第3章 太阳能电池的特性-2
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第3章太阳能光伏控制器和逆变器2
• 图中E为输入的直流电压， R为逆变器的纯电阻性负载。 当开关S1、S3接通时，电 流流过S1、R、S3，负载R 上的电压极性是左正右负； • 当开关S1、S3断开，S2、 S4接通时，电流流过S2、R 和S4，负载上的电压极性 相反。若两组开关S1、S3 和S2、S4以某一频率交替 切换工作时，负载R上便可 得到这一频率的交变电压。
• 电力系统高压架空线路一般采用三相三线 制，三条线路分别代表a，b，c三相，我 们在野外看到的输电线路，三根线可能水 平排列，也可能是三角形排列的 • 火线与零线之间称为单相电，火线与火线 之间称为三相电。
逆变器的分类
• 按照逆变器输出功率大小的不同，可分为小功率 逆变器(<5kW)、中功率逆变器(5～50kW)、大功 率逆变器(>50kW)； • 按照逆变器隔离（转换）方式的不同，可分为带 工频隔离变压器方式、带高频隔离变压器方式、 不带隔离变压器方式。 • 按照逆变器输出能量的去向不同，可分为有源逆 变器和无源逆变器。 对太阳能光伏发电系统来说，在并网型光伏 发电系统中需要有源逆变器，而在离网独立型光 伏发电系统中需要无源逆变器。（连接电网的是 有源逆变，连接负载的是无源逆变） • 在太阳能光伏发电系统中还可将逆变器分为离网 型逆变器（应用在独立型光伏系统中的逆变器） 和并网型逆变器。
(1)推挽式逆变电路
• 该电路由两只共负极连接的功率开关管和一个初 级带有中心抽头的升压变压器组成。 • 升压变压器的中心抽头接直流电源正极，两只功 率开关管在控制电路的作用下交替工作，输出方 波或三角波的交流电力。
• 由于功率开关管的共负极连接，使得该电 路的驱动和控制电路可以比较简单，另外 由于变压器具有一定的漏感，可限制短路 电流，因而提高了电路的可靠性。 • 该电路的缺点是变压器效率低，带感性负 载的能力较差，不适合直流电压过高的场 合。
太阳能电池介绍课件PPT演示文稿
图3-3 单原子的电子能级对应的固体能带
3.1 太阳能光伏发电原理
4. 禁带、价带和导带 电子只能在各能带内运动 ，能带之间的区域没有电子态, 这个区域叫做“禁带”，用Eg 表示。 完全被电子填满的能带称为“满带”，最高的满带容纳 价电子，称为“价带”,价带上面完全没有电子的称为“空 带”。 有的能带只有部分能级上有电子,一部分能级是空的。 这种部分填充的能带,在外电场的作用下,可以产生电流。
3.1 太阳能光伏发电原理
2.硅的晶体结构 （1）硅的原子结构 硅(Si)原子，原子序数14，原子核外14个电子，绕核运 动，分层排列：内层2个电子(满)，第二层8个电子(满)，第 三层4个电子(不满)，如图3-1所示。
图3-1 硅的原子结构 及其原子能级
3.1 太阳能光伏发电原理
（2） 硅的晶体结构
3.1 太阳能光伏发电原理
5.电子和空穴 电子从价带跃迁到导带（自由电子）后，在价带中留下 一个空位，称为空穴，空穴移动也可形成电流。电子的这 种跃迁形成电子-空穴对。电子和空穴都称为载流子。 电子-空穴对不断产生， 又不断复合。
图3-5 具有一个断键的硅晶体
3.1 太阳能光伏发电原理
6. 掺杂半导体
太阳能电池介绍课件PPT演示文稿
第3章 太阳能光伏电池
太阳能光伏电池——太阳能 电能
3.1 太阳能光伏发电原理
3.1.1半导体基础知识
1.导体、绝缘体和半导体 （1）自由电子与自由电子浓度 物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成 ，电子 受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。能在晶体 中自由运动的电子，称为“自由电子”，它是导体导电的 电荷粒子。 自由电子浓度：单位体积中自由电子的数量，称为自由 电子浓度，用n表示，它是决定物体导电能力的主要因素之 一。
3.1 太阳能光伏发电原理
4. 禁带、价带和导带 电子只能在各能带内运动 ，能带之间的区域没有电子态, 这个区域叫做“禁带”，用Eg 表示。 完全被电子填满的能带称为“满带”，最高的满带容纳 价电子，称为“价带”,价带上面完全没有电子的称为“空 带”。 有的能带只有部分能级上有电子,一部分能级是空的。 这种部分填充的能带,在外电场的作用下,可以产生电流。
3.1 太阳能光伏发电原理
2.硅的晶体结构 （1）硅的原子结构 硅(Si)原子，原子序数14，原子核外14个电子，绕核运 动，分层排列：内层2个电子(满)，第二层8个电子(满)，第 三层4个电子(不满)，如图3-1所示。
图3-1 硅的原子结构 及其原子能级
3.1 太阳能光伏发电原理
（2） 硅的晶体结构
3.1 太阳能光伏发电原理
