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1、,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。,1.11.2,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）太阳能几乎无处不有，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
2、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。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（如硒铟铜薄膜太阳电池等）,化合物砷化镓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
3、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-,1,1.3,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,硒铟铜,碲化镉,砷化镓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
4、装光伏电池及组件柔性衬底封装光伏电池及组件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
5、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一，19992003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1-1所示。生产规模不断扩大
6、，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50-100MW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1-2所示。20022004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1-1 世界太阳电池历年产量,-3-,3,第1章,导论,图1
7、-2 世界光伏组件生产成本下降趋势表1-2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12：1993-2003年 世界太阳电池组件发货量（MW）,年度日本欧洲美国其它合计,199317.017.021.05.561.4,199416.521.725.6469.44,199516.420.134.756.3577.6,199621.218.88.859.7588.60,199735.030.451.0125.80,199849.033.553.718.7154.9,1999804060.820.5201.30,2000128.660.6674.9723
8、.42287.65,2001171.2286.38100.3232.62390.54,2002251.07135.05120.6055.05561.77,2003365.4202.396.385.7749.7,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13 地面用太阳电池在标准测试条件下的效率表14 地面用光伏组件在标准测试条件下的效率,-5-,5,第1章,导论,表15 地面用聚光太阳电池和组件在标准测试条件下的效率,1.4,中国的太阳能光伏发电,我国从1958年开始研究光伏发电，197
9、1年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星上。于1973年开始地面光伏系统应用。中国自制的光伏航标灯、太阳能灯塔和气象用光伏电源、通讯用光伏电源在七十年代已开始使用，但规模很小，1977年中国光伏产量只有1.1KW,价格高达200元/Wp,光电转换效率为610%。八十年代开始先后引进了一批美国的单晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池生产设备，使得中国的光伏工业开始起步。至1987年，中国光伏产量达到100KW/年,晶体硅太阳电池的价格 已 降 到 4045 元/Wp,光 电 转 换 效 率 达 到 了 812%。九 十年 代 开 始 以 来，全 国 已 形 成5.0MWp/年的生产能力。我国对于太阳电
10、池的研究主要集中在实用型的单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池、砷化镓太阳电池、空间用的硅太阳电池及其系统、锡铟铜及碲化镉化合物薄膜太阳电池和聚光太阳电池及系统。目前我国各种太阳电池的实验室最高效率见表1-6。,-6-,6,2,第1章,导论,表1-6 中国各种太阳电池实验室研究的最高效率,类型单晶硅电池GaAs电池多晶硅电池聚光硅电池CdS/CuxS电池CuInSe2电池CdTe电池多晶硅薄膜电池非晶硅电池二氧化钛纳米有机电池,最高效率（）20.420.114.53(2000年)17128.57713.611.2(单结)11.4（双结）8.67.96.210,面积（cm）2*21*1
