太阳能发电原理及应用讲座原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 太阳电池工作原理,一,.,太阳电池分类,1.,按照基体材料分类：,晶硅太阳电池，包括：单晶硅和多晶硅太阳电池,非晶硅太阳电池,薄膜太阳电池,化合物太阳电池，包括：砷化镓电池；硫化镉电池；碲化镉电池；硒铟铜电池等,有机半导体太阳电池,太阳电池种类,硅太阳电池,2.,按照结构分类,：,同质结太阳电池,异质结太阳电池,肖特基结太阳电池,复合结太阳电池,液结太阳电池等,3.,按照用途分类：,空间太阳电池,地面太阳电池,光敏传感器,航天器上的光伏,系统,火星车,4.,按照工作方式分类,：,平板太阳电池,聚光太阳电池,聚光太阳电池,二,.,硅太阳电池的工作原理,硅原子的外层 电子壳层中有,4,个电子,。,在太阳辐照时,，,会摆脱原子核的束缚而成为自由电子,，,并同时在原来位置留出一个空穴,。,电子带负电；空穴带正电,。,在纯净的硅晶体中,，,自由电子和空穴的数目是相等的,。,硅原子示意图,如果在硅晶体中搀入能够俘获电子的,3,价杂质,，,如：硼,，,鋁,，,镓或铟等,，,就成了空穴型半导体,，,简称,p,型半导体,。,如果在硅晶体中搀入能够释放电子的磷,，,砷,，,或锑等,5,价杂质,，,就成了电子型半导体,，,简称,n,型半导体,。,若将这两种半导体结合在一起,，,由于电子和空穴的扩散,，,在交界面处便会形成,p-n,结,，,并在结的两边产,生内建电场,，,又称势垒电场,。,p-n,结内建电场,当太阳光（或其他光）照射到太阳电池上时，电池吸收光能，能量大于禁带宽度的光子，穿过减反射膜进入硅中，激发出光生电子,孔穴对，并立即被内建电场分离，光生电子被送进,n,区，光生孔穴则被推进,p,区，这样在内建电场的作用下，光生电子,-,孔穴对被分离，在光电池两端出现异号电荷的积累，即产生了“光生电压”，这就是“光生伏打效应”（简称光伏）。在内建电场的两侧引出电极并接上负载，在负载中就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。,太阳电池的极性,太阳电池一般制成,p,+,/n,型结构或,n,+,/p,型结构,，,其中第一个符号,，,即,p,+,和,n,+,表示太阳电池正面光照半导体材料的导电类型；第二个符号,，,即,n,和,p,表示太阳电池背面衬底半导体材料的导电类型,。,下图为在,p,型半导体材料上扩散磷元素,，,形成,n,+,/p,型结构的太阳电池,。,上表面为负极；下表面为正极,。,三,.,太阳电池的结构,四,.,太阳电池基本参数,1.,标准测试条件,光源辐照度：,1000W/m,2,；,测试温度：,25,2,0,C,；,AM1.5,地面太阳光谱辐照度分布。,AM1.5,太阳光谱分布,2.,伏安,(I-V),特性曲线,受光照的太阳电池,，,在一定的温度和辐照度以及不同的外电路负载下,，,流入负载的电流,I,和电池端电压,V,的关系曲线。,下图为某个太阳电池组件的,(I-V),特性曲线示意图。,不同辐照度下电池的,I-V,特性曲线,3.,开路电压,在一定的温度和辐照度条件下,，,光伏发电器在空载,(,开路,),情况下的端电压,，,通常用,V,oc,来表示。,太阳电池的开路电压与电池面积大小无关,，,通常单晶硅太阳电池的开路电压约为,450-600mV,，,最高可达,690mV,。,太阳电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。,4.,短路电流,在一定的温度和辐照条件下，光伏发电器在端电压为零时的输出电流，通常用,I,sc,来表示。,I,sc,与太阳电池的面积大小有关，面积越大I,sc,越大。一般,1cm,2,的太阳电池,I,sc,值约为,1630mA,。,I,sc,与入射光的辐照度成正比。,I,sc,随温度上升略有增加。,5.,最大功率点,在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的点，又称最佳工作点。,6.,最佳工作电压,太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电压。通常用,V,m,表示,7.,最佳工作电流,太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电流。通常用,I,m,表示,8.,转换效率,受光照太阳电池的最大功率与入射到该太阳电池上的全部辐射功率的百分比。,=,V,m,I,m,/P,in,其中,V,m,和,I,m,分别为最大输出功率点的电压和电流，,P,in,为太阳光输入功率,。