5.电子和空穴 电子从价带跃迁到导带（自由电子）后，在价带中留下 一个空位，称为空穴，空穴移动也可形成电流。电子的这 种跃迁形成电子-空穴对。电子和空穴都称为载流子。 电子-空穴对不断产生， 又不断复合。
图3-5 具有一个断键的硅晶体
3.1 太阳能光伏发电原理
6. 掺杂半导体
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第3章 太阳能光伏电池
太阳能光伏电池——太阳能 电能
3.1 太阳能光伏发电原理
3.1.1半导体基础知识
1.导体、绝缘体和半导体 （1）自由电子与自由电子浓度 物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成 ，电子 受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。能在晶体 中自由运动的电子，称为“自由电子”，它是导体导电的 电荷粒子。 自由电子浓度：单位体积中自由电子的数量，称为自由 电子浓度，用n表示，它是决定物体导电能力的主要因素之 一。
第三章 太阳能电池原理
开路电压VOC： VOC kT ln( IL 1)
q
IS
填充因子 F Pmp IscVoc
光电转换效率
Pmp FVocIsc
Pi
Pi
Pmp是最大输出功率， Pi是输入功率
当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定以后，其值就取决 于开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子F的最大值。
3、入射光光谱：一般是标准化的AM1.5光源 4、太阳能电池的光学性能：电池的吸收和反射 5、载流子收集的可能性：主要取决于电池表面的钝化及电
池中的少子寿命
qV
I IL - IF IL - Is(e kT 1)
V kT ln( IL - I 1)
q
IS
当pn结开路（open circuit ）时即R趋于无穷大，得到
光谱响应度（SR） 太阳能电池的光谱响应度：单位光功率所产生的电流强度
SR Isc I L qne q EQE q(1 R) IQE
Pin ()
Pin ()
hc
n ph
hc
hc
EQE：外部量子效率（没有特殊说明时就是量子效率） IQE：内部量子效率
理想情况下，光谱响应度（λ≤ λg）与波长成正比。 实际情况并不成线性关系：波长较长时，电池对光的吸收弱，导致
带有电阻负载的pn结太阳能电池示意图
零偏下光电池工作 电流
光生电流IL 光生电压下的正向电流IF
qV
流经负载的电流 I IL - IF IL - Is(e kT 1)
太阳能电池的重要参数： 短路电流ISC；开路电压VOC；填充因子F；光电转换效率η
qV
I IL - IF IL - Is(e kT 1)
第三章-太阳能电池的特性
前端表面复合导致蓝光响应的减小。
UNSW新南威尔士大学
10
&3.1.4
理想太阳能电池 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。
式中IL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。
2014-8-24
UNSW新南威尔士大学
16பைடு நூலகம்
&3.2.1
太阳能电池的参数 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。
&3.1.5
理想太阳能电池 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
太阳能电池片的特性及主要性能参数_太阳能光伏组件生产制造工程技术_[共3页]
![太阳能电池片的特性及主要性能参数_太阳能光伏组件生产制造工程技术_[共3页]](https://img.taocdn.com/s1/m/65f510dcf78a6529647d53e0.png)
第2章 太阳能光伏组件的原材料及部件25 单晶硅与多晶硅电池片到底有哪些区别呢？由于单晶硅电池片和多晶硅电池片前期生产工艺的不同，使它们从外观到电性能都有一些区别。
从外观上看：单晶硅电池片四个角呈圆弧缺角状，表面没有花纹；多晶硅电池片四个角为方角，表面有类似冰花一样的花纹（业内称为多晶多彩），也有一种绒面多晶硅电池片表面没有明显的冰花状花纹（业内称为多晶绒面）；单晶硅电池片减反射膜绒面表面颜色一般呈现为黑蓝色，多晶硅电池片减反射膜绒面表面颜色一般呈现为蓝色。
对于使用者来说，相同转换效率的单晶硅电池和多晶硅电池是没有太大区别的。
单晶硅电池和多晶硅电池的寿命和稳定性都很好。
虽然单晶硅电池的平均转换效率比多晶硅电池的平均转换效率高1%左右，但是由于单晶硅太阳能电池只能做成准正方形（4个角为圆弧状），当组成太阳能电池组件时就有一部分面积填不满，而多晶硅太阳能电池是正方形的，不存在这个问题，因此对于太阳能电池组件的转换效率来讲几乎是一样的。