11、2*22*2几个mm1*13mm1*1,非活性硅衬底上几个mm几个mm10*1020*2030*301*1,进入21世纪，我国的光伏产业出现了新气象，老的国有企业重组焕发青春，大型上市公司采取多种形式加入，大型民营企业也开始涉足。2002年，国家计委启动了“西部省区无电乡通电计划”，通过光伏和小型风力发电解决西部七省区（西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙、陕西和四川）780个无电乡的用电问题，光伏用量达到16.5MW。这一项目的启动大大刺激了光伏工业，国内建起了几条太阳电池的封装线，使太阳电池的年生产量迅速达到100MWP（2002年当年产量20MWP）。截止2003年底我国太阳电池底累计装机已达到
12、50MWP。较大的生产规模和先进的技术使太阳电池的价格已从2000年的3640元/Wp，降为2003年的30元/Wp。哈尔滨克罗拉太阳能电力公司及深圳拓日太阳能公司等2个工厂生产的非晶硅太阳电池价格为2325元/Wp,光电转换效率为46%。对光伏的产量和价格的预测见表1-6。表1-6 生产能力、产量、价格、系统价格、年产值预测,年度20002003,组件生产能力（MWP）4.580,组件年产量（MWP）2.110,组件价格(元/WP)4230,系统造价(元/WP)8070,系统年产值（亿元）1.687,-7-,7,2,第1章,导论,200520102020,1204002000,5015015
13、00,252016,504030,2560450,太阳电池的效率和成本预测见表1-7。表1-7 太阳电池的效率和成本预测晶体硅太阳电池,年代,效率（）单晶硅多晶硅,成本(元/WP),寿命（年）,2000200520102020,11-1312-1413-1516-20,10-1111-1312-1415-18,25-3018-2215-2012-15,15202530,单结非晶硅太阳电池,年代2000200520102020,效率（）3-54-66-810-12,成本(元/WP)18-2012-1510-128-10,寿命（年）571015,随着光伏产业的发展壮大，光伏器件的效率逐步增加，组件
14、和系统的价格逐步下降，太阳能光伏发电的应用范围愈来愈广，其市场需要也将愈来愈大。附录：中国光伏的生产能力中国太阳电池片主要厂家和生产能力,产品类别单晶硅,厂商名称上海太阳能科技股份有限公司云南半导体器件厂上海国飞-8-,生产能力(MW)101,8,4,1,2,4,2,2,2,2,2,1,2,1,6,第1章,导论,宁波太阳能,多晶硅非晶硅,无锡尚德保定英利哈尔滨克罗拉,253,合计,深圳创益深圳日月环深圳拓日天津津能北京世华中国光伏组件主要厂家2003年生产能力,0.50.50.581053.5,厂商名称云南半导体宁波太阳能无锡尚德上海国飞保定英利深圳能联上海811武汉日新深圳先行深圳珈玮小计合
15、计,2003年生产能力（MW）251610265101.5-9-,厂商名称青海国飞内蒙古国飞西藏华冠西安佳阳深圳创意天津日本京瓷黄山朝阳（在建）山东力诺（在建）广州铨欣照明其他小计,2003年生产能力（MW）0.50.510101.536.59,6,12 2,33g,33cm,-3,4msec-2,6,10-1-2,-1,46 2,-2-1,2,第 2 章 太阳和太阳能第 2 章 太阳和太阳能万物生长靠太阳,太阳对地球来说是唯一永恒的能源。太阳和地球有着密切的关系。地球上已发现的 109 种元素，除 17 种人造元素以外，其余 92 种元素太阳里都有.太阳是距离地球最近的一颗恒星,日地距离为
16、1.49597892x108Km,太阳直径为 1.392 x106Km,是地球的 109 倍;体积比地球大 130 多万倍,太阳平均密度为 1.4g/cm3,即比水的密度大 50%,太阳内部密度约 160g/cm3,因此日心引力比地心引力大 29 倍左右.太阳的物质组成:就质量而言,H占 78.4%;He 占 19.8%;金属和其他元素,总计占 1.8%太阳和地球的物理性质的比较如表 2-1 所列：,表 2-1太阳太阳直径在日地平均距离上太阳的径向角太阳表面积太阳质量太阳体积太阳平均密度表面加速度冠温度光球表面温度（相对于黑体辐射）阳光辐射率太阳表面抛物线速度太阳自转周期太阳视差太阳成分（按重
17、量）氢氦重元素惯性矩太阳常数值,太阳和地球的物理性质1.391961032 246.09310 kw1.98910（克）1.41522101.400gem2.73951010 K5762K61510 ergs cm617Kms24.65 天S.8075%24.25%0.75%6.010 kgm1.950.02021cm min或 1370w/m10,6,27,27 3,3,-2,8,14 2,12,11,37 2,-1,-1,-1,第 2 章 太阳和太阳能,能量产生率表面逸出速度二、地球地球赤道直径地球极间直径地球质量地球体积地球平均直径表面加速度（标准值）扁平度地球轨道偏心度海平面平均压力平
