太陽能電池工作原理

ID:128229 · 發(fā)表于 2016-6-29 22:57

硅太陽能電池工作原理

Solar Cell Principle

本征半導(dǎo)體

原子最外層的電子為價(jià)電子，硅原子的外層電子殼層中有4個(gè)價(jià)電子，在硅晶體中每個(gè)原子有4個(gè)相鄰原子，硅原子和每一個(gè)相鄰硅原子共享2個(gè)價(jià)電子，從而形成穩(wěn)定的8原子結(jié)構(gòu)。見圖1左圖。

圖1--本征半導(dǎo)體示意圖

硅原子的外層的電子受原子核的束縛比較小，在光照或溫度作用下得到足夠的能量時(shí)，會(huì)擺脫原子核的束縛而成為自由電子，并同時(shí)在原來位置留出一個(gè)空穴。電子帶負(fù)電，空穴帶正電，在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。見圖1右圖。

在常溫下，純凈的硅晶體中電子和空穴的數(shù)目極少，導(dǎo)電性極差。稱這種純凈晶體為本征半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體

在純凈的硅晶體中摻入少量的雜質(zhì)，即5價(jià)元素磷（或砷，銻等），由于磷原子具有5個(gè)價(jià)電子，所以1個(gè)磷原子同相鄰的4個(gè)硅原子結(jié)成共價(jià)鍵時(shí)，還多余1個(gè)價(jià)電子，這個(gè)價(jià)電子很容易掙脫磷原子核的吸引而變成自由電子。摻入了5價(jià)元素的硅晶體變成了電子導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體，也稱為Ｎ型半導(dǎo)體，見圖２左。

圖2--Ｎ型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體

在Ｎ型半導(dǎo)體中，除了由于摻入雜質(zhì)而產(chǎn)生大量的自由電子以外，還有由于熱激發(fā)而產(chǎn)生少量的電子-空穴對。然而空穴的數(shù)目相對于電子的數(shù)目是極少的，所以在Ｎ型半導(dǎo)體材料中，空穴數(shù)目很少，稱為少數(shù)載流子，而電子數(shù)目很多，稱為多數(shù)載流子。

同樣如果在純凈的硅晶體中摻入少量的雜質(zhì)，即3價(jià)元素，如硼（或鋁、鎵或銦等），這些3價(jià)原子的最外層只有3個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它與相鄰的硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，還缺少1個(gè)價(jià)電子，因而在一個(gè)共價(jià)鍵上要出現(xiàn)一個(gè)空穴，因此摻入3價(jià)雜質(zhì)的4價(jià)半導(dǎo)體，也稱為P型半導(dǎo)體，見圖2右。

對于P型半導(dǎo)體，空穴是多數(shù)載流子，而電子為少數(shù)載流子。

PN結(jié)

若將Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體兩者緊密結(jié)合，聯(lián)成一體時(shí)，由導(dǎo)電類型相反的兩塊半導(dǎo)體之間的過渡區(qū)域，稱為 PN 結(jié)。在PN 結(jié)兩邊，由于在P型區(qū)內(nèi)，空穴很多，電子很少；而在N型區(qū)內(nèi)，則電子很多，空穴很少。由于交界面兩邊，電子和空穴的濃度不相等，因此會(huì)產(chǎn)生多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是基于電子相互排斥和相互碰撞理論建立的，同層次軌道上的電子會(huì)自動(dòng)從電子相對集中的地方流向電子稀少的地方，這一流向不需要外界的電場作用。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力應(yīng)與同層次軌道中載流子濃度的變化率（也叫濃度梯度）成正比。

下面的圖3與圖4是P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸相互擴(kuò)散的示意圖，圖中僅表現(xiàn)摻雜的原子，在P型半導(dǎo)體中為3價(jià)的硼原子與它的空穴，在N型半導(dǎo)體中為5價(jià)的磷原子與它的自由電子。

圖3是Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體兩者剛靠在一起的瞬間，由于N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子自由電子濃度遠(yuǎn)大于P型半導(dǎo)體內(nèi)自由電子濃度，這些電子將向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散。同樣由于P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子空穴濃度遠(yuǎn)大于N型半導(dǎo)體內(nèi)空穴濃度，這些空穴將向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散。

圖3--自由電子與空穴擴(kuò)散

擴(kuò)散的過程為：在靠近交界面附近的N區(qū)中，電子越過交界面與P區(qū)的空穴復(fù)合，使P區(qū)出現(xiàn)一批帶負(fù)電荷的硼元素的離子。同時(shí)在N型區(qū)內(nèi)，由于跑掉了一批電子而呈現(xiàn)帶正電荷的磷元素離子。

同樣可解釋為：在靠近交界面附近的P區(qū)中，多數(shù)載流子空穴越過交界面與N區(qū)的電子復(fù)合，從而使N區(qū)出現(xiàn)一批帶正電荷的磷元素離子。同時(shí)在P型區(qū)內(nèi)，由于跑掉了一批空穴而呈現(xiàn)帶負(fù)電荷的硼元素的離子。

圖4--擴(kuò)散形成PN結(jié)

擴(kuò)散的結(jié)果是在交界面的一邊形成帶正電荷的正離子區(qū)，而交界面另一邊形成帶負(fù)電荷的負(fù)離子區(qū)，稱為空間電荷區(qū)，這就是PN 結(jié)，是一層很薄的區(qū)域。

在PN 結(jié)內(nèi)，由于兩邊分別積聚了負(fù)電荷和正電荷，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由正電荷指向負(fù)電荷的電場，即由N區(qū)指向P區(qū)的電場，稱為內(nèi)建電場（或稱勢壘電場)。

光生伏打效應(yīng)