另外，由于两种太阳能电池材料的制造工艺不一样，多晶硅太阳能电池制造过程中消耗的能量要比单晶硅太阳能电池少30%左右，所以多晶硅太阳能电池占全球太阳能电池总产量的份额越来越大，制造成本也将大大小于单晶硅电池，所以使用多晶硅太阳能电池将更节能、更环保。
2.1.3 太阳能电池片的等效电路分析太阳能电池的内部等效电路如图2-5所示。
为便于理解，我们可以形象地把太阳能电池的内部看成是一个光电池和一个硅二极管的复合体，即在光电池的两端并联了一个处于正偏置下的二极管，同时电池内部还有串联电阻和并联电阻的存在。
由于二极管的存在，在外电压的作用下，会产生通过二极管P-N 结的漏电流I d ，这个电流与光生电流的方向相反，因此会抵消小部分光生电流。
串联电阻主要是由半导体材料本身的体电阻、扩散层横向电阻、金属电极与电池片体的接触电阻及金属电极本身的电阻几部分组成的，其中扩散层横向电阻是串联电阻的主要形式。
太阳能电池的种类
第四章太阳能电池的种类太阳能电池是利用半导体的光生伏特效应，许多材料都可以用来做太阳能电池，因而太阳能电池的种类很多。
一、单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池的特点：•作为原料的硅材料在地壳中含量丰富，对环境基本上没有影响。
•单晶制备以及pn结的制备都有成熟的集成电路工艺作保证。
•硅的密度低，材料轻。
即使是50µm以下厚度的薄板也有很好的强度。
•与多晶硅、非晶硅比较，转换效率高。
•电池工作稳定，已实际用于人造卫星等方面，并且可以保证20年以上的工作寿命。
1、如何制备单晶硅材料To get silicon in single-crystal state, we first melt the high-purity silicon. We then cause it to reform very slowly in contact with a single crystal "seed." The silicon adapts to the pattern of the single crystal seed as it cools and solidifies gradually. Not suprisingly, because we start from a "seed," this process is called "growing" a new ingot of single-crystal silicon out of the molten silicon. Several specific processes can be used to accomplish this. The most established and dependable means are the Czochralski method and the floating-zone (FZ) technique.Czochralski processThe most widelyused technique for makingsingle-crystal silicon is theCzochralski process. In theCzochralski process, seedof single-crystal siliconcontacts the top of moltensilicon. As the seed isslowly raised, atoms of themolten silicon solidify inthe pattern of the seed andextend the single-crystalstructure.在得到硅单晶片后，就可以开始制备太阳能电池。
第三章光生伏特器件2-1介绍
其中的小实箭际头上表，示不正是向不电能流加的正方向向电（压普，通只整是流正二极管中规 定的正方接向以）后，就光与电普流通的二方极向管与一之样相，反只。有图单中向的前极为光 照面，后导极电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性背，光而面表。现不出它的光电效应。
2、光电二极管的电流方程
在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二 极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，如 图3-2所示。其电流方程为
限制PN结硅光电二极管时间响应的主要因素。
另一个因素是PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻 RL构成的时间常数τRC，τRC为
PN结电容由势垒电R容C Cc b和j(扩Ri散电R 容L)Cd组成。（3-5）
