太阳能光伏发电系统技术-系统设计、安装运行及维护.pdf

太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）国家发改委世界银行/GEF项目办上海交通大学太阳能研究所、八、.刖 太阳能光伏发电是利用半导体、太阳电池（也称光伏电池）的光生伏打效应,直接将太阳光能变成电能，是一种零排放的清洁能源。1954年第一片实用的硅 太阳电池在美国贝尔实验室诞生以后，立即被用于航天飞行器，其高可靠、高效 率、高功率质量比的优异性能，为航天事业立下了汗马功劳。地面太阳电池也要 求高可靠、高效率、更追求高功率/成本比。地面用光伏发电系统设计与当地太 阳能资源及气象条件密切相关。本书比较扼要地介绍了太阳电池的原理、特性、光伏发电系统的设计、安装、运行以及维护方法，希望本书能为从事光伏发电科 研、教学、生产和应用的同行提供帮助。中国面临着环保和能源可持续发展的双重压力，迫切需要可再生能源替代和 补充常规能源。中华人民共和国可再生能源为大规模开发利用太阳能开辟了 道路。中国太阳能资源丰富，硅沙充足，光伏发电有巨大的市场。中国的小康社 会和实现中华民族的伟大复兴，最可靠的能源是太阳，太阳能光伏发电必将成为 支撑中国未来电网的中坚能源，中国终将成为世界光伏大国。本书由崔容强教授、赵春江副教授任主编，上海交通大学太阳能研究所孟凡 英副教授、孙铁囤副教授、周之斌副教授、徐林讲师和于化丛博士、陈凤翔博士、刘志刚博士、苦史伟硕士等参加了全书的编审工作。陈凤翔博士、赵占霞博士还 参与了全书的统编。木书的编审和出版编审始终得到了国家发改委世界银行/GEF中国光伏发展 项目办公室的全力支持。项目办吴达成主任和国内许多光伏专家都为本书的编审 提出了宝贵意见，在此一并感谢。由于时间仓促及编者水平有限，本书定有疏漏 错误之处，欢迎读者批评指正。目录目 录第1章导论 11.1 太阳能发电的主要优缺点 11.2 太阳能光伏电池分类 11.3 太阳能光伏发电的历史和现状 21.4 中国的太阳能光伏发电 6第2章太阳和太阳能 102.1太阳的结构 112.2太阳和地球相对运动的规律 132.3太阳辐射的性质 132.4世界和中国太阳能资源分布情况 15第3章太阳电池、组件 173.1半导体PN结电流电压特性 183.2 太阳电池的工作原理 193.2.1半导体的内光电效应 193.2.2太阳电池的能量转换过程 203.3 太阳电池的基本特性 203.3.1短路电流 213.3.2 开路电压 213.3.3 太阳电池的输出特性 223.3.3.1等效电路 233.3.3.2输出特性 243.3.3.3转换效率 243.3.4太阳电池的光谱响应 243.3.5太阳电池的温度效应 253.3.6太阳电池的辐照效应 253.4影响太阳电池转换效率的因素 253.5硅太阳电池常规工艺 273.5.1硅太阳电池的基本工艺 273.5.2单体电池的制造 293.5.3太阳电池组件及封装 293.5.4太阳电池组件的常见结构形式 303.5.5太阳电池组件的封装材料 323.5.5.1上盖板 323.5.5.2粘结剂 323.5.5.3 底板 323.5.5.4 边框 333.5.5.5组件制造工艺 333.5.5.6太阳电池组件的特性曲线 34-1-目录3.6失配对太阳电池的影响 353.6.1串联失配 363.6.2并联失配 373.7小结 38第4章太阳能光伏发电系统部件介绍 404.1光伏组件（阵列）404.1.1用于电子产品的组件 404.1.2用于电力的组件 414.1.3光伏组件性能 444.2蓄电池 464.2.1铅酸蓄电池 464.2.1.1特点与结构 464.2.1.2铅酸蓄电池的工作原理 474.2.2硅胶蓄电池 504.2.2.1工作原理 504.2.2.2硅胶电解质对蓄电池性能的影响 504.2.3碱性蓄电池 534.2.4蓄电池的特性 544.2.5蓄电池的维护 564.2.6蓄电池实例介绍 564.3电子控制器 574.3.1控制器分类 584.3.2逻辑控制 584.3.2.1并联控制器 594.3.2.2半导体串联控制器 614.3.2.3并联和串联混合的控制器 644.3.2.4 DC-DC 控制器 654.3.3计算机控制 664.3.3.1智能型控制器结构 664.3.3.2模拟信号测量 664.3.4电子控制器实例介绍 674.4逆变器 694.4.1逆变器分类 694.4.2逆变器用途 694.4.3逆变器的结构及工作原理 704.4.3.1半导体功率集成器件 704.4.3.2逆变电路 704.4.4 PW 脉宽调制技术 714.4.4.1 