2009年9月 灯与照明 第33卷第3期
太阳能电池工作原理简介
张 帅
(鲁东大学交通学院,山东烟台264025)
摘 要:当太阳光照射p-n结时,在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子,相应地便产生了电
子——空穴对,并在势垒电场的作用下,电子被驱向rt型区,空穴被驱向P型区,从而使rt区有过剩的
电子,P区有过剩的空穴。于是,就在p-n结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。
关键词:太阳能;光伏发电;半导体;电池
IntroductionofSolarCellsWork
ZhangShuai
(CollegeofTransportation,LudongUniversity,Yantai264025,China)
Abstract:Whenthesunlightwhenthep-njunction,inthesemiconductorelectronicaccesstothelightasa
resultofthereleaseofe一,havegivenrisetoacorrespondinge·holepairs.Electricfieldinthebarrierunder,
e—tobeexpelledtothen—typearea,holetobeexpelledtothep-typearea,SOthatthereareexcessne,Pal'-
eaoftheholeexcess.Thus,inthep-njunctionnearthebarrierelectricfieldwithoppositedirectionofthe
photovohaicfield.
Keywords:solarenergy;photovoltaicpowergeneration;semiconductor;battery
O 引言
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直
接把光能转化成电能的装置。
太阳能发电有两种方式,一种是光一热一电转换
方式,另一种是光一电直接转换方式。其中,光一电
直接转换方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转
换成电能,光一电转换的基本装置就是太阳能电池。
太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久
性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长,
只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期使
用;与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起
环境污染;太阳能电池可以大中小并举,大到百万千
瓦的中型电站,小到1只供一户用的太阳能电池组,
这是其他电源无法比拟的。笔者将对太阳能电池
光一电转换工作原理进行简单介绍。
1 太阳能光伏发电和太阳能光伏
发电系统运行方式
1.1太阳能光伏发电
通过太阳能电池(又称光伏电池)将太阳辐射能
转换为电能的发电系统称为太阳能电池发电系统(又
称太阳能光伏发电系统)。
太阳能光伏发电是目前
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
上广泛使用的光电
能转换器件。晶体硅太阳能电池,生产工艺技术成
熟,已进人大规模产业化生产。
1.2太阳能光伏发电系统的运行方式
太阳能光伏发电系统的运行方式主要可分为离
网运行和联网运行两大类。
未与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称
为离网太阳能光伏发电系统,又称为独立太阳能光伏
发电系统。而与公共电网相连接的太阳能光伏发电
收稿日期:2009-05-05
基金项目:鲁东大学“大学生科技创新基金立项”(08L011)。
作者简介:张帅(1986一),男,本科,机械设计制造及其自动化专业。E—mail:062814049@163.eom
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2009年9月 灯与照明 第33卷第3期
系统称为联网太阳能光伏发电系统。它是太阳能光
伏发电进入大规模商业化发电阶段,成为电力工业组
成部分之一的重要方向,是当今世界太阳能光伏发电
技术发展的主流趋势。
2 太阳能电池的工作原理
2.1太阳能电池的工作原理基础
太阳能电池的工作原理基础是:半导体P—n结的
光生伏打效应。所谓光生伏打效应,简言之,就是当
物体受到光照时,物体内的电荷分布状态发生变化而
产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光
照射半导体P—n结时,就会在P—n结的两边出现电压,
叫光生电压。使P.n结短路,就会产生电流。
单晶硅的原子是按照一定的规律排列的。硅原
子的外层电子壳层中有4个电子,如图1所示。
图1硅原子结构图
每个原子的外层电子都有固定的位置,并受原子
核的约束。它们在外来能量的激发下,如在太阳光辐
射时,就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子,并同
时在它原来的地方留出一个空位,即半导体物理学中
所谓的“空穴”。由于电子带负电,空穴就
表
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现为带正
电。电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。在
纯净的硅晶体中,自由电子和空穴的数目是相等的。
如果在晶体硅中掺人能够俘获电子的硼、铝、镓或铟
等杂质元素,那么它就成为空穴型半导体,简称P型
半导体。如果有硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷
或锑等杂质元素,那么它就成了电子型的半导体,简
称n型半导体。若把这两种半导体结合在一起,由于
电子和空穴的扩散,在交界面处便会形成p-n结,并在
结的两边形成内建电场,又称势垒电场。由于此处电
阻特别高,所以也称为阻挡层。当太阳光照射p-n结
时,在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子,
相应地便产生了电子——空穴对,并在势垒电场的作
用下,电子被驱向凡型区,空穴被驱向P型区,从而使
n区有过剩的电子,P区有过剩的空穴;于是,就在p-n
·50.