普电势负垒 离容通电子CP容，Nj常各C结为b具是硅几有由光一个空电定间P二的f电，电荷极在量区管负。引的当载起管外的电加芯。阻反空内R向间阻L低电电R压荷于i约变区5大为0内0时有2Ω5，不时0空能Ω，间移，时电动P荷间的N区正结常 数 变宽也，在存n储s的数电量荷级量。增但加；是当，外当加负反载向电电压阻变R小L很时，大空时间，电时荷区间变常
•与光电池相比：
共同点：均为一个PN结，利用光生伏特效应， SiO2保护膜
不同点： （1）结面积比光电池的小，频率特性好
（2）常在反偏压下工作 （3）衬底材料的掺杂浓度不同，光电池高
•国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为 2CU和2DU两种系列。
光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型 硅为衬底的2CU型两种结构形式。 图3-1（a）所示的为2DU型光电二极管的原理结构图。 图3-1（b）为光电二极管的工作原理图 图3-1（c）所示为光电二极管的电路符号
PIN型光电二极管
为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN 结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之 间生成I型层，构成如图3-6（a）所示的PIN结构光电二 极管，PIN结构的光电二极管与PN结型的光电二极管在外 形上没有什么区别，都如图3-6（b）所示。
太阳能电池的测试ppt课件
知识回顾
光伏效应
太阳电池发电原理示意图
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
太阳电池的表征参数
光结电正流 向I电ph流ID
n
p
IIphIDIphI0exn q pB k D T V1
测量电池IV特性的原理
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
3.4 电性测试条件
1. 测试项目
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
3.1太阳模拟器
太阳电池是将太阳能转变成电能的半导体器件，从应
用和研究的角度来考虑，其光电转换效率、输出伏安特性 曲线及参数是必须测量的，而这种测量必须在规定的标准 太阳光下进行才有参考意义。如果测试光源的特性和太阳 光相差很远，则测得的数据不能代表它在太阳光下使用时 的真实情况，甚至也无法换算到真实的情况，考虑到太阳 光本身随时间、地点而变化，因此必须规定一种标准阳光 条件，才能使测量结果既能彼此进行相对比较，又能根据 标准阳光下的测试数据估算出实际应用时太阳电池的性能 参数。
标准测试条件：标准太阳光（标准光谱和标准辐照度）、 标准测试温度
使用模拟阳光时，光谱取决于电光源的种类和滤光、反光系统 辐照度可以用标准太阳电池短路电流的标定值来校准。
为了减少光谱失配误差，模拟阳光的光谱应尽量接近标准阳 光光谱，或选用和被测量电池光谱响应基本相同的标准太阳 电池。
光伏效应
太阳电池发电原理示意图
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
太阳电池的表征参数
光结电正流 向I电ph流ID
n
p
IIphIDIphI0exn q pB k D T V1
测量电池IV特性的原理
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
3.4 电性测试条件
1. 测试项目
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
3.1太阳模拟器
太阳电池是将太阳能转变成电能的半导体器件，从应
用和研究的角度来考虑，其光电转换效率、输出伏安特性 曲线及参数是必须测量的，而这种测量必须在规定的标准 太阳光下进行才有参考意义。如果测试光源的特性和太阳 光相差很远，则测得的数据不能代表它在太阳光下使用时 的真实情况，甚至也无法换算到真实的情况，考虑到太阳 光本身随时间、地点而变化，因此必须规定一种标准阳光 条件，才能使测量结果既能彼此进行相对比较，又能根据 标准阳光下的测试数据估算出实际应用时太阳电池的性能 参数。
标准测试条件：标准太阳光（标准光谱和标准辐照度）、 标准测试温度
使用模拟阳光时，光谱取决于电光源的种类和滤光、反光系统 辐照度可以用标准太阳电池短路电流的标定值来校准。
为了减少光谱失配误差，模拟阳光的光谱应尽量接近标准阳 光光谱，或选用和被测量电池光谱响应基本相同的标准太阳 电池。
光伏电池及其特性
主要是由于半导体
材料的体电阻、金属
电极与半导体材料的 暗
接触电阻、扩散层横 电
外接
向电阻以及金属电极 流
负载
本身的电阻。一般小
电阻
于1Ω.