PWM变换技术的基本原理 714.4.4.2 PWM变换的特点和应用 724.4.5正弦波PW技术 724.4.5.1单极性SPWM波形 724.4.5.2双极性SPWM波形 73-2-目录4.4.5.3 三相 SPWM 波形 734.4.5.4 SPWM 的用途 734.4.6逆变器基本特性及评价 734.4.6.1输出波形 734.4.6.2输出频率 744.4.6.3 DC/AC 转换效率 744.4.6.4工作温度 754.4.6.5工作环境 754.4.6.6电磁干扰和噪声 754.4.6.7过载能力 754.4.6.8 其它 754.4.7逆变器实例介绍 75第5章独立光伏电站（集中供电）及用户光伏系统（分散供电）的设计，安装及 维 修7 85.1 独立光伏系统的设计 785.1.1 负载的计算 795.1.1.1负载估计 795.1.1.2电压的选择 795.1.2 PV组件电流和蓄电池的容量 805.1.2.1每日需求的总安时 805.1.2.2确定蓄电池容量 805.1.2.3典型的户用太阳能系统 825.1.3确定太阳电池组件的输出 825.1.3.1蓄电池效率 835.1.3.2太阳电池组件的输出 835.2独立光伏系统的安装 865.2.1阵列的安装 865.2.2蓄电池的安装 885.2.3控制中心 885.2.4系统布线 895.3独立光伏系统的维修 895.3.1周期性地检查 895.3.2故障检修 90第6章太阳电池测试 936.1太阳辐射 936.1.1 概述 936.1.2太阳辐射的基本特性 936.1.2.1几个描述光的物理概念 936.1.2.2辐照度及其均匀性 936.1.2.3光谱分布 936.1.2.4总辐射和间接辐射 94-3-目录6.1.2.5辐照稳定性 946.2太阳模拟器 946.2.1稳态太阳模拟器和脉冲式太阳模拟器 946.2.2太阳模拟器的电光源及滤光装置 946.3太阳模拟器某些光学特性的检测 956.3.1辐照不均匀度的检测 956.3.2辐照不稳定的检测 956.3.3光谱失配误差计算 956.4单体太阳电池测试 966.4.1测试项目 976.4.2电性能测试的一般规定 976.4.3测量仪器与装置 986.4.4基本测试方法 986.4.5从非标准测试条件换算到标准测试条件 996.4.6室外阳光下测试 996.4.7太阳电池内部串联电阻的测量 1006.4.8太阳电池电流和电压温度系数的测量 1016.5非晶硅太阳电池电性能测试须知 1026.5.1校准辐照度 1026.5.2 光源 1026.5.3光谱响应 1026.6太阳电流组件测试和环境试验方法 1026.6.1测试项目 1026.6.2组件电性能参数测量中所需的参考组件 1026.6.3太阳电池组件测试方法 1026.6.3.1组件的额定工作温度(N0CT)1026.6.3.2电阻的测量 1036.7地面用硅太阳电池组件环境试验概况 1036.7.1温度交变 1036.7.2高温贮存 1036.7.3低温贮存 1036.7.4恒定湿热贮存 1046.7.5振动、冲击 1046.7.6盐雾试验 1046.7.7冰雹试验 1046.7.8地面太阳光辐照试验 1046.7.9扭弯试验 104第7章 光伏系统应用介绍 1057.1独立光伏系统 1057.1.1无电乡村独立电站 1057.1.2太阳能微波中继站 1057.1.3太阳能路灯 1067.1.4太阳能航标/灯塔 1077.1.5太阳能信号标志 107-4-目录7.1.6太阳能汽车 1077.1.7 太阳能船 1087.1.8 太阳能手表 1087.1.9光伏水泵 1097.1.10沙漠光伏电站 1097.2与建筑集成的光伏系统 1097.2.1太阳能光伏屋顶 1107.2.2公共建筑光伏系统 112-5-第1章 导论第1章导论“到处阳光到处电”是人类美丽的理想。太阳能光伏发电是指不通过热过程，直接将太 阳的光能变换成电能的太阳能利用方式。依靠光伏电池，把照射到光伏电池上的光能直接 转换成电能输出的光伏发电是太阳能光发电的主流。1.1太阳能光伏发电的主要优缺点太阳能光伏发电的主要优点为：(1)结构简单，体积小且轻；(2)易安装，易运输，建设周期短；(3)使用方便，维护简单，在-50-65温度范围均可正常工作；(4)清洁能源，安全，无噪声，零排放；(5)可靠性高，寿命长；(6)太阳能儿乎无处不有，所以光伏发电应用范围广，；(7)降价速度快，能量偿还时间有可能缩短；(8)可以与蓄电池相配组成独立电源，也可以并网发电。