太阳能电池的发展应用与原理

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1、第5章太阳能电池1主要内容5.1太阳能电池的发展及应用5.2太阳辐照及其频谱5.3太阳能电池原理5.4太阳能电池的性能参数5.5太阳能电池的材料与结构5.6提高电池光电转换效率的研究25.1太阳能电池的发展及应用背景传统化石能源→不可再生、环境污染、能源枯竭能源结构调整每年排放的二氧化碳达210万吨化石能源开采高峰2020~2030年可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等↓资源丰富、利用方便、洁净无污染太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！能源耗尽年份3太阳能电池的发展1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一只扩散p

2、n结单晶硅太阳电池，效率为6%，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。一个4KW的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭的用电需要，每年少排放的CO的数量相当于一辆家庭2轿车的年排放量。由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。目前，年均增长率超过35%，是能源技术领域发展最快的行业。4180016001400120010008006004002000199019911992199319941995199619971998199920

3、0020012002200320042005其它地区4.754.64.45.66.359.759.418.720.523.4232.65583.8140274欧洲10.213.416.416.5521.720.118.830.433.54060.6686.38135190.4314464日本16.819.918.816.716.516.421.2354980128.6171.2251363.9602762美国14.817.118.122.4425.6434.7538.855153.760.874.97100.3120104.213

4、9156合计46.555.457.960.0969.4477.688.6125.8154.9201.3287.7390.5561742.311951656图5-1历年世界太阳电池产量5应用太阳能交通信号灯太阳能庭院灯太阳能厕所太阳能屋顶未来的太阳能车65.2太阳辐照及其频谱2太阳常数S＝135mW/cmUVVisibleInfrared0气团（airmass,AM）AM-0AM-1.5100mW/cm247%评价地面太阳能电池性能的标准条件图5-2大气层外和地表上的太阳能光谱75.3太阳能电池原理图5-3太阳能电池的工作原理8当光

5、子能量大于p-n结禁带宽度后，在p区、n区和结区光子被吸收会产生电子–空穴对；电子与空穴向p-n结处运动；电子和空穴在p-n结的内建电场作用下向相反方向运动而分离，产生光生电动势；结两侧与外电路接通后，电路中产生光生电流，实现功率输出。95.4太阳能电池的性能参数5.4.1太阳能电池的I-V特性IIDhRIVRLLL图5-4太阳能电池的理想等效电路根据上述模型，其I-V特性可表示为:qVIILI0exp1(5-1)nkT10式中V为太阳电池的端电压，I为二极管的反向饱和电流，I为与入0L射光强度成正

6、比的光生电流，其中n为pn结二极管的特性因子。太阳能电池的伏安特性曲线115.4.2描述太阳能电池的参数(1)短路电流当太阳电池的输出端短路时，V=0，由（5-1）式可得到短路电流:II(5-2)scL即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比。(1)开路电压当太阳电池的输出端开路时，I=0，由（5-1）和（5-2）式可得到开路电压:nkTIscVocln1(5-3)qI012图5-5一个典型的太阳能电池在不同日照下的I-V特性13U/VIsc/mAocI/mAU/Vscoc5开路电压0.50.5

7、开路电压40.40.430.30.30.320.20.2短路电流短路电流10.10.10.10246810012345L/klxL/klx(a)硅太阳电池(b)硒太阳电池图5-6I和V与光强的关系scoc14(3)填充因子当负载R使太阳电池的功率输出为最大时，它对应L的最大功率P为:mPIVmmm式中I和V分别为最佳工作电流和最佳工作电压。mm将V与I的乘积与最大功率P之比定义为填充因子FF，则ocscmPVImmmFF(5-4)VIVIocscocsc15Im最佳工作点工作点Vm图5-7太阳能电池的I-V特性和工作点16F

8、F取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。(4)转换效率太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能P之比，即inPm100%(5-5)PinFFVIocL100%Pin17禁带宽度对