室溫下從硅的原子的價(jià)電子層中分離出一個(gè)電子需要1.12eV的能量，該能量稱為硅的禁帶寬度。分離過程稱為激發(fā)，被分離出來的電子是自由電子，能夠自由移動(dòng)并傳送電流。半導(dǎo)體在太陽光照耀下，能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子，使半導(dǎo)體中原子的價(jià)電子受到激發(fā)而成為自由電子，形成光生電子-空穴對，也稱光生載流子。

太陽能電池由PN結(jié)構(gòu)成，在P區(qū)、空間電荷區(qū)和N區(qū)都會(huì)產(chǎn)生光生電子-空穴對，這些電子-空穴對由于熱運(yùn)動(dòng)，會(huì)向各個(gè)方向遷移。

在空間電荷區(qū)產(chǎn)生的與遷移進(jìn)來的光生電子-空穴對被內(nèi)建電場分離，光生電子被推進(jìn)N區(qū)，光生空穴被推進(jìn)P區(qū)。在空間電荷區(qū)邊界處總的載流子濃度近似為0。

在N區(qū)，光生電子-空穴產(chǎn)生后，光生空穴便向PN 結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá) PN結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場的作用，在電場力作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，越過空間電荷區(qū)進(jìn)入P區(qū)，而光生電子（多數(shù)載流子）則被留在N區(qū)。

同樣，P區(qū)中的光生電子也會(huì)向PN結(jié)邊界擴(kuò)散，并在到達(dá)PN結(jié)邊界后，同樣由于受到內(nèi)建電場的作用而在電場力作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入N區(qū)，而光生空穴（多數(shù)載流子）則被留在P區(qū)。

因此在PN結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。這個(gè)電場除了一部分抵消內(nèi)建電場以外，還使P型層帶正電，N型層帶負(fù)電，因此產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢。這就是“光生伏打效應(yīng)”（簡稱光伏）。

太陽能電池與主要特性

太陽能電池發(fā)電原理是光生伏打效應(yīng)，故太陽能電池也叫光伏電池。

太陽能電池由PN結(jié)構(gòu)成，將負(fù)載電阻RL連接到PN結(jié)兩端，構(gòu)成一個(gè)回路，圖5是這個(gè)回路的示意圖。

圖5--光伏電池原理

當(dāng)太陽光照在太陽電池上產(chǎn)生光生電動(dòng)勢，就有電路流過負(fù)載電阻RL，被PN結(jié)分開的過剩載流子中就有一部分把能量消耗于降低PN結(jié)勢壘，用于建立工作電壓U，而剩余部分的光生載流子則用來產(chǎn)生光生電流I。

常用的太陽電池的主要特性是伏安特性，圖6的左圖是硅太陽電池的伏安特性，圖中曲線是在一定強(qiáng)度陽光照射下的伏安特性曲線。

當(dāng)把太陽電池短路，即RL = 0，輸出電壓為0，則所有可以到達(dá)PN結(jié)的過剩載流子都可以穿過PN結(jié)，并因外電路閉合而產(chǎn)生了最大可能的電流，該電流稱為短路電流Isc。

如果使太陽電池開路，即負(fù)載電阻 RL 無窮大，通過電流為0，則被PN結(jié)分開的全部過剩載流子就會(huì)積累在PN結(jié)附近，于是產(chǎn)生了最大光生電動(dòng)勢的開路電壓Voc。

圖6--光伏電池伏安特性曲線

太陽電池在光照不同時(shí)的伏安特性曲線也不同，在圖6右圖中有三根在不同光照強(qiáng)度（輻照度）下的伏安特性曲線，顯示了太陽電池的光照特性。在三種不同的光照強(qiáng)度下，太陽電池的開路電壓V1、V2、V3相差不大，單片硅太陽電池在常溫下的開路電壓約為0.45V至0.6V。主要特性是短路電流Isc與照射光的輻照度成正比，顯然輻照度越強(qiáng)，輸出電流越大，且輸出電流有一定的恒流性。

太陽電池的等效電路可以用一個(gè)恒流電源與一個(gè)二極管并聯(lián)表示，恒流電源決定著太陽電池的輸出電流，二極管則影響開路電壓。恒流電源輸出電流為Iph，流過二極管的正向電流稱為暗電流ID。實(shí)際上由于器件存在漏電，就要并上旁路電阻Rsh；由于器件體電阻和電極的歐姆電阻要加上串聯(lián)電阻Rs。圖7就是一個(gè)完整的等效電路，圖中R是負(fù)載電阻，V是負(fù)載電阻上的電壓，I是通過負(fù)載電阻的電流。

圖7--太陽電池的等效電路

當(dāng)太陽電池的負(fù)載電阻RL值變化時(shí)，通過電流與電壓的關(guān)系按其伏安曲線變化，見圖8，RL較小時(shí)，通過電流為I3，電壓為V3；RL較大時(shí)，通過電流為I1，電壓為V1。

太陽電池的輸出功率是RL上電流與電壓乘積，不同的RL值有不同的輸出功率，圖8中藍(lán)色虛線是電池的輸出功率對應(yīng)輸出電壓的變化曲線，RL在某個(gè)值時(shí)，可得到最大輸出功率，此時(shí)電流為Im，電壓為Vm時(shí)，在曲線上對應(yīng)的點(diǎn)M稱為該太陽電池的最佳工作點(diǎn)，功率電壓曲線在該點(diǎn)為最大值Pm，硅太陽電池的Vm約為0.5伏。

圖8--光伏電池伏安特性曲線與最大功率曲線

太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為電池的最大輸出功率與該電池接收的全部輻射功率的百分比。測試使用的陽光輻射強(qiáng)度為800W/m2至1000W/m2。