18、均日地距离地球平均半径地球表面积远日点距离近日点距离绕转轴惯量矩地球表面逸出速度赤道旋转速度公转轨道平均速度,3.9010 W618Km/S6370.17Km6356.79Km5.97710 g1.083210 cm5.517g/cm980.665cms0.0033520.01673101.325KPB1.49598510 Km6371Km5.10110 m1.47110 m1152110 m8.0410 kgm11.2Kms465ms29.7 Kms,为了利用太阳能发电，必须首先了解太阳，包括太阳的结构，太阳与地球相对运动的规律，太阳辐射的性质等等。2.1 太阳的结构太阳的结构还远远没有弄清
19、。光谱分析表明，一般认为太阳由里向外可分为如图 2-1所示的 6 个区域.图 2-1 给出了太阳结构示意图,1、太阳核,其中进行着激烈的热核反应并产生 90%的能量，以对流和辐射的方式,向外放出能量。11,-4 3,-6 3,第 2 章 太阳和太阳能,2、吸收层,从太阳核以外到约 0.7 倍太阳直径处称为吸收层，也称为方式活动,层，热核反应产生的大量氢离子在这里被吸收。,3、对流层区进行。4、光球层,从吸收层以外至 1 倍太阳直径处称为对流层。大量的对流热传导在该对流层以外 500Km 以内，有大量低电离的 H 原子，是肉眼所见的太阳,表面，其亮度相对于 6000K 的黑体辐射。这是非常重要的
20、一层，太阳的绝大部分辐射从光球发射出去，而且还有对地球影响很大的黑子和耀斑在当中活动。5、色球层，色球层厚约 10000-15000Km，大部分由低压氦气、氢气以及少量离子组成。称为太阳的大气层，温度约为 5000K，密度为 10 g/cm。6、日冕，色球球外即是伸入太空的银白色日冕，它是由各种微粒构成的。包括一部分太阳尘埃质点，电离粒子和电子。密度为 10 g/cm，温度高达 100 多万度，有时日冕能向太空伸展几万公里，形成太阳风。打击到地球大气层上，产生盐暴或极光，影响地球磁场和通讯。图 2-1 太阳结构示意图12,6 6,),1,16 9,第 2 章 太阳和太阳能2.2 太阳与地球相对
21、运动的规律1 地球绕太阳运动椭圆轨道称为黄道，在黄道平面内，长轴 15210 Km短轴 14710 Km.a）赤黄角，地轴与黄道平面的夹角称赤黄交角，数值为 23.45。b）角速度，地轴相对太阳的转动速度不一样，对北半球夏天快、冬天慢，对南半球、夏慢、冬快。c）南北回归线与夏至、冬至日：北半球夏至日（6 月 21 日）时，南半球恰好为冬至日，太阳直射北纬 23.5的天顶。因而称北纬 23.5N 纬度圈为北回归线。北半球冬至日即为南半球夏至日，太阳直射南纬23.5，因而称南纬 23.5S 为南回归线。d）春分与秋分日，春分（3 月 21 日）与秋分（9 月 23 日），太阳恰好直射地球的赤道平面
22、。2、赤纬角的变化与赤道平面平行的平面与地球的交线称为地球的纬度。太阳中心和地心的联线与赤道平面的夹角称为纬角。赤纬角的日变化可以用如下近似公式表达：,=23.45o Sin(360,284+n365,式中 n 为天数。一年中从 0 与 23.45之间变化。2.3 太阳辐射的性质,太阳辐射的来源,太阳辐射来源于在高温高压下进行的热核反应.太阳辐射能的,计算是一个非常重要的计算，因为各地太阳能资源不一样，需要利用实测值来作为计算的依据。目前世界上计算太阳辐射能的方法很多，现在通用性较强的方法是依靠计算机，可以很快得出到达任意倾面的太阳辐射能。主要考虑以下方面：1、利用球面三角公式求出每天日出日落
23、时间和任意时刻太阳高度角，方位角。2、将到达水平面上的太阳辐射能分为直接辐射和水平辐射二部分。3、将到达任意倾斜面的太阳辐射分成直接辐射、散射辐射和地面反射三部分据计算，太阳每秒释放 3.910 W，按现有的核反应速率计算，太阳的寿命仍有 510 年。真可谓取之不尽，用之不竭。,2,地球表面上的太阳辐射光谱,太阳是以光辐射的方式将能量输送到地球表面上的，因此，了解太阳光的光谱是很必要的。由于有地球大气层的存在，到达地面的太阳光谱与大气上界的太阳光谱有所不同，阳光穿过地球大气层时，至少衰减了 30%。造成衰减的原因是：（1）瑞利散射或大气中的分子散射。这种散射对所有波长的太阳光都有衰减作用，但对
24、短波长的光衰减最大；（2）悬浮微粒和灰尘引起的散射；（3）大气，特别是其组成气体氧气、臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。如图 2。2所示。13,2,2,s,2 2,第 2 章 太阳和太阳能阳光穿过地球大气层时被吸收、散射或反射，因而太阳辐照度将被削弱。这种削弱还与太阳辐射穿透大气层的厚度、太阳辐射的方向等有关，通常用大气质量(AM)来表示上述情况。在地球大气层之外，地球-太阳平均距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上的辐射能基本为一常数。这个辐射强度称为太阳常数，或称此辐射为大气质量为零（AM0）的辐射。目前，光伏工作中采用的太阳常数值是 1.353kW/m，这个数值是由装在气球，高空飞机和宇宙飞船
25、上的仪器的测量值加权平均而确定的。阳光能量的精确分布对于太阳电池的工作很重要，因为这些电池对于不同波长的光有不同的反应。太阳在头顶正上方时，路程最短，太阳光线的实际路程和此最短路程之比称为光学大气质量。太阳在头顶正上方时，光学大气质量为 1，这时的辐射称为大气质量为 1(AM1)辐射。当太阳和头顶正上方成一个角度时，大气质量由下式得出：大气质量=1/cos估算大气质量的简易方法是测量高度为 h 的竖直物体投射的阴影长度 s，于是有大气质量=1+(h)在其他大气变量不变的情况下，随着大气质量的增加，到达地球的能量在所有波段都遭到衰减。在阳光的光谱分布中，吸收带附近衰减更为严重。与地球大气层外的情
