模塊七光伏電池性能

光伏電池原理新能源系列課程——《光伏理化基礎》光伏電池原理光伏電池性能表征光伏電池效率影響因素光伏電池原理（1）光伏電池的結(jié)構(gòu)正電極鋁背場負電極主柵線負電極子柵線光伏電池原理PN結(jié)（2）太陽電池的發(fā)電原理——光生伏特效應

當照射在PN結(jié)上的光子能量大于半導體禁帶寬度Eg時，價帶頂?shù)碾娮訒S遷到導帶底，在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下，電子向N型半導體遷移，空穴向P

型半導體遷移，從而實現(xiàn)電子-空穴的分離，產(chǎn)生電動勢。PNIph上電極下電極光生電動勢U光伏電池原理（2）光生伏特效應光照射PN結(jié)光生電子空穴對P區(qū)的電子移向N區(qū)，N區(qū)的空穴移向P區(qū)光生電勢差光生電流光伏電池原理分離的結(jié)果：

①光生電流IL

—電流的方向：N→P。②光生電動勢V—P區(qū)為正，N區(qū)為負。③正向電流IF—正向電流的方向：P→N。光伏電池原理②光生電動勢V—在N區(qū)邊界將積累電子，在P區(qū)邊界積累空穴，產(chǎn)生了一個與平衡PN結(jié)內(nèi)建電場相反的光生電場，其方向相當于外接正向偏壓，即P區(qū)接正，N區(qū)接負。若內(nèi)建電場電勢差為VD，光生電勢為V，則空間電荷區(qū)的勢壘高低降低e(VD-V)。

③正向電流IF—由于光照使得PN結(jié)兩端形成的光生電動勢也相當于在PN結(jié)兩端加上了一個正向電壓（P區(qū)接正，N區(qū)接負），因此有了正向電流IF；該正向電流的方向：P→N，與光生電流方向相反，會抵消部分PN結(jié)產(chǎn)生的光生電流使得提供給外電路的電流減小，所以又把正向電流稱為暗電流。光伏電池原理光伏電池性能表征光伏電池性能表征光生電動勢——P正N負，相當于在PN結(jié)上加上正向電壓。光生電流IL——N→P正向電流IF——P→N太陽電池的模型PNIL上電極下電極光生電動勢UIF在入射光的作用下，產(chǎn)生光生電壓為U、光生電流為IL。在PN結(jié)兩端通過負載RL構(gòu)成的回路及等效電路為太陽電池的模型光伏電池性能表征在入射光的作用下，產(chǎn)生光生電壓為U、光生電流為IL。在PN結(jié)兩端通過負載RL構(gòu)成的回路及等效電路為太陽電池的模型光伏電池性能表征①如果將PN結(jié)兩端通過負載構(gòu)成閉合回路時，就會有電流沿著由P經(jīng)外電路到N的方向流動。只要輻射光不停止，這個電流就不會消失，PN結(jié)起到電源的作用。外電路的電流I為：光伏電池性能表征太陽電池的模型②在PN結(jié)開路的情況下，PN結(jié)兩端建立了穩(wěn)定的電勢差Voc（open-circuitVoltage），這就是太陽能電池的開路電壓，此時外電路電流I=0，因此光生電流和正向電流的關系是：光伏電池性能表征太陽電池的模型IL=IF③將PN結(jié)短路，此時外電路的電流為Isc（short-circuitcurrent），該電流稱為短路光電流。如圖所示，外電路短路外電路V=0，IF=0光伏電池性能表征太陽電池的模型測試溫度：25±2℃大氣質(zhì)量：AM1.5光源輻照度：1000W/m2

；是標準測試太陽能電池的光線入射強度。光伏電池性能表征1.標準測試條件

有光照條件下，相當于一個電源，當電流最大時，電壓為0；電壓最大時，電流為0。如左圖中曲線2所示，與V軸有交點，與I軸也有交點。1-無光照2-有光照2.伏安(I-V)特性曲線