太陽電池還有一些特性，如開路電壓Uoc隨溫度升高而降低等。需了解其他特性請另找參考資料。

太陽電池的分類

太陽電池主要分為晶體硅太陽電池與薄膜太陽電池，晶體硅太陽電池又分為單晶硅太陽電池與多晶硅太陽電池，薄膜太陽電池種類較多，主要是非晶硅太陽電池。

單晶硅太陽電池

單晶硅太陽電池由單晶硅片制造，在單晶硅材料中，硅原子在空間呈有序的周期性排列，具有長程有序性。這種有序性有利于太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的提高，目前單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率為14%-17%，最高達(dá)24%。單晶硅太陽電池生產(chǎn)工藝成熟，廣泛應(yīng)用在航天，高科技產(chǎn)品中。但單晶硅太陽電池制造過程復(fù)雜，制造需要的能耗大，成本高。

多晶硅太陽電池

多晶硅材料則是由許多單晶顆粒（顆粒直徑為數(shù)微米至數(shù)毫米）的集合體。各個(gè)單晶顆粒的大小，晶體取向彼此各不相同，其轉(zhuǎn)換效率約13%至15%，最高達(dá)20%。多晶硅太陽電池比單晶硅太陽電池生產(chǎn)時(shí)間短，制造成本低，在市場上有重要地位。

非晶硅太陽電池

非晶硅太陽電池采用很薄的非晶硅薄膜（約1 mm厚）制造，硅材料消耗很少，可直接在大面積的玻璃板上淀積生成硅半導(dǎo)體薄膜，制備非晶硅的工藝和設(shè)備簡單，制造時(shí)間短，能耗少，適于大批生產(chǎn)。

非晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率5%-8%，最高達(dá)13%，特點(diǎn)是在弱光下也能發(fā)電。非晶硅太陽電池的主要缺點(diǎn)是穩(wěn)定性稍差。但價(jià)廉與弱光發(fā)電使它廣泛用在民用產(chǎn)品中。

太陽能電池與組件

Solar Cell and module

硅太陽能電池

硅太陽能電池采用硅晶體薄片制作，片厚約0.2mm，硅晶體薄片的尺寸一般為156mm×156mm（6英寸）或125mm×125mm（5英寸）。圖1是單晶硅與多晶硅晶體薄片的照片（照片來自網(wǎng)絡(luò)），左圖是6英寸的單晶硅片，右圖是5英寸的多晶硅片。

圖1--單晶硅與多晶硅片

在硅晶體薄片表面制作PN結(jié)，在上下表面做電極構(gòu)成太陽能電池。圖2是硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖，該圖顯示的僅是硅太陽能電池的一小塊截體。電池主體是PN結(jié)，為了防止硅晶體薄片對太陽光產(chǎn)生反射，把上表面制成無反射的絨面；為進(jìn)一步減小反射，在上面還要敷一層透明的減反射膜；在電池上表面有電極線與N型半導(dǎo)體連接，在電池下表面有電極線與P型半導(dǎo)體連接。為了清晰顯示層次，圖中對N型半導(dǎo)體、絨面、減反射膜的厚度進(jìn)行了放大，實(shí)際是很薄的。

圖2--硅太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖

制作太陽能電池的硅晶體為摻雜3價(jià)硼的P型半導(dǎo)體，主要制作流程是：

1. 拋光清洗

對硅片表面進(jìn)行化學(xué)拋光并進(jìn)行清洗。我們把朝向太陽的一面稱為上表面，把背向太陽的一面稱為下表面。

2. 制作絨面

光滑的硅晶體薄片表面會(huì)反射掉部分太陽光，見圖3左圖，為了防止對太陽光產(chǎn)生反射，要在薄片上表面用化學(xué)腐蝕生成凸凹面，凸凹面好像無數(shù)的金字塔排列在一起，使太陽光盡量射入硅晶體，見圖3右圖。只是這些金字塔非常細(xì)微，高約10μm，可使硅晶體薄片上表面反射大大減少，較全面的吸收太陽光。

圖3--金字塔絨面減少太陽光的反射

3. 擴(kuò)散制結(jié)

在P型硅晶體薄片的絨面上表面擴(kuò)散5價(jià)的磷，在絨面下生成0.3至0.5μm深的N型半導(dǎo)體，這樣，在硅晶體薄片的上表面是N型半導(dǎo)體，在硅晶體薄片的下表面是P型半導(dǎo)體，交界面附近就是PN結(jié)，見圖4。

4. 刻蝕去邊

為防止上下表面短路，必須把硅晶體薄片周邊因制結(jié)生成的擴(kuò)散層去除。同時(shí)還要去除在硅片表面因擴(kuò)散生成的磷硅玻璃與氧化物殘跡。

5. 制作減反射膜

雖有絨面，但仍有經(jīng)過二次或三次反射出去的太陽光，為進(jìn)一步減少對光線的反射，還要在上表面沉積一層減反射薄膜，成分主要是和Si3N4（氮化硅）或TiO2（氧化鈦），生成藍(lán)色透明薄膜，膜厚為75nm至80nm，見圖4。

圖4--硅太陽電池的上表面結(jié)構(gòu)示意圖

6. 制作上下電極

在上下表面制作連接外電路的電極，上電極要盡量減少對射入光線的遮擋，使用多根細(xì)線（柵線）把電流匯集到較粗的引出線（主線），上電極線主要采用銀漿絲網(wǎng)印刷的方法制作。下電極用銀鋁漿絲網(wǎng)印刷寬的母線，然后再在整片上印一層鋁漿做反射層，把穿透過來的光子反射回去。

為了使銀、鋁漿電極與硅材料完全緊密接觸，還需通過燒結(jié)過程，燒結(jié)使雙方材料表面的原子相互融入，特別是可以燒穿減反射膜，使上電極與硅半導(dǎo)體緊密接觸。