太阳能光伏发电的主要缺点是：(1)太阳能能量密度低，覆盖面积大；(2)光伏发电具有间歇性和随机性；(3)各个地区太阳能资源情况不通，所以光伏发电区域性强。1.2 太阳能光伏电池分类迄今为止，人们已经研究了 100多种不同材料、不同结构、不同用途和不同型式的太 阳能电池(见表1.1)。目前大面积地面用太阳能电池仍以硅材料太阳能电池为主,主要有 单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池，此外还有部分化合物太阳能 电池(如硒锢铜薄膜太阳电池等)，化合物的化像太阳能电池主要应用于空间电源领域。用 于地面太阳能光发电系统的太阳能电池，要求耐风霜雨雪的侵袭，有较高的功率价格比，要求具有大规模生产的工艺可行性和材料来源。表1.1太阳电池与光伏组件的分类A:按基本材料分类-1-1第1章 导论 晶体硅光伏电池及组件 非晶硅薄膜光伏电池及组件 微晶硅薄膜光伏电池及组件 纳晶硅薄膜光伏电池及组件 硒光电池 化合物太阳电池:硫化镉，硒钿铜,硅化镉,碎化铁光伏电池及组件 染料电池.B:按结构分类 同质结光伏电池及组件 异质结光伏电池及组件 肖特基结光伏电池及组件 复合结光伏电池及组件 液结光伏电池及组件C:按用途分类 空间光伏电池及组件 地面光伏电池及组件 光伏传感器D:按使用状态分类 平板光伏电池及组件 聚光光伏电池及组件 分光光伏电池及组件E:按封装材料分类 刚性封装光伏电池及组件 半刚性封装光伏电池及组件 柔性衬底封装光伏电池及组件1.3 太阳能光伏发电的发展历史和现状自从1839年发现“光生伏打效应”和1954年第一块实用的光伏电池问世以来，太阳能 光伏发电取得了长足的进步，但是它的发展仍然比计算机和光纤通讯要慢得多。究其原因 或许是人们对于信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对于能源的需求。1973年-2-2第1章 导论的石油危机和九十年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。随着人们对后 续能源问题和环境质量的认识不断提高，加大了关于光伏发电的各项科研经费的投入，而 科研成就转化为技术和生产规模不断增长，使得成本不断下降，政策刺激下的市场不断扩 大。自1998年以来，连续5年以30%以上的速度增长，至2002年已达540MW/年，2003年高达 约750MW,增长40%。由于德国、欧盟及日本太阳能屋顶项目的推动，2004年世界光伏年产 量达到1256MW,年增长率超过50%。应用范围也越来越广，尤其是各个国家的光伏计划，为 太阳能光伏发电展现了无限光明的前途。自1996年以来，世界光伏发电正在高速发展。主 要表现在：光伏产量增长率持续走高。多年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域 之一，1999 2003年光伏组件的生长以3040%的速度甚至更高的递增速度发展，太 阳电池的产量从1999年的202MW增加到2004年的1256MW,如图所示。生产规模不断扩大，光伏产业向百兆瓦级规模和更高技术发展。目前光伏组件的生产 规模在5-20MW/年。许多公司在计划扩建和新建年产50T00MW级光伏组件生产厂。新技术不断出现，电池效率持续攀升，成本明显降低。随自动化程度和技术水平的提 高，电池效率将由现在的水平（单晶硅13-15%,多晶硅11-13%）向更高水平（单晶硅 18-20%,多晶硅16-18%）发展。而在过去的30年中，光伏组件的成本已降低了2个数量 级，光伏组件的成本已降低了2个数量级，如图2所示。2002 2004年间，我国光伏产业迅猛发展，已经成为世界光伏产业和市场发展最快的 国家之一。图世界太阳电池历年产量-3-3第1章 导论表2为历年太阳电池发货量，可以看到原来居太阳电池首位的美国。已 从1999年开始让位于日本。表1 2：19 9 32003年 世界太阳电池组件发货量(MW)年度19931994199519961997199819992000200120022003日本17.016.516.421.235.049.080128.6171.22251.07365.4欧洲117.021.720.118.830.433.54060.6686.38135.05202.3美国21.025.6434.758.8551.053.760.874.97100.32120.609 6.3其它5.55.6.06.359.759.4.018.720.523.4232.6255.0585.7合计61.469.4477.688.60125.80154.9201.30287.6539 0.54561.77749.7国际太阳电池研究现状迄今为止，已经研究了近100种太阳电池，表13,表14和表15为各种 太阳电池世界最高水平的科研成果。