40m，在风速为10m/s时，该风力发电机组可能输出的最大功率是多少，当其实际输出功率为340kW时，该风机的风能利用系数是多少〔空气密度取1.2 〕？ 四、染料敏化四、染料敏化TiO2TiO2太阳能电池的手工制作太阳能电池的手工制作1.1.制作二氧化钛膜制作二氧化钛膜(1)(1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨进行研磨 (2)(2)接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜涂膜〔〔3)3)把二氧化钛膜放入酒精灯下烧结把二氧化钛膜放入酒精灯下烧结1010～～1515分钟，然后冷却分钟，然后冷却 2.利用天然染料为二氧化钛着色 如下图，把新鲜的或冰冻的黑梅、山梅、石榴籽或红茶，加一汤匙的水并进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再放进去浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。
3.制作正电极 由染料着色的TiO2为电子流出的一极〔即负极〕正电极可由导电玻璃的导电面〔涂有导电的SnO2膜层〕构成，利用一个简单的万用表就可以判断玻璃的那一面是可以导电的，利用手指也可以做出判断，导电面较为粗糙如下图，把非导电面标上‘+’，然后用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨 4.参加电解质 利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于复原和再生染料如下图，在二氧化钛膜外表上滴加一到两滴电解质即可 5.组装电池 把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上把两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池夹住，两片玻璃暴露在外面的局部用以连接导线这样，你的太阳能电池就做成了 6.电池的测试 在室外太阳光下，检测你的太阳能电池是否可以产生电流 一、太阳能光伏发电系统的组成电池片组件系统封装上盖底板边框结合胶平衡系统阵列 二、太阳能光伏发电系统分类聚光太阳能非聚光太阳能•独立系统•并网系统•混合系统 二、太阳能光伏发电系统分类独立系统〔小〕Small DC;Simple DC;•直流负载；•结构简单； 二、太阳能光伏发电系统分类独立系统〔大〕Large DC;AC/DC;最完整、最复杂、最完善！ 二、太阳能光伏发电系统分类并网系统混合系统系统性最强、可靠性最高！非混合系统 三、光伏系统的设计用能特点分析系统形式优化负载计算确定蓄电池容量太阳能电池功率确定方阵设计太阳能资源分析设备选型施工组织 案例1：10kW隧道照明系统 Step 1：负载分析•1、24小时照明；•2、全直流负载；•3、可靠性要求较高；•4、其他形式能源困难；•5、选用LED光源；•6、每盏灯30W；•7、驱动电压24V Step 2：负载计算根本负荷：选用多大的太阳能发电装置？负荷波动气象条件昼夜分布满足峰值要求充电负载光照时间、四季变化损耗和余量线损、设备损耗、参数变化 Step 2：太阳能资源分析•QX/T —2006：太阳能资源评估方法• •式中： • 为日天文辐射总量，单位为 ；• 为周期〔24×60×60s〕；• 为太阳常数〔 〕；• 为日地相对距离；• 为日落时角， ；• 为地理纬度； • 为太阳赤纬 。
Step 3：蓄电池容量计算F:蓄电池效率系数〔取1.05〕；P0：平均负荷容量；L：蓄电池维修保养率；U：蓄电池放电深度；Ka：各项损失系数，取0.7～0.8；可简化为： Step 4：太阳能电池功率确定 最短光照时间为6小时，最长连续阴雨时间为5天，阴雨时白天的太阳能功率将为晴天时的70%，请计算选用多大的太阳能发电装置？Step 5：方阵的设计Step 6：平衡组件的选择 案例2：10mwp太阳能并网电站 德国2007年的PV上网电价－法规促进本钱降低系统类型不同规模光伏系统的上网电价，欧元/kWh30kWp30-100kWp>100kWp建筑屋顶0.5740.5460.540建筑幕帘0.6240.5960.590地面系统0.457 德国2004年1月起的光伏发电上网电价〔修正〕上网价格/ kWh<30kWp30-100kWp>100kWp建筑物和隔音墙49.21欧分46.82欧分46.30欧分光伏建筑集成地面系统＋5欧分地面系统37.96欧分147 ◆?上网电价法 ?的普及与扩大局部实施上网电价法的国家国家和地区上网电价，欧元/kWh实施时间德国0．55(平均)20比利时0．4520希腊0．4920意大利0．4520葡萄牙0．4415西班牙0．4225华盛顿州(US）0．43（美元）10加州（US）0．50（美元）3韩国0．5815148 。