圖5是單片單晶硅太陽能電池與多晶硅太陽能電池圖片，電池片上橫的細(xì)線是柵線，豎的粗線是主線。

圖5--硅太陽電池片

太陽能電池的每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢查，不讓有缺陷的產(chǎn)品進(jìn)入下個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，太陽能電池最后一個(gè)環(huán)節(jié)是電氣性能性能檢測，也就是通過測量得到太陽能電池的伏安特性曲線。要測量主要參數(shù)是開路電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)、最佳工作電壓、最佳工作電流、轉(zhuǎn)換效率等。最后根據(jù)外觀與所測參數(shù)對電池進(jìn)行分級(jí)分類。

太陽能電池組件

單個(gè)硅太陽能電池片的輸出電壓約0.4伏，必須把若干太陽能電池片經(jīng)過串聯(lián)后才能達(dá)到可供使用的電壓，并聯(lián)后才能輸出較大的電流。多個(gè)太陽能電池片串并聯(lián)進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件，太陽電池組件是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的基本組成單元。

圖6是一塊太陽能電池組件，也就是常說的太陽能電池板。

圖6--太陽電池組件

太陽電池組件的主要生產(chǎn)過程如下。

1. 電池分選

為提高電池片的利用率，將性能一致或相近的電池片組合在一起，應(yīng)根據(jù)其性能參數(shù)進(jìn)行分類；電池測試即通過測試電池片的輸出參數(shù)（電流和電壓）的大小對其進(jìn)行分類。

2. 電池片的焊接

匯流帶為鍍錫的銅帶，使用電烙鐵和焊錫絲將匯流帶焊接到電池上面（負(fù)極）的主線上，伸出的匯流帶將與后面的電池片的背面電極相連。

通過背面焊接將N張片電池串接在一起形成一個(gè)電池串，稱為串焊，使用電烙鐵和焊錫絲將單片焊接好的電池的上面電極（負(fù)極）的伸出端焊接到下一個(gè)電池的下電極（正極）上，見圖7上圖，圖7下圖是以焊好的3個(gè)電池片。圖7中各零件相互間的尺寸比例與實(shí)際有較大差別，僅為示意圖。

圖7--電池片的焊接

將串接在一起的整個(gè)電池串的正負(fù)極焊接出引線，并檢驗(yàn)整個(gè)電池串的特性，修理有問題的電池串。

3. 疊層

太陽能電池組件的種類較多，按照封裝材料和工藝的不同與用途的不同，封裝方式也不同，下面介紹的是普通硅太陽能電池的常用封裝方式。

在電池串的上面采用鋼化玻璃封裝，有很高的強(qiáng)度與很好的透光性，可有效地保護(hù)電池片；電池片的下面采用有良好絕緣性能、能抗紫外線抗環(huán)境侵蝕的熱塑聚氯乙烯復(fù)合膜（TPT）做背面:三者之間采用熱融膠粘膜（EVA）進(jìn)行粘接，EVA透光率高，并有柔韌、耐沖擊、耐腐蝕，在熱壓下熔融固化后有很好的粘合性。封裝的層次見圖8.

圖8--太陽能電池組件疊層結(jié)構(gòu)

將電池串、鋼化玻璃和切割好的EVA 、TPT背板按照一定的層次敷設(shè)好，敷設(shè)時(shí)保證電池串與玻璃等材料的相對位置，調(diào)整好電池間的距離，準(zhǔn)備層壓。

4、組件層壓

將敷設(shè)好的電池組件放入層壓機(jī)內(nèi)，通過抽真空將組件內(nèi)的空氣抽出，然后加熱使EVA熔化將電池、玻璃和TPT背板粘接在一起；最后冷卻取出組件。層壓工藝是太陽能電池組件生產(chǎn)的關(guān)鍵一步，層壓溫度和層壓時(shí)間根據(jù)EVA的性質(zhì)決定。

層壓時(shí)EVA熔化后由于壓力而向外延伸固化形成毛邊，所以層壓完畢應(yīng)將其切除。

7、裝框

類似與給玻璃裝一個(gè)鏡框；給玻璃組件裝鋁框，增加組件的強(qiáng)度，進(jìn)一步的密封電池組件，延長電池的使用壽命。邊框和玻璃組件的縫隙用硅酮樹脂填充，各邊框間用角鍵連接。
在組件背面引線處粘接一個(gè)接線盒，以利于電池與其他設(shè)備或電池間的連接。

圖9是封裝好的單晶硅太陽能電池組件正面與反面，圖10是封裝好的多晶硅太陽能電池組件正面與反面，在反面可看到電池接線盒。

圖9--單晶硅太陽能電池組件正面與反面（照片來自網(wǎng)絡(luò)）

圖10--多晶硅太陽能電池組件正面與反面（照片來自網(wǎng)絡(luò)）

太陽能電池組件也就是常說的太陽能電池板，作為太陽能發(fā)電場用的尺寸較大，大的可達(dá)2米長1米寬，一般為1.5m長，0.8m左右。也可根據(jù)需要做成不同尺寸、不同電壓、不同形狀的組件，見圖11。

圖11--多種尺寸的太陽能電池組件（照片來自網(wǎng)絡(luò)）

9、組件測試

測試的目的是對電池的輸出功率進(jìn)行標(biāo)定，測試其輸出特性，確定組件的質(zhì)量等級(jí)。在標(biāo)準(zhǔn)光照條件（輻照度1000W/m²）下的輸出電壓一般為30至50伏，短路電流約10安培。
在實(shí)際應(yīng)用中，若干電池組件安裝在同一個(gè)支架上，串并連接后輸出，通常把這些組合在一起的太陽能電池稱為太陽能電池陣列（方陣）。

圖12是太陽能電池與太陽能電池組件的圖形符號(hào)，符號(hào)是普通電池符號(hào)加個(gè)圓圈，極性與普通電池一樣，圖12下方是太陽能電池組件或陣列的常用畫法。

圖12--太陽電池與組件的圖形符號(hào)