-4-4第1章 导论表1 3地面用太阳电池在标准测试条件下的效率Classification*Effic.b(%)Arcac(cm2)(V)J*,(mA/cm2)FF1(%)Test centree(and date)DescriptionSilicon cellsSi(crystalline)24-7 0-54-(X)(da)0-70642-282-8Sandia(3799)UNSW PERL7Si(muhicry stallinc)19-8 0-5109(ap)065438-179-5Sandia(2/98)UNSW/Eurosolarc7Si(thin film transfer)166 044-017(ap)()-64532-878-2FhG-ISE(7/01)University of StuttgartIll-V cellsGaAs(cry stalline)251 083-91(t)102228-287-1NREL(3/9()(45 pm thick)8Kopin,AlGaAs windowGaAs(thin film)233 074(X)(ap)1.01127-6838NREL(4/9()Kopin,5 nun CLEFT9GaAs(multicrystallinc)182 054011 099423079-7NREL(115)RTI.Ge substrate10InP(crystalline)21-9 4：0-74 02(t)()-87829-385-4NREL(4/90)Spire,epitaxial11Polyerystalline thin filmCIGS(ccU)1840-5rl-(4(ap)()-66935-7770NREL(2/01)NREL.CIGS on glass12CIGS(submodule)16-6 0416-0(ap)2-6438-3575-1FhG-ISE(MX)University of Uppsala.CdTc(cell)16-50-5r1 032(ap)()-84525-975-5NREL(9/01)4 serial ceDs13NREL,mesa on glass14Amorphoiix/nanocrystalline Si Si(nanocry sialline)10-1 0-21199(ap)0-53924-476-6JQA(12/97)Kaneka(2 pm on glass)15PhotochemicalNanocryslallinc dye8-2 032-36(ap)0-72615-8712FhG-ISE(7/01)ECN16Nancxrrystalline dye4-7 0-2141-4(ap)0-795H-359-2FhG-ISE(2/98)INAP(submodule)Multijwiction cells GalnP/GaAs30-340(t)2-48814-2285-6JQA(4/96)Japan Energy(monolithic)17GalnP/GaAsXie324)1 53 9X9(t26221437850NREL(1/03)Spectrolab(monolithic)4GaAs/CIS(thin film)a-Si/CIGS(thin film产258 13146 074(X)(t)2 40(ap)NREL(11/89)NREL(6/88)Kupin/Bocing(4 terminal)ARCO(4 terminal)18VIGS=CuInGaSc2；a-Si=amorphous silicon/hydrogcn alloy.ffic.=efficiency.c(ap)=aperture area;(t)=total area;(da)=designated illumination area.dFF=fiU factor.eFhG-ISE=Fraunhofer-In si tut fiir Solan?Energicsyslcme;JQA=Japan Quality Assurance.fN(x measured al external laboratory.gUnstabilized results.表14地面用光伏组件在标准测试条件下的效率Classification*Effie?