,世界主要太阳电池新记录,电池种类,转换效率,(%),研制单位,备注,单晶硅电池,24.7,0.5,澳大利亚新南威尔士大学,4 cm,2,面积,GaAs,多结电池,34.7,1.7,Spectro,lab,333,倍聚光,多晶硅电池,20.3,0.5,德国弗朗霍夫研究所,1.002 cm,2,面积,InGaP/GaAs,30.8,1.0,日本能源公司,4 cm,2,面积,非晶硅电池,12.8,0.7,美国,USSC,公司,0.27 cm,2,面积,CIGS,电池,19.5,0.6,美国可再生能源实验室,0.41 cm,2,面积,CdTe,电池,16.5,0.5,美国可再生能源实验室,1.032 cm,2,面积,多晶硅薄膜电池,16.6,0.4,德国斯图加特大学,4.017 cm,2,面积,纳米硅电池,10.1,0.2,日本钟渊公司,2,微米膜,(,玻璃衬底,),氧化钛有机纳米电池,11.0,0.5,EPFL,0.25 cm,2,面积,GaInP/GaAs/Ge,37.3,1.9,Spectro,lab,175,倍聚光,背接触聚光硅电池,26.8,0.8,美国,SunPower,公司,96,倍聚光,中国太阳电池实验室最高效率,最高效率,面积,(cm,2,),单晶硅电池,20.4,2,2,多晶硅电池,14.53,2,2,GaAs,电池,20.1,1,1,聚光硅电池,17,2,2,CdS/Cu,x,S,电池,12,几个,mm,2,CuInSe,2,电池,8.57,1,1,CdTe,电池,7,3mm,2,多晶硅薄膜电池,13.6,1,1,非晶硅电池,11.2(,单结,),8.6,6.2,几个,mm,2,10,10,3030,二氧化钛纳米有机电池,10,1,1,9.,填充因子,(,曲线因子,),太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比，通常用,FF,(,或,CF,),表示：,FF=,I,m,V,m,/,I,sc,V,oc,I,sc,V,oc,是太阳电池的极限输出功率,I,m,V,m,是太阳电池的最大输出功率,填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数。10.,电流温度系数,在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化,1,0,C,，太阳电池短路电流的变化值，通常用,表示。,对于一般晶体硅电池,=+0.1%/,0,C,11.,电压温度系数,在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化,1,0,C,，太阳电池开路电压的变化值，通常用,表示。,对于一般晶体硅电池,=-0.38%/,0,C,12.,太阳电池等效电路,(1),理想太阳电池等效电路：,相当于一个电流为,I,ph,的恒流电源与一只正向二极管并联。,流过二极管的正向电流称为暗电流,I,D,.,流过负载的电流为,I,负载两端的电压为,V,理想的太阳电池等效电路,I,ph,I,D,V,R,I,(2),实际太阳电池等效电路：,由于漏电流等产生的旁路电阻,R,sh,由于体电阻和电极的欧姆电阻产生的串联电阻,R,s,在,R,sh,两端的电压为：,V,j,=(V+IR,S,),因此流过旁路电阻,R,sh,的电流为：,I,Sh,=(V+IR,S,)/,R,sh,流过负载的电流：,I=,I,ph,I,D,I,Sh,实际的太阳电池等效电路,Rs,I,ph,I,D,R,sh,I,sh,V,R,I,暗电流,I,D,是注入电流和复合电流之和，可以简化为单指数形式：,I,D,=I,oo,exp(qV,j,/A,0,kT)-1,其中,：,I,oo,为太阳电池在无光照时的饱和电流,；,A,0,为结构因子，它反映了,p-n,结的结构完整性对性能的影响；,K,是玻尔兹曼恒量,因此得出,:,这就是光照情况下太阳电池的电流与电压的关系。画成图形，即为,(,I-V),特性曲线。,在理想情况下：,R,sh,，,R,s,0,由此得到：,I=,I,ph,I,D,=,I,ph,I,oo,exp(qV/A,0,kT)-1,在负载短路时，即,V,j,=0(,忽略,串联电阻,),，便得到短路电流，其值恰好与光电流相等,I,sc,=,I,ph,因此得出：,I=,I,ph,I,D,=,I,sc,I,oo,exp(qV/A,0,kT)-1,在负载,R,时,输出电流,0,便得到,开路电压,V,oc,其值由下式确定：,五,.,提高晶体硅电池效率的方法,1.,紫光电池,采用,浅结,(,如,0.1-0.15,m),和密栅,(,如,30,条,/cm),克服了,“,死层,”,增加了电池的兰,紫光响应,提高了电池的效率,。,2.,背电场,(BSF),电池,在常规电池,n,+,/p,或,p,+,/n,的硅电池背面增加一层,p,+,或,n,+,层,即形成背电场,可以使电池性能,提高,并且不受电阻率和一定范围内单晶片厚度变化的影响。,3.,绒面电池,采用选择性腐蚀溶液,使,(100),硅片表面形成微小的金字塔型的小丘,小丘密度大约为,10,8,-10,9,个,/,厘米,2,。,依靠表面金字塔形的方锥结构,对光进行多次反射,不仅减少了反射损失,而且改变了光在硅中的前进方向,延长了光程,增加了光生载流子的产量,；,曲折的绒面又增加了,p-n,结面积,从而增加对光生载流子的收集率,；,并改善了电池的红光响应,。,4.,聚光电池,通过聚光器,使大面积聚光器上接收到的太阳光会聚一个比较小的范围内,形成“焦斑”或“焦带”。位于“焦斑”或“焦带”处的太阳电池可得到较多的光能,使每一片电池能输出更多的电能,。,需要配备一套包括,：,聚光器,散热器,跟踪器及机械传动机构等的聚光系统,。,采用,250,倍聚光的,24KW,太阳电池方阵,