無光照條件下，太陽能電池相當于普通的二極管。如左圖曲線1所示，隨著正向偏壓的增大，電流增大。光伏電池性能表征在一定的溫度和輻照條件下，太陽電池在端電壓為零時的輸出電流，通常用Isc來表示。Isc與太陽電池的面積大小有關，面積越大，Isc越大。一般1cm2的太陽電池Isc值約為16~30mA。Isc與入射光的輻照度成正比。Isc隨溫度上升略有增加。光伏電池性能表征3.短路電流

在一定的溫度和輻照度條件下，太陽電池在空載(開路)情況下的端電壓，通常用Voc來表示。通常單晶硅太陽電池的開路電壓約為450-600mV，最高可達690mV。太陽電池的開路電壓與電池面積大小無關；

Voc隨著輻照度增加先增大后趨于平緩；

Voc隨著溫度的增加則略有降低。

光伏電池性能表征4.開路電壓輻照度開路電壓在太陽電池的伏安特性曲線上對應最大功率的點，又稱最佳工作點。最大功率用Pm表示。太陽電池伏安特性曲線上最大功率點所對應的電壓。通常用Vm表示。太陽電池伏安特性曲線上最大功率點所對應的電流。通常用Im表示光伏電池性能表征5.最大功率點6.最佳工作電壓7.最佳工作電流太陽電池的最大功率與開路電壓和短路電流乘積之比，通常用FF表示：

FF=ImVm/IscVoc

IscVoc是太陽電池的極限輸出功率

ImVm是太陽電池的最大輸出功率填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。

光伏電池性能表征8.填充因子受光照太陽電池的最大功率與入射到該太陽電池上的全部輻射功率的百分比。

η=VmIm/Pin

或η=FF*Isc*Voc/Pin其中Vm和Im分別為最大輸出功率點的電壓和電流，Pin為太陽光輸入功率。光伏電池性能表征9.光電轉(zhuǎn)換效率思考：Voc和Isc隨輻射光強度的變化？

由圖可知，短路電流和開路電壓是太陽能光電池的重要參數(shù)，并隨著光強度的增加而增加，如左圖所示，隨著光強度的增加，短路電流I呈線性增長，而開路電壓V呈對數(shù)上升，并逐漸達到最大值。光伏電池性能表征Voc和Isc隨光強度變化圖光伏電池效率影響因素吸收限越靠近長波，說明材料的禁帶寬度越小；材料與太陽光譜越匹配，半導體能吸收更多的能量，產(chǎn)生更多的電子-空穴對，因而光生電流和短路電流Isc增加。禁帶寬度越小，載流子容易復合，反向飽和電流增加，從而降低Voc。光伏電池效率影響因素（1）禁帶寬度的影響（2）

溫度的影響溫度升高，本征載流子濃度增加，載流子的復合也會加劇，從而導致暗飽和電流提高、開路電壓Voc下降。光伏電池接受的能量提高，能產(chǎn)生更多載流子，因此Isc略微增大。思考：在我國西北地區(qū)夏季的早晨，為什么光伏電站容易出現(xiàn)電壓過高呢？光伏電池效率影響因素本征載流子（3）

少子壽命和擴散長度的影響少數(shù)載流子壽命是影響太陽電池效率非常重要的因素，它的增加使得光照產(chǎn)生的非平衡載流子存在時間更長，擴散長度增大，載流子復合幾率減小，暗飽和電流減小，有利于提高Voc、Isc、FF和h。光伏電池效率影響因素少子壽命測試儀（4）

寄生電阻的影響并聯(lián)電阻是p-n結(jié)漏電流引起，包括繞過電池邊緣的漏電流及由于結(jié)區(qū)存在晶體缺陷和外來雜質(zhì)的沉淀物所引起的內(nèi)部漏電。Rs=rm+rc1+rt+rb+rc2rm：上下金屬電極的電阻；

rc1：金屬柵線和前表面間的接觸電阻；

rt：擴散層薄層的電阻

rb：基區(qū)的電阻；

rc2：下電極與半導體的接觸電阻實際的太陽能電池存在著串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻R