設(shè)備環(huán)境考試太陽能電池的結(jié)構(gòu)、原理和特性

4.4 太陽能電池

太陽是一個巨大的能源，每年向地球輻射大量的光能，這種光能可以用光電變換器變換成電能。在兩種光電轉(zhuǎn)換器中，目前己投入實際應(yīng)用的是光生伏特電池，即太陽能電池。近年來，為了提髙太陽能電池的效率，降低成本，研制了硅、砷化稼、硫化鎘等各種太陽能電池，并利用這些電池組成太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

　　4.4.1 太陽能電池的結(jié)構(gòu)、原理和特性

鉛蓄電池、鎘鎳蓄電池都是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，都屬于化學(xué)電池。而太陽能電池屬于物理電池，它利用光電效應(yīng)把太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能。

1.太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)

太陽能電池是依靠PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)，4-11所示。它由PN結(jié)、金屬柵狀上電極、金屬下電極、減反射膜和背反射器等組成。

硅太陽能電池常用P型單晶硅作為基體材料，厚度為200nm.在P型基體的背表面有用鋁制造的背反射器。為了減少器件表面對入射光線的反射，電池的表面覆蓋了一層氧化物作為減反射層，為了輸出光生電壓，電池有上、下電極。上電極是用銀采取光刻工藝制成的柵線，上電極金屬覆蓋面積約占電池總面積的4.75%.下電極用鋁制成。上、下電極與硅片的接觸電阻應(yīng)很低。

2.硅太陽能電池的工作原理

當(dāng)陽光照射半導(dǎo)體時，共價鍵中的電子因獲得足夠的光子能量而擺脫共價鍵的束縛，成為可以自由移動的電子，原來的共價鍵上就留下一個空穴。因此，半導(dǎo)體經(jīng)太陽光的照射后就會產(chǎn)生一些電子一空穴對。

由于熱運動的結(jié)果，使這些非平衡的電子一空穴對進入PN結(jié)的空間電荷區(qū)。受自建電場的作用，電子和空穴向相反的方向運動，使PN結(jié)兩側(cè)出現(xiàn)負(fù)電荷積累，產(chǎn)生與PN結(jié)自建電場方向相反的光生電場，產(chǎn)生了光生電動勢，這就是“光生伏特效應(yīng)”.電池開路時，光生載流子只能積累在PN結(jié)的兩側(cè)，產(chǎn)生光生電動勢，該電動勢稱為開路電壓，用t/oc表示。電池短路時，PN結(jié)附近的光生載流子將形成最大的光生電流，該電流稱為短路電流，用/sc表示。光電池接上負(fù)載后，光電流從P區(qū)經(jīng)過負(fù)載流至W區(qū)，負(fù)載中即得到功率輸出。

光照使PN結(jié)自身電場強度降低，如同一個二極管的PN結(jié)上加了一個正向電壓，因此常把硅太陽能電池等效為一個恒流源和一個理想的二極管相并聯(lián)，其等效電路如圖4-12所示。

從圖4-12中可看出，恒流源產(chǎn)生的光生電流總共有三個通道。

①正向流過PN結(jié)（PN結(jié)構(gòu)成的二極管）的電流在。

②在PN結(jié)沒有完全形成的部分有漏電4-12流I命（在電池內(nèi)部或邊緣會形成某些漏電通道，可將其等效為旁路電阻漏電流與工作電壓成比例）。

③流經(jīng)負(fù)載的電流IR。

隨著電池制造工藝不斷改善，Rsh可做得很大（則Ish忽略不計），如不考慮電池串聯(lián)電阻札的影響，那么，負(fù)載電流應(yīng)當(dāng)是光生電流與結(jié)電流之差，即

　　3.硅太陽能電池的特性

在不同負(fù)載電阻的情況下，受光照時，太陽能電池流入負(fù)載的電流&和電池兩端電壓的關(guān)系曲線稱為太陽電池的伏安特性曲線，如圖4-13所示。曲線拐點A的兩個坐標(biāo)值（Um和Im）為硅太陽能電池的最佳工作電壓和最佳工作電流。

關(guān)于硅太陽能電池的入射光強響應(yīng)特性。開路電壓與入射光強的對數(shù)成正比，顯然，獲得最大輸出功率時，太陽能電池的輸出電壓明顯地受入射光強的影響。

關(guān)于硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。專換效率是指太陽能電池單位面積的最人輸出功率（Pmax）與入射光功率（Pin）的百分比。轉(zhuǎn)換效率是衡量電池好壞的重要參數(shù)。

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