26、况相反，地面阳光的强度和光谱成分变化都很大。因此为了对不同地点测得的不同太阳电池的性能进行有意义的比较，就必须确定一个地面标准，然后参照这个标准进行测量。（一般采用AM1.5 的分布，即总功率密度为 1KW/m（100mW/cm），即接近地球表面接收到的功率密度的最大值）在给定地点，影响有效日照的因素有纬度，高度，气候类别，主要植被，当地地理特征。最经常使用的数据是水平面上总辐射的日平均值。实际使用的测量仪表有：、天空辐射计、散射辐射计、棒移式总辐射计、直接辐射计、日照时数计表波长(um),图 2-2,太阳能光谱分布14,-2,2,）,第 2 章 太阳和太阳能表 2-1 是地球表面接收到的太阳
27、辐射能按月份变化的规律：,表 2-1,太阳辐射能按月份变化规律,月份日期1.3（冬至）2.13.14.14.4（春分）5.16.17.4（夏至）8.19.110.15（秋分）11.112.1,太阳强度Mwcm139.9139.3137.8135.5135.3133.2131.1130.9131.3132.9135.0135.3137.4139.2,比率（相对 1353Mw/cm）1.03401.02961.01851.00151.0000.98450.97270.96750.97040.98280.99781.0001.01551.0288,比率0.98340.98520.99091.0001
28、.00751.01381.01671.01511.00941.0000.99270.9859,2.4 世界和中国太阳能资源分布情况在世界上，美国西南部，非洲，澳大利亚等地总辐射量或日照时数都最大，在这些地区很多属于第三世界发展中国家，在这些地方利用太阳能发电具有很多优越性。我国地处北半球，土地辽阔，幅员广大，国土总面积达 960 万平方公里。南从北纬 4o的曾母暗沙，北到北纬 52.5o 的漠河，西自东经 73o 的帕米耳高原，东至东经 135o 的黑龙江与乌苏里江汇流处，距离都在 5000 公里以上。在我国广阔富饶的土地上，有着丰富的太阳能资源。全国各地的年太阳辐射总量为 928 2333k
29、Wh/m2，中值为 1626kWh/m2。根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区。一类地区为我国太阳能资源最丰富的地区，年太阳辐射总量 6680-8400 MJ/m2，相当于日辐射量 2。这些地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最为丰富，最高达 2333kWh/m2（日辐射量 6.4KWh/m2，居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。二类地区为我国太阳能资源较丰富地区，年太阳辐射总量为 5850-6680 MJ/m2，相当于日辐射量 2。这些地区包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。三类地
30、区为我国太阳能资源中等类型地区，年太阳辐射总量为 5000-5850 MJ/m2，相当于日辐射量 2。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉15,第 2 章 太阳和太阳能,林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。,四类地区是我国太阳能资源较差地区，年太阳辐射总量 4200-5000 MJ/m2，相当于日辐射量 2。这些地区包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、,陕南、苏北、皖南以及黑龙江、台湾东北部等地。,五类地区主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区，年太阳辐射总量,3350-4200 MJ/m2，相当
31、于日辐射量只有 2。,太阳能辐射数据可以从县级气象台站取得，也可以从国家气象局取得。从气象局取得的数据是水平面的辐射数据，包括：水平面总辐射，水平面直接辐射和水平面散射辐射。从全国来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在 4kWh/m2.天 以上，西藏最高达 7 kWh/m2.天。与同纬度的其它国家相比，和美国类似，比欧洲、日本优越得多。上述一、二、三类地区约占全国总面积的 2/3 以上，年太阳辐射总量高于 5000 MJ/m2，年日照时数大于 2000h，具有利用太阳能的良好条件。特别是一、二类地区，,正是我国人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、边远的广大西北地区，
32、经济发展较为落后。可充分利用当地丰富的太阳能资源，采用太阳光发电技术，发展经济，提高人民生活水平。,图 2-3 中国太阳辐照及分布,16,第三章 太阳电池、组件,第 3 章 太阳电池、组件,太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能；广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源；太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。,通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能直接转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏
