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太阳能电池的工作原理

发布日期:2017-11-20 16:00:23 【关闭】
摘要:
   太阳电池吸收太阳光就能产生一般电池的功能。但是和传统的电池不一样,传统电池的输出电压和最大输出功率是固定的,而太阳电池的输出电压、 电流,功率则是和光照条件及负载的工作点关。正因如此,要应用太阳电池 来产生电力,必须了解太阳电池的电流-电压关系,及工作原理。
   太阳光的频谱照度:
   太阳电池的能量来源是太阳光,因此入射太阳光的强度(intensity)与频谱 (spectrum)就决定了太阳电池输出的电流与电压。我们知道,物体置放于于阳光下,其接受太阳光有二种形式,一为直接(direct)接受阳光,另一为经过地表其它物体散射后的散射(diffuse)阳光。一般情况下,直接入射光约占太阳电池接受光的80%。因此,我们下面的讨论也以直接着实阳光为主。
   太阳光的强度与频谱,可以用频谱照度(spectrum irradiance)来表达,也就是单位面积单位波长的光照功率(W/㎡um)。而太阳光的强度(W/㎡),则是频谱照度的所有波长之总和。太阳光的频谱照度则和测量的位置与太阳相对于地表的角度有关,这是因为太阳光到达地表前,会经过大气层的吸收与散射。位置与角度这二项因素,一般就用所谓的空气质量(air mass, AM)来表示。对太 阳光照度而言,AMO是指在外太空中,太阳正射的情况,其光强度约为1353 W/㎡,约等同于温度5800K的黑体辐射产生的光源。AMI是指在地表上,太 阳正射的情况,光强度约为925 W/m2〇 AMI.5足指在地表上,太阳以45度 角入射的情况,光强度约为844 W/㎡。一般也使用AM 1.5来代表地表上太阳光的平均照度。
   太阳电池的电路模型:
   一个太阳电池没有光照时,它的特性就是一个p-n结二极管。而一个理想的二极管其电流-电压关系可表为

gooxian太阳电池公式1



   其中I代表电流,V代表电压,Is是饱和电流,和VT=KBT/q0, 其中KB代表BoItzmann常数,q0是单位电量,T是温度。在室温下,VT=0.026v。需注意的是,P-n二极管电流的方向是定义在器件内从P型流向n型,而电压的正负值,则是定义为P型端电势减去n型端电势。因此 若遵循此定义,太阳电池工作时,其电压值为正,电流值为负,I-V曲线在第 四象限。这里必须提醒读者的是,所谓的理想二极管是建立在许多物理条件 上,而'实际的二极管自然会有一些非理想(nonideal)的因素影响器件的电流-电 压关系,例如产生-复合电流,这里我们不多做讨论。
   当太阳电池受到光照时,p-n二极管内就会有光电流。因为p-n结的内建电 场方向是从n型指向p型,光子被吸收产生的电子-空穴对,电子会往n型端跑,而空穴会往p型端跑,则电子和空穴二者形成的光电流会由n型流到p 型。一般二极管的正电流方向是定义为由p型流到n型。这样,相对于理想二 极管,太阳电池光照时产生的光电流乃一负向电流。而太阳电池的电流-电压关系就是理想二极管加上一个负向的光电流IL,其大小为:

gooxian-太阳电池公式2


   也就是说,没有光照的情况,IL=0,太阳电池就是一个普通的二极管。当太阳电池短路时,也就是V=0,其短路电流则为Isc=-IL.也就是说当太阳电池短路,短路电流就是入射光产生光电流。若太阳电池开路,也就是你I=0,其开路电压则为:

gooxian-太阳电池公式3

 

gooxian-太阳电池的等效电路


   图二、太阳电池的等效电路:(a)无,(b)有串联和分流电阻的情况。这里必须强调的是,开路电压和短路电流时太阳电池特性的二个重要参数。
  太阳电池输出的功率就是电流和电压的乘积:

gooxian-太阳电池公式4


   很明显,太阳电池输出的功率并非是个固定值,它在某个电流-电压工作点达到最大值,而这最大输出功率Pmax,则可由dp/dv=0来决定。我们可以推导得出最大输出功率Pmax时的输出电压为:

 

gooxian-太阳电池公式5

  


  和输出电流为:

gooxian-太阳电池公式6



  而太阳电池最大输出功率就是:

gooxian-太阳电池公式7


   太阳电池的效率就是指太阳电池将入射光的功率Pin转换成最大输出电功率的比例,也就是:

gooxian-太阳电池公式8



   一般的太阳电池的效率测量,都是使用pin=1000W/㎡的类似太阳光的灯光光源。
    实验上,太阳电池的电流-电压关系并没有完全地遵循上诉的理论描述,这是因为光生伏特器件本身存在所谓的串联电阻(series resistance)和分流电阻 (shunt resistance)。对于任何半导体材料,或是半导体与金属的接触,不可避免 的都会有或多或少的电阻,它们就会形成光生伏特器件串联电阻。另一方 面,光生伏特器件的正负电极间,存在任何非经由理想P-n二极管的其它电流 的通道,都会造成所谓的漏电流(leakage current),例如器件中的产生-复合 (generation-recombination)电流,表面复合(surface recombination)电流,器件的 边缘隔离(edge isolation)不完全,和金属接触穿透结。
   通常,我们用分流电阻(shunt resistance)来定义太阳电池的漏电流大小, 也就是 Rsh=V/Ileak。分流电阻越大,就表示漏电流越小。如果考虑申联电阻 Rs和分流电阻Rsh,太阳电池的电流-电压关系则可写成:

gooxian-太阳电池公式9


   我们还可以只用一个参数,就是所谓的填充因子(fill factor),来同时概括串联电阻与分流电阻这两个效应。定义为:

gooxian-太阳电池公式10


   很明显,如果没有串联电阻,且分流电阻无穷大(没有漏电流)时,填充因子最大。任何串联电阻的增加或分流电阻的减少,都会减少填充因子。如此一来,。太阳电池的效率就可以由三个重要参数:开路电压Voc、短路电流Isc、和填充因子FF来表达。


   显然,要提高太阳电池的效率,则要同时增加其开路电压、短路电流(亦即光电流),和填充因子(亦即减少串联电阻与漏电流)。

gooxian-太阳电池公式11



    开路电压与短路电流:
   由前面的公式来看,太阳电池的开路电压是由光电流与饱和电池来决定。从半导体物理的观点,开路电压就等于空间电荷区中电子和空穴间的Fermi能差。至于理想P-n二极管的饱和电流,则可以用:

 

gooxian-太阳电池公式12


   来表达。其中q0代表单位电量,ni代表半导体的intrinsic载流子浓度,ND和NA各代表施主和受体主的浓度,Dn和Dp各代表电子和空穴的扩散系数,上面的表达式是假设 n -型区和 p -型区都很宽的情况。一般使用 p -型基板的太阳电池, n -型区都非常浅,上面的表达式是须要修改的。
   前面我们提到,当光照太阳电池时产生光电流,而光电流就是太阳电池电流-电压关系中的闭路电流,这里我们就光电流的由来,做一简单叙述。载流子在单位时间单位体积中的产生率 (单位 m -3 s -1 ) 是由光吸收系数来决定,也就是

gooxian-太阳电池公式13


   其中α代表光吸收系数,gooxian-1是入射光子强度 (或称为光子流量密度), R 指反射系数,因此 gooxian-2代表没有被反射的入射光子强度。而产生光电流的主要三个机制为:少数载流子电子在 p -型区的扩散电流、少数载流子空穴在 n -型区的扩散电流、电子和空穴在空间电荷区的漂移电流。因此光电流约可表达为:

gooxian-太阳电池公式14


  其中Ln各Lp各代表 p -型区电子和 n -型区空穴的扩散长度, 是空间电荷区的宽度。归纳这些结果,可得到开路电压的简单表达式:

 

gooxian_太阳电池公式15

   其中Vrcc 代表电子-空穴对的单位体积的复合率。当然这是很自然的结果,因为开路电压就等于空间电荷区中电子和空穴间的 Fermi 能差,而电子和空穴间的 Fermi 能差就是由载流子产生率与复合率来决定。
 

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