结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场,如
下图2所示。
p型层 结区域 n型层
图2太阳能电池能级图
光生电场的一部分抵消势垒电场,其余部分使P
型区带正电,n型区带负电;于是,就使得在n区与P
区之间的薄层产生了电动势,即光生伏打电动势。接
通电路时便有电能输出。这就是P.凡结接触型单晶硅
太阳能电池发电的基本原理。若把几十个、数百个太
阳能电池单体串联、并连起来,组成太阳能电池组体,
在太阳光的照射下,便可获得相当可观的输出功率的
电能。
2.2太阳能电池的基本电学性能
(1)太阳能电池的极性
太阳能电池一般组成P+/n型结构或n+/p型结
构。其中,第一个符号,即P+和n+,表示太阳能电池
正面光照层电导体材料的导电类型;第二符号,即佗
和P,表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电
类型。
太阳能电池的电性能与制造电池所用的半导体
材料的特性有关。在太阳光照射时,太阳能电池输出
电压的极性,P型一侧电极为正,n型一侧电极为负。
当太阳能电池作为电源与外电路连接时,太阳能
电池在正向状态下工作。
(2)太阳能电池的电流一电压特性
理想的p-n结特性曲线方程为:
厶=厶c—Io(e∥觚∥一1) (1)
式中,o——太阳能电池在无光照射时的饱和电流;
q——电子电荷;
%——理尔兹曼常数;
A——常数因子(正偏压大时A=1,正偏压小
时A=2)。
当乇=0时,电压U即为睨,可用下式表示:
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%。=等n(等+1) (2)
根据以上两式作图,就可得到太阳能电池的电
流一电压关系曲线。这个曲线简称为厶U曲线或伏
安曲线,如图3所示。
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。 ,
‘\. //h一—_, ,
, ;∥%二≮. 。‘,--—J■__,
;k
图3太阳能电池的,-£,关系图
n~未受光照;6~受光照
0为最大负载电流,‰为最大负载电压。在此
负载条件下,太阳能电池输出功率最大,在电流一电
压坐标系中对应的这一点,称为最大功率点;对应的
负载,称为最大负载。
评价太阳能电池的输出特性,还有一个重要参
数,叫做填充因子(邪)。它与开路电压短路电流和
负载电压、负载电流的系数关系为:
的最大输出功率与照射到电池上的入射光的功率之
比。与它的结构、结特性、材料性质、电池的工作温
度、放射性粒子辐射损坏和环境变化有关。目前硅
太阳能电池的理想转换效率的上限值为33%左右;
商品单晶硅太阳能电池的转换效率一般为12%一
15%,高效单晶硅太阳能电池的转换效率为
18%一20%。
3.2太阳能电池的光谱响应
太阳能电池的光谱响应,与太阳能电池的结构、
材料性能、结深、表面光学特性等因素有关,并且它还
随环境温度、电池厚度和辐射损伤而变化。
4 小结
照射在地球上的太阳能非常巨大,在大约40rain
内照射在地球上的太阳能,便足以供全球人类一年的
能量消费。可以说,太阳能是真正取之不尽,用之不
竭的能源。而且太阳能发电绝对干净,不产生公害。
所以太阳能发电被誉为最理想的能源。从太阳能获
得电力,需通过太阳能电池进行光电变换来实现。因
此,太阳能电池的研究改进将给人来带来无穷的绿色
能源。
FF=生Uoc&lsc (3) 参考文献:
3 太阳能电池的光电转换效率及
其光谱响应
3.1太阳能电池的光电转换效率
太阳能电池的光电转换效率指的是太阳能电池
[1]吴光荣,章剑雄.基于ZigBee技术的无线智能照明系统
[J].现代电子技术,2008(14)
[2]来自飞思卡尔半导体的ZigBee技术[J].电子产品世界,
2004(19)
[3]伍谷.期待新能源[J].汽车实用技术,2005(04)’
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万方数据
太阳能电池工作原理简介
作者: 张帅, Zhang Shuai
作者单位: 鲁东大学交通学院,山东烟台,264025
刊名: 灯与照明
英文刊名: LIGHT & LIGHTING
年,卷(期): 2009,33(3)
参考文献(3条)
1.伍谷 期待新能源 2005(04)
2.来自飞思卡尔半导体的ZigBee技术[期刊
论文
政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载
]-电子产品世界 2004(19)
3.吴光荣;章剑雄 基于ZigBee技术的无线智能照明系统[期刊论文]-现代电子技术 2008(14)
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