33、效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。,太阳电池是把光能转换成电能的一种半导体器件。当阳光照射到太阳电池上，光子所含的能量被太阳电池吸收后，产生光生伏打效应，将太阳电池两极用导线连成回路后，形成光生电流。如图 3.1 所示。目前市场上所用多是硅太阳电池。根据硅晶体结构的不同，太阳电池可分为：单晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池，非晶硅太阳电池，带状硅太阳电池。此外对于晶体硅太阳电池，由于减反膜的厚度不同可以制备成不同颜色的太阳电池。如图 3.2 所示的彩色太阳电池。,图 3.1 太阳电池工作示意图,17,1,exp,n,第三章 太阳电池、组件图 3.2 彩色太阳电池随着地球化石资源的日益消
34、耗和环保意识的深入人心，随着太阳能光伏发电理论研究和新工艺技术研究的深入发展，也随着规模效应带来的成本的持续下降，太阳能光伏发电有望逐渐成为新世纪的主力电源。3.1.半导体 pn 结电流电压特性太阳电池是由电性质不同的N型半导体和P型半导体连接合成的。这两种半导体的界面称作PN结。在pn结上加偏置电压时，由于空间电荷区内没有载流子（又称为耗尽区）形成高阻区，因此，电压几乎全部跨落在空间电荷区上。当外加电压使得p区为正时，势垒高度减小，空穴从p区向n区的移动以及电子从n区向p区的移动变得容易，在两个区内有少数载流子注入，因此电流容易流动（称为正向）。当外加电压使得n区为正时，势垒高度增加，载流子
35、的移动就变得困难，几乎没有电流流过（此时称为反向）。当存在外加电压时，空间电荷区的n区边界和p区边界的空穴浓度pn及电子浓度np如下：,pn=pn0 exp qVn p=n p0 exp qV,kT kT,(3.1),当加正向电压时 V0，加反向电压时 V0。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Jp为,J p=q,D pL p,(p,pn0)=qpn0,D p qV L p kT,(3.2),同样，注入到p区的少数载流子电子的电流密度Jn为18,1,qV,kT,第三章 太阳电池、组件,J n=qn p0,
36、DnLn,qV exp kT 1,(3.3),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+J n=J 0 exp,(3.4),J 0=qpn0,D pL p,+qn p0,DnLn,(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-J0。称J0为饱和电流密度。图 3.3 半导体 pn 结的电流电压特性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
37、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
38、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（Isc），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VOC。可以测得这个值，并称之为开路电压(Voc)。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，并由此可以决定VOC的值。19,2,第三章 太阳电池、组件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，
39、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Iph流过。图 3.4 无光照和有光照时太阳电池电流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Im和电压Vm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Pout=RI m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
40、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：,I sc=0 jsc()d 0.3m,0,jsc()d=0.3m,0,(1 R()qF()()d,(3.6),式中0 本征吸收波长极限；R()半导体器件表面反射率；F()太阳光谱中波长为+d间隔内的光子数。F（）的值很大的程度上依赖于太阳天顶角