半導(dǎo)體光電子元器件

Optoelectronic devices

利用半導(dǎo)體光-電子（或電-光子）轉(zhuǎn)換效應(yīng)制成的各種功能器件稱為半導(dǎo)體光電子器件，半導(dǎo)體光電子器件有多種形式，這里僅介紹利用光電導(dǎo)效應(yīng)與光生伏特效應(yīng)制作的器件。

光敏電阻

某些半導(dǎo)體材料在光照射時(shí)，透到材料內(nèi)部的光子能量足夠大，一些電子吸收光子的能量，從原來的束縛態(tài)變成導(dǎo)電的自由態(tài)，這時(shí)在外電場的作用下，流過半導(dǎo)體的電流會(huì)增大，即半導(dǎo)體的電導(dǎo)會(huì)增大，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)效應(yīng)。

光敏電阻就是具有光電導(dǎo)效應(yīng)的電阻器件，該器件的電阻隨光照加強(qiáng)而減小，圖1就是光敏電阻器件結(jié)構(gòu)圖。上圖是光敏電阻芯片的俯視圖，下圖是芯片的剖面圖，為看清楚，圖中半導(dǎo)體光敏層與金屬電極層加厚許多倍。

圖1--光敏電阻結(jié)構(gòu)圖

用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體物質(zhì),在陶瓷或玻璃基板上均勻地敷上一層薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，作為半導(dǎo)體光敏層。在光敏層上面有兩個(gè)金屬電極，電極是蒸鍍的金或其他金屬薄膜，電極呈梳狀，梳齒交錯(cuò)排列，兩梳齒極間有間隙，露出光敏層，彎曲的間隙加長了兩電極的寬度，以提高靈敏度，兩電極連接兩根金屬引出線（引腳）。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層透明膜，膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大，并起到防潮等保護(hù)作用，金屬薄膜電極通過引出線接入電路。

圖2是光敏電阻器件芯片與外觀圖，左圖是光敏電阻管芯的結(jié)構(gòu)圖，右圖是封裝好的光敏電阻。

圖2--光敏電阻器件芯片與外觀圖

圖3是光敏電阻的實(shí)驗(yàn)電路圖與圖形符號(hào)。在實(shí)驗(yàn)中，沒有光照在光敏電阻時(shí)，電流表讀數(shù)為0，隨光照加強(qiáng)，光敏電阻阻值減小，電流表讀數(shù)加大。光敏電阻的文字符號(hào)是RL或RG或R。

圖3--光敏電阻的圖形符號(hào)

圖4是光敏電阻的一個(gè)應(yīng)用電路圖，當(dāng)環(huán)境光亮度下降時(shí)，該電路可啟動(dòng)繼電器接通照明電路。由RP、RL組成的分壓電路與R1、R2組成的分壓電路輸入運(yùn)算放大器A進(jìn)行比較，當(dāng)環(huán)境光亮度下降到設(shè)定值時(shí)，光敏電阻RL阻值上升，分壓點(diǎn)電壓高于R2上的電壓，放大器A輸出低電位，三極管Q導(dǎo)通，繼電器K的常開觸點(diǎn)閉合，照明燈點(diǎn)亮。調(diào)整可變電阻RP可改變設(shè)定值。

圖4--暗激發(fā)光控電路

光敏二極管

某些由PN結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體材料在無光照時(shí)，半導(dǎo)體PN結(jié)內(nèi)部存在自有電場。當(dāng)光照射在PN結(jié)及其附近時(shí)，在能量足夠大的光子作用下，在結(jié)區(qū)及其附近會(huì)產(chǎn)生少數(shù)載流子（電子與空穴對）。載流子在結(jié)區(qū)外時(shí)，靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)中時(shí)，則因電場E的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)。結(jié)果使N區(qū)帶負(fù)電荷，P區(qū)帶正電荷，產(chǎn)生附加電動(dòng)勢，此電動(dòng)勢稱為光生電動(dòng)勢，此現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。更多有關(guān)內(nèi)容參見“光伏電池原理”課件，在此不再介紹。

在本課件介紹的是采用光生伏特效應(yīng)制造的光電子器件，圖5是根據(jù)不同用途制造的不同外形、不同安裝方式的光伏電池，這些光電子器件不是用來發(fā)電的，僅是作為對光的檢測元件使用，通常稱它們?yōu)楣怆姸䴓O管或光敏二極管。圖6左邊上方是光電二極管的圖形符號(hào)，僅用在檢測或控制電路中；圖6左邊下方是光伏電池的符號(hào)，表示太陽電池或太陽電池組件，也可用在檢測或控制電路中。

圖5--多種規(guī)格的光電二極管（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

由于光伏電池輸出電流相對于光照強(qiáng)度有好的線性，特別是短路電流，采用運(yùn)算放大器可以把短路電流變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓D6右圖是光電二極管電流電壓轉(zhuǎn)換電路，通過對輸出電壓的檢測就可以得到光照強(qiáng)度。有關(guān)運(yùn)算放大器的工作原理這里不介紹了，請另找參考資料。

圖6--光電二極管電流電壓轉(zhuǎn)換電路

在太陽能設(shè)備跟蹤系統(tǒng)中常用4象限光電池對太陽方位進(jìn)行檢測，圖7是不同外形與規(guī)格的4象限光電池。

圖7--4象限光電池（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

4象限光電池一般是圓形光伏電池片構(gòu)成，圓形光伏電池片被分割成4個(gè)獨(dú)立的扇形，圖8左圖是電池片結(jié)構(gòu)，D1、D2、D3、D4是4個(gè)獨(dú)立的光電池。圖8右圖是4個(gè)電池片用4個(gè)運(yùn)算放大器分別進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換的電路示意圖。