光伏电池的等效电路图
负载 load
Photic adj.光的, 与光有关的
等效电路中符号的说明
2. Rsh为旁路电阻。
由于由于电池表面污染、 半导体晶体缺陷引起的 边缘漏电，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， 一般为几千欧。漏电流 越小，并联电阻也就越 大。
由于禁带宽度小，因此当 光照或在外电场作用下， 使满带上的电子，很容易 跃迁到导带上，使原来空 的导带充填电子，同时在 满带上留下空穴。
Eg
禁带宽度≤3eV
（1）Intrinsic semiconductor
完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征 半导体 (纯半导体)。
硅（锗）的原子结构
Si 2 8 4
Degenerate semiconductor（简并半导体） Non-degenerate semiconductor（非简并半导体）
Compensated semiconductor（补偿半导体） Non-compensated semiconductor（非补偿半导体）
表 1-1 主要的半導體材料及相關的應用領域
旁路电阻Rsh越大，越接近于理想的太 阳电池，该太阳电池的性能也越好。
目前的太阳电池制造工艺水平，在要求不很严格时， 可以认为串联电阻接近于零，旁路电阻趋近于无穷 大，也就可当做理想的太阳电池看待。
测试输出特性
理想太阳能电池的等效电路图以及变量关系
由于电路中无电源，电压U=IR
太阳能光伏电池原理及特性
光 B G K
B：阳极
K：阴极
G：电流计
1 2 hν = A+ mvm 2
h:普朗克常数
：光的频率
A：逸出功
m:电子的质量 Vm:电子的平 均 速度
紫外线 可见光 红外线
波长(μm) ＜0.38 0.38～0.78 ＞0.78
比例(%) 7 47.29 45.71
太阳能电池串、并联而成 的较大功率单元,输出电压满足蓄电 池组的要求,具有独立连接电缆。
电池方阵 将若干太阳能电池板组装在一 起以满足负载功率的要求。
青海玉树县下拉秀乡50kw光伏电站
光伏器件 （太阳能电池） 凡能产生光伏效应的器件都称 为光伏器件，其中以半导体器件 的能量转换效率最高，专门称为 太阳能电池。
爱因斯坦光子假说：一束光就是一 束以光速运动的粒子流，这些粒子 称为光子；频率为的光的每一光子 所具有的能量为h,它不能再分割， 而只能整个地被吸收或产生出来。
光电管
第二章 太阳能
知识要点：
一、太阳能资源概述及热利用（1、2节）
二、太阳能光伏发电
1、太阳能光伏发电原理及特性（3节）
2、太阳能光伏发电系统（4、5节）
三、太阳能热发电（6节）
1、太阳能热发电原理 2、太阳能热发电系统
光电效应 金属及其化合物在光照射下 发射电子的现象称为光电效应。
光伏效应 1839年法国物理学家贝克勒尔 意外发现，用两片金属侵入溶液构 成的伏打电池在光照下会产生额外 的电动势，他将这种现象称为“光 生伏打效应”，简称“光伏效应”。
光电转换效率η： 等于最大输出功率与入射光的功 率之比。目前硅太阳能电池的理论 转换效率为33%。实际为12～15%,高 效单晶硅为18～20%。
B：阳极
K：阴极
G：电流计
1 2 hν = A+ mvm 2
h:普朗克常数
：光的频率
A：逸出功
m:电子的质量 Vm:电子的平 均 速度
紫外线 可见光 红外线
波长(μm) ＜0.38 0.38～0.78 ＞0.78
比例(%) 7 47.29 45.71
太阳能电池串、并联而成 的较大功率单元,输出电压满足蓄电 池组的要求,具有独立连接电缆。
电池方阵 将若干太阳能电池板组装在一 起以满足负载功率的要求。
青海玉树县下拉秀乡50kw光伏电站
光伏器件 （太阳能电池） 凡能产生光伏效应的器件都称 为光伏器件，其中以半导体器件 的能量转换效率最高，专门称为 太阳能电池。
爱因斯坦光子假说：一束光就是一 束以光速运动的粒子流，这些粒子 称为光子；频率为的光的每一光子 所具有的能量为h,它不能再分割， 而只能整个地被吸收或产生出来。
光电管
第二章 太阳能
知识要点：
一、太阳能资源概述及热利用（1、2节）
二、太阳能光伏发电
1、太阳能光伏发电原理及特性（3节）
2、太阳能光伏发电系统（4、5节）
三、太阳能热发电（6节）
1、太阳能热发电原理 2、太阳能热发电系统
光电效应 金属及其化合物在光照射下 发射电子的现象称为光电效应。
光伏效应 1839年法国物理学家贝克勒尔 意外发现，用两片金属侵入溶液构 成的伏打电池在光照下会产生额外 的电动势，他将这种现象称为“光 生伏打效应”，简称“光伏效应”。
光电转换效率η： 等于最大输出功率与入射光的功 率之比。目前硅太阳能电池的理论 转换效率为33%。实际为12～15%,高 效单晶硅为18～20%。
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其他效应 光强效应
聚光对太阳能电池的伏安特性的影响
&3.4.2
其他效应 光强效应
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
&3.2.5
太阳能电池的参数 效率