(%)Afrac(cm2)Ke(V)及(A)由(%)Test centre(and dale)Descript iejnSi(cryUinc)227 G6778(da)6039380 3Sandiu(9/96)IJN S W/(521 n ssI;-1-3459(up)31-22 1668-9NREL(W02)Shwa Shell iCd firec产CdTcIU7O54K74”ip)2&2162 3NREL(“00)BP Slurexi1a Si/Si(ic/;t-Si(c(kindem/ia4(55)5(叩)43533 285660NREl.(10/98)USSC(aSi/u-Si/aSEGc 产X?!GSS-CulnGaSSc;xi*Siumorph Miicon/lndmgcn ulloy;a SiGe-umorph,心 Mficon/gcrnuuiium/liydnigcn alluy.ftk.=efficiency.0(ap)aperture urea;(da)dcMgruitcd illununalicv)arcu.facur.Ne nic;iurcd at an exccrn:d hibonKury.114ghi soaked NREL hr l(MXh 3l 5(TC,I un iihiminaiioaCopyright i 2(X)?John Wil.&S(tis.Ltd.Prog.Photwoh:Res.AppL 2003;11347-352-5-5第1章 导论表1 5地面用聚光太阳电池和组件在标准测试条件下的效率ClassificationEffie.8(%)Arcab Intensity*1 lest centreDescription(cm-)(suns)(and date)Single cellsGaAs27-6 10()126(da)255Sandia(5/91)Spire29GalnAsP27-5l-4d0-075(da)171NREL(2/91)NREL.Entcch coverSi26*8 081-60(da)96FhG-ISE(10A5)SunPouvr back-contact30InP24-3l-2d0-075(da)99NREL(2A1)NREL.Entcch cover31CIGS(thin film)Two-cell stacks21-5l-5d01()2(da)14NREL(2A)1)NRELGaAs/GaSb(4 terminal)32-6 1-70053(da)1(X)Sandiae(l(y89)Boeing,mechanical slack32InP/GalnAs(3 terminal)31-8l-6d0063(da)50NREL(8/90)NREL,monolithic33GalnP/GalnAs(2-tcrminal)30-2 1201326(da)300NREL/FhG-ISE(6/01)Fraunhofer,monolithic34GalnP/GuAs(2 terminal)30 21 4()103(du)1W)Sandiu(3/94)NREL.monolithic3sGaAs/Si(large)(4-terminal)Three-eel I stacks29 6l-5d0-317(da)350Sandia*(9/88)Variantslanfcrd/Sandia.mechanical stack36GaInP/GaInAs/GaSb(4-lcrm.)33-5 1-7*01326(da)308FhG-ISE(6/01)Fraunhofci;mechanical stack34GalnP/GaAs/Gc(2-tcrminal)32-4 2-()01()25(da)414NREL(6AX)Spectrolab.monolithic37(aInP/Ga.4s/Gc(large)Submodules3()-6 1-51-05()(da)234NREL(9AX)Spectrolab.monolithicGaAs/GaSb251 1-441-4(ap)57Sandia(3/93)Boeing,three mechanical stack units3*GalnP/GaAs/Gc270 1-534(ap)1()NREL(5AX)ENTECH39ModulesSi20-30-81875(ap)8()Sandia(4/89)Sandia/UNSW/ENTECH(12 cells产Low-AOD spectrum，(valnP/GaAsXve(two-terminab notable exceptions35-210,加反向电压时vo。由于我们认为外加电压仅跨越在空间电荷区，所以可视为n区内没有电场，由空穴构 成的电流只是由于它的浓度梯度形成的扩散电流。电流密度工为Jp=q（p一p，J=qpn。