有一些4象限光電池器件附帶放大器，把4個(gè)電池片的電流分別轉(zhuǎn)換成電壓輸出，使用非常方便。圖9就是這種4象限光電池器件的照片，稱為4象限帶前放探測器。

圖8--4象限光電池片與放大器

圖9--4象限帶前放探測器（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤

Maximum Power Point Tracking （MPPT）

本課件介紹太陽能光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤控制MPPT(Maximum Power Point Tracker)。最大功率點(diǎn)跟蹤可進(jìn)一步提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率,充分利用光伏陣列轉(zhuǎn)換的能量。

太陽能電池的伏安特性分析

為什么要進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，要從太陽能電池的伏安特性說起，下面以某品牌高效硅太陽能電池組件為例進(jìn)行介紹，圖1是該組件在光照強(qiáng)度（輻照度）為800W/m2，電池溫度為25度時(shí)的特性曲線，圖中紅色實(shí)線是伏安特性曲線，紅色虛線是電壓功率曲線。在“硅太陽能電池工作原理”一節(jié)已介紹過，電池組件的輸出功率隨電壓的變化曲線按電壓功率曲線變化，在輸出電壓為Um，輸出電流為Im時(shí)，輸出功率最大，此點(diǎn)稱為太陽能電池的最大功率點(diǎn)。

圖1--光伏電池伏安特性曲線與電壓功率曲線

圖1僅是光照強(qiáng)度為800W/m2，電池溫度為25度時(shí)的特性曲線，但光照強(qiáng)度與溫度發(fā)生變化時(shí)曲線會(huì)發(fā)生變化。圖2是該電池組件在電池溫度為25度時(shí)在不同日照強(qiáng)度下的伏安特性曲線與電壓功率曲線。圖中黃色實(shí)線是光照強(qiáng)度為1000W/m2時(shí)的伏安特性曲線，黃色虛線是光照強(qiáng)度為1000W/m2時(shí)的電壓功率曲線，此時(shí)最大功率輸出為320W，在伏安特性曲線上的小圓點(diǎn)是最大功率點(diǎn)。

圖2--不同輻照下的伏安特性曲線與電壓功率曲線

在圖2中還有幾組不同光照強(qiáng)度的曲線，例如光照強(qiáng)度為400W/m2時(shí)最大功率輸出為125W。

總的特點(diǎn)是當(dāng)光照強(qiáng)度增加時(shí)，太陽能電池的開路電壓變化不大，短路電流增加，最大輸出功率增加。

圖3是該組件在光照強(qiáng)度為1000W/m2時(shí)，不同電池溫度時(shí)的電壓功率曲線。當(dāng)電池溫度為10度時(shí)，其伏安特性曲線如粉紅色實(shí)線所示，電壓功率曲線如粉紅色虛線所示，此時(shí)最大輸出功率為340W；當(dāng)電池溫度為55度時(shí)，其伏安特性曲線如綠色實(shí)線所示，電壓功率曲線如綠色虛線所示，此時(shí)最大輸出功率為280W。

圖3--不同溫度的伏安特性曲線與電壓功率曲線

可見其主要特點(diǎn)是電池溫度增加時(shí)，太陽能電池的開路電壓下降，短路電流稍有增加，最大輸出功率減小。

太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤

最大功率點(diǎn)跟蹤控制MPPT使太陽能電池板能在各種不同的日照和溫度環(huán)境下有效地跟蹤最大功率點(diǎn)，是使用合適的MPPT 控制算法控制電池板盡可能地工作在最大功率點(diǎn)上。本課件只就常用的3種方法的工作原理作簡單介紹。

圖4是太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤控制主要組成框圖，主要通過采集電池陣列的輸出電壓與電流，根據(jù)相應(yīng)控制算法，調(diào)整變換器的輸出來改變電池陣列的輸出電壓，達(dá)到對最大功率點(diǎn)的跟蹤。變換器輸出端的電壓與電流檢測用于計(jì)算機(jī)對輸出控制的參考。

圖4--最大功率點(diǎn)跟蹤控制主要組成框圖

恒電壓跟蹤C(jī)VT(Constant Voltage Tracker )

在圖2中可看到，當(dāng)溫度一定時(shí)，各曲線的最大功率點(diǎn)基本在一根垂直線上，只要找到這條垂直線，確定電壓值Um，通過對負(fù)載的控制使電池板輸出維持在Um，就可以保證電池板在大多數(shù)光照條件下工作在最大功率點(diǎn)。

CVT方法具有控制簡單,可靠性高,穩(wěn)定性好，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，由于這種跟蹤方式忽略了溫度對太陽能電池開路電壓的影響。以單晶硅太陽能電池為例，當(dāng)環(huán)境溫度每升高1 ℃時(shí)，其開路電壓下降率為0.35%～0.45%，對于四季溫差或日溫差比較大的地區(qū)，該方式不能在所有的溫度環(huán)境下跟蹤最大功率。

CVT方法的優(yōu)點(diǎn)：控制方法簡單、穩(wěn)定性較高、易于實(shí)現(xiàn)。

CVT方法的缺點(diǎn)：由于沒有考慮太陽能電池溫度對開路電壓的影響，當(dāng)電池溫度變化較大時(shí)能量損失較大。

CVT方法只是一種近似的最大功率跟蹤方法，實(shí)用在環(huán)境溫度變化不大、日照穩(wěn)定的地區(qū)的小型光伏系統(tǒng)。

一個(gè)簡單簡單的方法，可在電池板附近設(shè)置環(huán)境溫度檢測，根據(jù)環(huán)境溫度值與經(jīng)驗(yàn)來修正Um值，可在一定程度上彌補(bǔ)溫度變化帶來的功率損失。