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
光强以及电池本身的温度。 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 地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度25°C。而空间太阳能电池 的光照则为AM0。
的成本。电池的短路电流大小与光的强度成线性关系，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。
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：
nkT ISC V' OC ln I q O
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，分流到并联电阻的电流将增加，即增加了能量损失。 在多云的天气下，并联电阻高的电池比并联电阻低的电池保留更大部分的 电流。
&3.5.1太阳能电池的测量
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。
串联电阻对伏安曲线的影响
&3.3.5
电阻效应 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，
性，特别是研究寄生电阻损失机制时非常重要。
&3.3.2
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。
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
寄生电阻对电池的最主要影响便是减小填充因子。
&3.3.4
电阻效应 串联电阻
3 Eg kT
π kT * 2 2 n i 4 2 me m h
3 * 2 h
e
BT e
-Eg 3 kT
&3.4.2
其他效应 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。
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。
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
开路电压随着温度升高而减小，因为饱和电流Io与温度的关系
Dn i2 I o qA LND
式中，q为一个电子的电荷量；D为硅材料中少数载流子的扩散率；L为少数载流 子的扩散长度；ND为掺杂率；ni为硅的本征载流子浓度。 影响最大的是本征载流子浓度ni，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），关于本征载流子的方程为
&3.3.6电阻效应
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：
qV IR s V IR s I I L I O exp R SH nkT
电池的等效电路图
&3.4.1
其它效应 温度效应
nkT ISC ln VOC nkT ln ln I q q O
式中代表入射光的强度
&3.4.2
其他效应 光强效应
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。
的接触电阻的影响的器材。
此外，被测电池经冷却使温度保持在25 0C。
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。
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。
并联电阻对电池的影响
太阳能电池发电效率的方程： Pmax=VocIscFF =Pmax/Pin =VocIscFF /Pin
电阻效应 太阳能电池的特征电阻
&3.3.1
太阳能电池的特征电阻：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
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。
光源由计算 机控制
&3.5.1太阳能电池的测量
因为太阳能电池对光强和温度都很敏感，所以测试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，要控制在标准AM1.5光谱上。
电池的光谱响应能很好的匹配。
&3.5.1太阳能电池的测量
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
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”。
&3.4.2
太阳能电池对温度很敏感，温度的升高降低了半导体禁带宽度。 可以把半导体的禁带宽度随温度的升高而下降，看成是材料中的
电子能量的提高，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。
受温度影响最大的参数是开路电压。
&3.4.1
其它效应 温度效应