*exp（写j-i同样，注入到p区的少数载流子电子的电流密度工为(3.2)18第三章太阳电池、组件Jn=%，。g exp(胃T 3)因加偏压V而产生的总电流是空穴电流与电子电流之和，故总电流密度J为：J=J p+Jn=“exp普一1(3.4)Dn DJ0=qp+qnpn-(3.5)总电流密度J具有如图3.3所示的整流特性。正向时，在电压较大的区域，电流密度与 exp(qV/kT)成正比；反向时则趋近于-J。称J。为饱和电流密度。图3.3半导体pn结的电流一电压特性3.2太阳电池工作原理3.2.1半导体的内光电效应当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些 电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：(1)价带电子；(2)自由电子或空穴(Free Carrier)；(3)存在于杂质能级上的电子。太阳电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子吸收光子的能量跃迁到导带的过 程决定的光的吸收称为本征吸收或固有吸收。太阳电池能量转换的基础是半导体pn结的光生伏特效应。当光照射到半导体光伏器 件上时，在器件内产生电子一空穴对，在半导体内部pn结附近生成的载流子没有被复合而 能够到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存 了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在pn结附近形成与内建电场方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之 间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有 与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流(L),另一方面，若将PN结两 端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差Voco可以测得这个值，并称之为开路电压(VQ。由 于此时pn结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以 19第三章太阳电池、组件决定Voc的值。3.2.2太阳电池的能量转换过程太阳电池是将太阳能直接转换成电能的器件。它的基本构造是由半导体的PN结组成。此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到较好的光电转换效率。本节以最普通的硅材料PN 结太阳电池为例，研究光能转换成电能的过程。首先研究在太阳电池工作时，外部观测到的特性。图3.4表示了无光照时太阳电池典 型的电流电压特性（暗特性）。当太阳光照射到这个太阳电池上时，将有和暗电流方向相反 的光电流流过。图3.4无光照和有光照时太阳电池电流一电压特性当太阳电池与负载R连接，并用太阳光照射时，负载上的电流L和电压将由图中有 光照时的电流一电压特性曲线与V=-IR表示的直线的交点来确定。此时负载上有Pw=RI2m的 功率消耗，它清楚地表明正在进行着光电能量的转换。通过调整负载的大小，可以在一个最 佳的工作点上得到最大输出功率。输出功率（电能）与输入功率（光能）之比称为太阳电池 的能量转换效率。3.3太阳电池的基本特性3.3.1短路电流太阳电池的短路电流等于其光生电流。分析短路电流的最方便的方法是将太阳光谱划 分成许多微小光谱区域，每一微小区域只有很窄的波长范围，并计算出每一微小区域光谱所 对应的电流，电池的总短路电流是全光谱贡献的总和，表达式如下：儿（田”=/（l-/?（2）（/）77（2W（3.6）JO JO.3z式中入。本征吸收波长极限；R（入）半导体器件表面反射率；F（人）太阳光谱中波长为大九+d九间隔内的光子数。20第三章太阳电池、组件F(Z)的值很大的程度上依赖于太阳天顶角。作为表示F(Z)分布的参数是大气质量AM(AirMass)o AM表示入射到地球上的大气的太阳直射光所通过的路程长度，定义为b AM=sec Z b。(3.7)式中：bo标准大气压b-测定时的大气压Z太阳天顶距离一般情况下，b工bo,例如，AMI相当于太阳在天顶位置时的情况，AM2相当于太阳高度角 为30。时的情况，AM0则表示在宇宙空间中的分布实际半导体表面的反射率与入射光的波长有关，反射率一般为3050%。