擾動(dòng)觀察法（Perturbation and Observation method）

擾動(dòng)觀察法也稱為登山法，是一個(gè)自然尋優(yōu)過程，目前應(yīng)用較多。其原理是在光伏陣列正常工作時(shí)，每隔一定的時(shí)間用較小的步長改變太陽能電池的輸出電壓，方向可以是增加也可以是減少，并檢測功率變化方向，來確定尋優(yōu)方向，如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一周期的方向繼續(xù)“干擾”，如果輸出功率減小，就改變其擾動(dòng)方向，如此不停地周而復(fù)始,使太陽能電池板動(dòng)態(tài)地工作在最大功率點(diǎn)的附近。

顯然系統(tǒng)工作點(diǎn)無法穩(wěn)定運(yùn)行在最大功率點(diǎn)上，只能在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，而振蕩的幅值則由步長決定。若擾動(dòng)步長過大，跟蹤的速度快，但在最大功率點(diǎn)附近的振蕩幅度比較大，可能造成較大功率損失；若步長過小，功率損失會(huì)小些，但跟蹤的速度會(huì)慢，系統(tǒng)的響應(yīng)速度降低。當(dāng)日照隨時(shí)間變化不快時(shí)，此算法是非常有效；當(dāng)光強(qiáng)發(fā)生突變時(shí)，可能得到錯(cuò)誤的跟蹤方向。如果步長太小時(shí)會(huì)難以引起功率變化，無法判別尋優(yōu)方向。

擾動(dòng)觀察法的優(yōu)點(diǎn)：原理簡單，測量參數(shù)少，轉(zhuǎn)換效率高，硬件實(shí)現(xiàn)較為方便。

擾動(dòng)觀察法的缺點(diǎn)：步長對控制精度和速度影響較大，系統(tǒng)工作點(diǎn)無法穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)上，會(huì)導(dǎo)致部分功率損失；對外界環(huán)境變化的響應(yīng)能力較差，故只適用于光強(qiáng)變化小的環(huán)境。

改進(jìn)方法是在系統(tǒng)起動(dòng)初期，或擾動(dòng)引起的功率變化太小時(shí)可加大擾動(dòng)步長，以盡快找到尋優(yōu)方向，待系統(tǒng)穩(wěn)定后再減小步長。這樣可減小功率的損失。

電導(dǎo)增量法（Incremental ConductanceMethod）

電導(dǎo)增量法是通過比較太陽能電池的瞬時(shí)電導(dǎo)和電導(dǎo)的變化量來計(jì)算最大功率點(diǎn)的方法，目前應(yīng)用也較多，其原理如下。

在圖5中有一條太陽能電池板的電壓功率曲線，曲線上有3個(gè)點(diǎn)，在曲線最頂處是最大功率點(diǎn)，對應(yīng)電壓為Um，根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)，在最大功率點(diǎn)曲線的斜率為零，也就是dp/du=0；在電池板輸出電壓大于Um時(shí)，曲線的斜率為負(fù)，dp/du＜0，如右側(cè)點(diǎn)；在電池板輸出電壓小于Um時(shí)，曲線的斜率為正，dp/du＞0，如左側(cè)點(diǎn)。

圖5--太陽能電池的最大功率點(diǎn)

于是可以通過判斷dp/du的值來判斷電池板的工作點(diǎn)位置。

計(jì)算的主要流程見圖6，當(dāng)前時(shí)刻t的電壓為Ut，電流為It；上次計(jì)算后進(jìn)行控制的電壓為Ut-1，電流為It-1；ΔU是電壓修正的步長，Utk為當(dāng)前計(jì)算后應(yīng)控制的電壓。

首先判斷dU與dI是否同時(shí)為0，同時(shí)為0則表示已工作在最大功率點(diǎn)，保持Utk值仍為Ut-1值；如果dU=0，dI≠0，則通過判斷dI的正負(fù)來修正Ut-1值為Utk值；如果dU=0，則根據(jù)dI/dU與-I/U之間的大小關(guān)系來修正Ut-1值為Utk值。

圖6--電導(dǎo)增量法計(jì)算處理框圖

電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)：在光照和溫度變化時(shí)，太陽能電池陣列的輸出電壓能平穩(wěn)地追隨環(huán)境變化，使太陽能光伏陣列最后穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近的某個(gè)點(diǎn)，而不是來回的跳動(dòng)，電壓波動(dòng)較擾動(dòng)觀察法小，控制精確，響應(yīng)速度較快。

電導(dǎo)增量法的缺點(diǎn)：對硬件的要求特別是對傳感器的精度要求比較高，整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)較高。

以上介紹了最大功率點(diǎn)跟蹤控制常用算法恒定電壓法、電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)觀測法的原理，除此之外還有基于擾動(dòng)觀測法的改進(jìn)自適應(yīng)算法、利用數(shù)學(xué)模型或查表方法確定最大功率點(diǎn)的方法等等，本課件就不一一介紹了，有興趣的網(wǎng)友請另參考資料。

固定安裝式太陽電池陣列

Fixed-Mounted Solar Array

太陽能電池的固定安裝

大多數(shù)太陽電池采用固定安裝，為了獲得較強(qiáng)的太陽光輻射，由電池組件組成的電池板應(yīng)向南方傾斜（北半球），用支架支撐固定，與地面角度為本地緯度值最好，對于在屋頂安裝，也要盡量滿足這個(gè)要求。

圖1是常用的地面安裝固定方式示意圖，采用雙排立柱（支架）固定電池板。

圖1--雙排立柱固定安裝太陽電池組件

圖2是采用單排立柱（支架）固定電池板（為顯示支架結(jié)構(gòu)，電池組件以半透明顯示）。

圖2--采用單排立柱固定電池板

圖3是采用三角形支架固定電池板。

圖3--采用三角形支架固定電池板

固定安裝費(fèi)用少，結(jié)實(shí)可靠，圖4是網(wǎng)絡(luò)上的大型太陽電池方陣照片，是由許多固定安裝的太陽能電池陣列組成。

圖4--大型太陽電池方陣

太陽能光伏電站往往由多塊電池陣列組成，陣列間的距離對電站的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率有較大的影響，如安裝不妥，后排的太陽光將被前排遮擋。與陣列間距密切相關(guān)的是太陽高度角。太陽高度角是指對于地球上的某個(gè)地點(diǎn)在某一時(shí)刻太陽光的入射方向線和地平面之間的夾角；太陽方位角是陽光的入射方向線在地面的投影線與南北方向線間的夾角。