41、。作为表示 F（）分布的参数是大气质量 AM20,=12,2,第三章 太阳电池、组件（AirMass）。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,AM=,bb0,sec Z,(3.7),式中：b0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 b0，例如，AM1 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（Antireflecti
42、ve coating）。设半导体、减反射膜、空气的折射率分别为n2、n1、n0，减反射膜厚度为d1，则反射率R为,式中：r1=(n0-n1)/(n0+n1)r2=(n1-n2)/(n1+n2)=2n1d1/波长,R=,r12+r22+2r1r2 cos 21+r12 r22+2r1r2 cos 2,(3.8),显然，减反射膜的厚度d1为 1/4 波长时，R为最小。即 d1=,1 4 n1,时，,Rmin,(n 2 n0 n2)(n1+n0 n2),(3.9),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d1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
43、，这就是开路电压。设I=0（开路），IphISC，则,Voc=,nkTq,ln(I sc I 0)+1,(3.10),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，ISCI0，因此21,ln,第三章 太阳电池、组件,其中 R0=,nkTqI 0,。,Voc=,nkT I Lq I 0,=I L R0,(3.11),在很强的阳光下，ISCI0，,Voc=,nkT I scq I 0,(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
44、 3.5 表示具有代表性的硅和GaAs太阳电池的ISC与Voc之间的关系。用Si与GaAs比较，因为GaAs的禁带宽度宽，故I0值比Si的小几个数量级，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RL，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
45、反的暗电流Ibk，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。其中暗电流等于总面积AT与Jbk乘积，而光电流IL为电池的有22,第三章 太阳电池、组件效受光面积AE与J
46、L的乘积，这时的结电压不等于负载的端电压，由图可见,V j=IRS+V图 3.6 pn 同质结太阳电池等效电路,(3.13),（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 I 和输出电压 V 之间的关系,I=,RShRS+RSh,V I L RSh I bk(V),(3.14),其中暗电流Ibk应为pn结电压Vj的函数，而Vj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VOC，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
47、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,=,Pmax I mpVmpPin 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,FF=,I mpVmpVoc I sc,=,PmVoc I sc,(3.15),填充因子正好是I-V曲线下最大长方形面积与VocIsc乘积之比，所以转换效率可表示为,=,FFVoc I scPin,(3.16),3.3.4 太阳电池的
48、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，设单位时间波长为的光入射到单位面积的光子数为0（），表面反射系数为（），产生的光电流为JL，则光谱响应SR（）定义为,SR()=,J L()q 0()1(),(3.17),其中JLJL|顶层JL|势垒JL|基区。理想吸收材料的光谱响应应该是：当光子能量hEg时，SR1。24,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，
49、如电子、质子、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 38。,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 1C，V
50、OC下降室温值的 0.4%，也因而降低约同样的百分数。例如，一个,25,16 3,17 3，19 3，,第三章 太阳电池、组件,硅电池在 20C时的效率为 20%，当温度升到 120C时，效率仅为 12。又如GaAs电池，温度每升高 1C，VOC降低 1.7mv 或降低 0.2%。,（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 100m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 1s，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