为防止表面 的反射，在半导体表面沉积折射率介于半导体折射率和空气折射率之间的透明薄膜层。这个 薄膜层称为减反射膜(Antireflective coating)。设半导体、减反射膜、空气的折射率分别为山、m、no,减反射膜厚度为出，则反射率R为r L+2八 cos29 1+rr；+2rxr2 cos2式中：ri=(n0-ni)/(no+m)r2=(ni-n2)/(m+n2)。=2 n nidi/入入一波长1 2显然，减反射膜的厚度小为1/4波长时，R为最小。即二一一时,1 4 nxRmin29)一般在太阳光谱的峰值波长处，使得R变为最小，以此来决定A的值。3.3.2开路电压当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大小产生电动势，这就是开路电压。设1=0(开路),IphIsC?则ln(/ic/0)+l(3.10)q在可以忽略串联、并联电阻的影响时，Isc为与入射光强度成正比的值，在很弱的阳光下，因此21第三章太阳电池、组件4q+=/内/（）(3.11)u.nkT 其中R.=q【o在很强的阳光下，IscIo,曦nkTqIn*/o(3.12)由此可见，在较弱阳光时，硅太阳电池的开路电压随光的强度作近似直线的变化。而当有AM2 AMI0 9 8 7 L so.0.)8.4史即宙未GaAsAMOAMI0.6短路光电流（mA cm）图3.5开路电压与短路电流的关系较强的阳光时，Voc则与入射光的强度的对数成正比。图3.5表示具有代表性的硅和GaAs太 阳电池的Isc与V之间的关系。用Si与GaAs比较，因为GaAs的禁带宽度宽，故I。值比Si 的小儿个数量级，GaAs的Voc值比Si的高0.45伏左右。假如半导体pn结的质量很好，禁 带宽度愈宽的半导体，开路电压Voc也愈大。3.3.3太阳电池的输出特性3.3.3.1等效电路为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一等效电路来模拟。在恒定光照 下，一个处于工作状态的太阳电池，其光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可把它看 作是恒流源。光电流一部分流经负载R,在负载两端建立起端电压V,反过来它又正向偏置 于pn结二极管，引起一股与光电流方向相反的暗电流几，这样，一个理想的PN同质结 太阳电池的等效电路就被绘制成如图3.6a）所示。但是，由于前面和背面的电极和接触，以 及材料本身具有一定的电阻率,基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。流经负载的电流,经过它们时,，必然引起损耗。在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻Rs来表示。由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等,使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻Rsh来等效。其等效电 路就绘制成上图3.6（b）的形式。其中喑电流等于总面积AT与加乘积，而光电流L.为电22第三章太阳电池、组件池的有效受光面积Ae与，的乘积，这时的结电压不等于负载的端电压，由图可见%=/Rs+v(3.13)2、V肽(b)图3.6 pn同质结太阳电池等效电路(a)不考虑串并联电阻(b)考虑串并联电阻3.3.3.2输出特性根据上图就可以写出输出电流1和输出电压V之间的关系I _ RshRs+RshV 短一(3.14)其中暗电流加应为pn结电压V的函数，而又是通过式(3.13)与 输出电压V相联系的。当负载Rl从0变化到无穷大时，输出电压V则从0变到V,同时输出电流便从Isc变到0,由此得到电池的输出特性曲线，如图3.7所示。曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点 所对应的纵横坐标，即为工作电流和工作电压,其乘积P=IV为电池的输出功率。23第三章太阳电池、组件图3.7太阳电池的输出特性3.3.3.3转换效率转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻R时，得到的最大能量转换效率，其定义为Pin即电池的最大功率输出与入射功率之比,这里我们定义一个填充因子FF为FFI v pV I V I oc sc oc sc(3.15)填充因子正好是V曲线下最大长方形面积与VgXlsc乘积之比，所以转换效率可表示为FFV I力 _ oc scn Bn(3.16)3.3.4太阳电池的光谱响应太阳电池的光谱响应是指光电流与入射光波长的关系，设单位时间波长为人的光入射 到单位面积的光子数为。