圖5是計(jì)算太陽能電池板間距的示意圖，L為電池陣列的高度，其南北方向影子的長度為Ls（到后面陣列的距離）。一般來說，為使太陽電池輸出功率不受影響，應(yīng)保證在影子最長的冬至日，從午前9:00 至午后15: 00，前板的影子不會(huì)遮擋后板。冬至?xí)r太陽能電池板安裝地點(diǎn)在9時(shí)或15時(shí)的太陽高度角h與太陽方位角α可通過計(jì)算得到，由于計(jì)算較復(fù)雜，這里不做介紹。可以查閱“冬至太陽位置圖表（請另找資料）”得到。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可計(jì)算出影子的倍率R:

式中:

R——— 影子倍率 L——— 陣列高度

Ls——— 影子長度 h——— 太陽高度角

α——— 太陽方位角 e-——組件最低點(diǎn)與地面距離，不宜低于0.3m

圖5--太陽能電池板間距計(jì)算圖

根據(jù)上式

LS = L·ctgh·cosα

即可計(jì)算出間距Ls。下表為計(jì)算出的間距（影子倍率）供大家參考。

太陽能電池在建筑物上安裝

一般住宅可把太陽能電池板固定安裝在朝陽面的屋頂，見圖6。

圖6--安裝在屋頂?shù)奶柲茈姵匕?/em>

大面積的平頂建筑物非常適宜鋪裝太陽能電池板，在緯度較低的地區(qū)可直接平鋪，見圖7。

圖7--平鋪在屋頂?shù)奶柲茈姵匕澹ㄕ掌瑏碜跃W(wǎng)絡(luò)）

在緯度較高的地區(qū)的平頂建筑物宜將太陽能電池板向南傾斜安裝，見圖8。

圖8--在平屋頂上傾斜安裝的太陽能電池板

在緯度較高的地區(qū)，可在朝南（北半球）墻面安裝太陽能電池板，見圖9。

圖9--在垂直墻面安裝的太陽能電池板

把薄膜太陽能電池夾在玻璃板中間制作成光伏幕墻，把幕墻安裝在建筑物外表，這樣的建筑物稱為光伏建筑，是目前所有利用太陽能的方式中最重要、最理想、最具應(yīng)用前景的技術(shù)之一。圖10為光伏幕墻建筑。

圖10--光伏幕墻建筑

安裝太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)的基本條件

對于家用或小型太陽能發(fā)電裝置主要根據(jù)需要并參考當(dāng)?shù)靥柕妮椪諚l件進(jìn)行建設(shè)，但對較大的光伏電站，要考慮的條件就較多了。

日照條件

太陽能系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅要考慮直射到電池板太陽輻射強(qiáng)度值，也需要年平均太陽輻射總能量值（MJ/m2a）與年日照時(shí)數(shù)（h），這是考慮太陽能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益的主要參考值。我國將太陽能資源分為4個(gè)等級(jí)，見下表。

中國的太陽能資源較豐富，有三分之二以上地區(qū)的年太陽輻照量超過5000MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)在2200h（小時(shí)）以上。

環(huán)境條件

可提供的場地，包括屋頂、墻面，保證光伏電站所需的空間與安裝條件。對于并網(wǎng)型光伏電站還要考慮與輸電線路的距離（包括變電站）。

氣象條件

1. 溫度：太陽能電池具有較大的溫度系數(shù)，較大的光伏電站采用較多組件并串輸出高達(dá)數(shù)百伏的電壓，對于一個(gè)輸出800V的電池陣列，當(dāng)溫度從常溫降至-20度時(shí)開路電壓降增加15%，將增加120V左右，輸出功率也增加許多，在最大功率點(diǎn)跟蹤與逆變器容量方面要充分考慮溫度的變化。溫度升高時(shí)電池板的散熱也是問題，散熱不好會(huì)使輸出功率進(jìn)一步減少。

2、風(fēng)速：根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速、風(fēng)向計(jì)算風(fēng)壓，風(fēng)壓值將直接影響電池板支架與基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與安裝。

3、降水與降雪：組件下沿的高度一定要高于最大積雪深度，不然可能存在組件被埋在雪里的可能；積雪深度還用來計(jì)算雪壓值。

冰雹多發(fā)區(qū)要考慮電池板的承受能力。

干旱地區(qū)蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，水源多來自水井，需開挖深水井，還可能是有腐蝕性的堿性水，這對清洗板子都成問題。

4、惡劣天氣：進(jìn)行避雷方案設(shè)計(jì)時(shí)需參考多年平均雷暴日數(shù)；多年平均沙塵暴日數(shù)、多年平均揚(yáng)沙日數(shù)決定光伏電站的清洗頻率；灰塵遮擋與多年平均霾日數(shù)也是造成系統(tǒng)效率損失的重要參考值。

5、凍土深度：在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，電池板支架基礎(chǔ)的深度要在凍土層以下，以保證支架基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

ID:161630 · 發(fā)表于 2017-1-13 16:11

哪種光電探測器的輸出電壓和面積成正比？普通的太陽能板似乎電壓和被照射到的發(fā)電單元數(shù)目成正比

ID:163098 · 發(fā)表于 2017-1-29 21:39

很詳細(xì)，不知道太陽能電池板成本高不高

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太陽能電池工作原理