(入)，表面反射系数为P(九)，产生的光电流为Jl,则光谱响应 SR(Z)定义为SR=-J-L-n(3.17)(D0(2)l-/?(/)其中Jl=Jl|顶层+Jl|丹垒+jJ基区。理想吸收材料的光谱响应应该是:当光子能量hvEg时,SR=O；hvEg时,SR=lo24第三章太阳电池、组件3.3.5太阳电池的温度效应少子的扩散长度随温度的升高稍有增大，因此，光生电流Jl也随温度的升高有所增加。Voc随温度的升高急剧下降。填充因子下降，所以转换效率随温度的增加而降低。3.3.6太阳电池的辐照效应在外层空间存在着高能粒子，如电子、质子、y粒子等。高能粒子辐照时晶格原子发生 位移，产生晶格缺陷，降低少子寿命。大量研究工作表明，寿命参数对辐照缺陷最为灵敏,也正因为辐照影响了寿命值，从而使太阳电池性能下降。关于上述几种因素对电池性能影响情况见图3-80i电压(a)伏-安特性与福照度的关系(251)()游行Is辐照度(W/而)(b)最大功率与辐照度的关系电压(c)伏-安特性与温度的关系(辐照度IkW/m，)()*言 y 超温度(P)(d)最大功率与温度的关系图3.8影响太阳电池输出特性的因素3.4影响太阳电池转换效率的因素(1)材料能带宽度：开路电压Voc随能带宽度Eg的增大而增大，但另一方面，短路电流密度Jsc 随能带宽度Eg的增大而减小。结果是可期望在某一个确定的Eg随处出现太阳电池效率 的峰值。(2)温度：随温度的增加，效率n下降。Isc对温度T很敏感，温度还对Voc起主要作用。对于 Si,温度每增加1,Voc下降室温值的0.4%,“也因而降低约同样的百分数。例如，25第三章太阳电池、组件一个硅电池在20时的效率为20%,当温度升到120久时一，效率仅为12%o又如GaAs 电池，温度每升高1,V降低1.7mv或降低0.2%o（3）光生载流子复合寿命:对于太阳电池的半导体而言，光生载流子的复合寿命越长，短路电流Isc会越大。在间接带隙半导体材料如Si中，距离pn结10011nl处也能产生相 当多的载流子，如果这些位置的光生载流子寿命能大于4s,就可以被pn收集，从而输 送到外电路。在直接带隙材料，如GaAs或Gu2s中，只要10ns的复合寿命就已足够长了。载流子的长寿命也会减小暗电流并增大达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生 产过程中，要避免形成复合中心。在加工过程中，适当而且经常进行相关工艺处理，可 以使复合中心移走，因而延长寿命。（4）光强:将太阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。设想光强被浓缩了 X倍，单位电池面积的输入功率和Jsc都将增力口 X倍，同时Voc也随着增 加（kT/q）lnX倍。因而输出功率的增加将大大超过X倍，而且聚光的结果也使转换效率 提高了。（5）掺杂浓度及剖面分布:对Voc有明显影响的另一因素是半导体掺杂浓度。掺杂浓度愈高，V。,愈高。一种称为重掺杂效应的现象近年来已引起较多的关注，在高掺杂浓度下，由于能带结构变形及电子统计规律的变化，所有方程中的M和Na都应以（Nd）eff和（Na）eff代替。如图3.9。/赵在蜘海般知fO n2s 9 1O1掺杂浓度/cm-3图3.9局掺杂效应。随掺杂浓度增加有效掺杂浓度饱和，甚至会下降目前，在Si太阳电池中，掺杂浓度大约为107m3,在直接带隙材料制做的太阳电池 中约为1017 cm-3为了减小串联电阻，前扩散区的掺杂浓度经常高于1019 cm-31因此重掺 杂效应在扩散区是较为重要的。（6）串联电阻:在任何一个实际的太阳电池中，都存在着串联电阻，其来源可以是引线、金属接触栅或电池体电阻。不过通常情况下，串联电阻主要来自薄扩散层。PN结收集的 电流必须经过表面薄层再流入最靠近的金属导线，这就是一条存在电阻的路线，显然通 过金属线的密布可以使串联电阻减小。一定的串联电阻Rs的影响是改变IV曲线的位 置。（7）金属栅线和光反射:在前表面上的金属栅线不能透过阳光。为了使卜最大，金属栅线 占有的面积应最小。为了使Rs小，一般是使金属栅线做成又密又细的形状。因为有太阳 光反射的存在，不是全部光线都能进入Si中。裸Si表面的反射率约为40%。使用减反 射膜可有效降低反射率。对于垂直地投射到电池上的单波长的光，用一种厚为4波长、折射率等于（n为Si的折射率）的涂层能使反射率降为零。对含多波长的太阳光,采用多层涂层能得到更好的效果。26第