毕业设计（论文）-太阳能独立发电系统设计

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1、小型太阳电池发电系统设计研究2光伏发电系统的工作原理与结构2.1光伏发电系统的工作原理2.1.1PN结的结构与原理太阳能光伏发电系统所利用的是太阳能电池半导体材料的光伏效应，可以用简单的PN结来说明。PN结是太阳能电池的构成基础，由n型和p型半导体材料构成。由于n区含有高浓度的电子而p区含有高浓度的空穴，电子带有负电而空穴带有正电，所以电子会从n区扩散到p区。同样，空穴则从p去扩散到n区。如果n区和p区两边的浓度不相等，这种扩散将持续的进行下去直到两边的浓度达到相同为止。然而，在一个PN结中，当电子和空穴扩散到另一方时，伴随

2、着这种扩散他们会留下暴露的电荷在掺杂原子的位置上，而掺杂原子是固定在原子晶格上不能移动的。因此，在n区，正离子是暴露的，而在p区，负离子是暴露的。这样，这两种暴露的电荷层就在半导体内部建立了一个内建电场，内在电场所在区域被称为“耗尽区”。内建电场会清除耗尽区内的载流子，同时在PN结中产生一个电位。图2.1展示了PN结中内建电场的形成过程[4]。图2.1PN结中内建电场形成过程示意图一个没有外部输入的PN结的表现和一个两端有外部电场情况下耗尽区中载流子的再生、复合、扩散和漂移达到平衡的PN结的表现是一样的。尽管存在电场时，电场

3、会阻止载流子的扩散，但是还是有一些载流子能漂移过PN–30–小型太阳电池发电系统设计研究结。在下图中，大多数载流子刚进入耗尽区就在电场作用下回到了他们的来源处。然而，统计表明，还是有一些载流子拥有足够高的速度能够在某个方向上穿越过PN结。一旦大部分载流子穿越结，PN结的P区和N区中将存在大量载流子。他们将继续远离PN结扩散，在发生复合之前移动大约相当于扩散长度的距离。载流子穿越过PN结的漂移运动所产生的电流称为“扩散电流”。在图2.2中，还可以看到耗尽区中的载流子和已经穿越过PN结的载流子。注意，在实际的PN结中，载流子的数

4、量和速度要比图中所示的大很多，所以穿越过PN结的载流子的数量也比图中载流子数量多的多。少数载流子到达耗尽区的边缘被耗尽区中的电场运送过耗尽区，由此而产生的电流叫做“漂移电流”。为保持平衡状态，漂移电流受到少数载流子数量的限制，而这些少数载流子是在PN结的扩散长度内热运动引起的。图2.2耗尽区中的载流子移动情况当在PN结两端加上正向偏压时，结两端的电场减小。在P型材料两端加正电压或者在n型材料两端加负电压，都会在器件耗尽区两端产生与内建电场相反的电场。由于耗尽区的电阻率比其余部分高（这是耗尽区内载流子数量较少造成的），几乎所有

5、的实用电场都在耗尽区。耗尽区内净电场的减小打破了结中的平衡，因此，减小了载流子从PN结的一边移动到另一边的阻力，提高了扩散电流。如图2.3–30–小型太阳电池发电系统设计研究所示。当在PN结两端加上反向偏压时，结内的内建电场增加。内建电场的增加降低了载流子从PN结的一边扩散到另一边的几率，因此扩散电流减小。图2.3反向偏压下载流子移动情况理想PN结单元太阳能电池的电流-电压关系式为:（2.1）上式中，I为通过二极管的净电流，为“暗饱和电流”，不存在光照时二极管的泄漏电流密度，V为二极管两端的电压，q为电荷的绝对值，k为波尔兹

6、曼常量，T为绝对温度。暗饱和电流是一个区分二极管的重要参数。同时，能衡量器件的复合率。器件的复合率越大，就越大。注意：（1）随温度的升高而升高（2）随材料的品质降低而降低当T=300K时，=25.85mV,为“热电压”。–30–小型太阳电池发电系统设计研究2.1.2太阳能电池结构与原理太阳能电池是一个将光能转换为电能的电子设施。太阳光照在太阳能电池上同时产生电流和电压。这个过程的发生首先需要太阳能电池的材料能吸收光能以激发电子从低能级跃迁到高能级。同时，还需要太阳能电池中的高能态电子能通过外电路移动，电子能在外电路中耗尽能量

7、以回到高能态。有很多材料和过程能满足上述光伏能量转换的要求，但是在实际中，几乎所有的光伏能量转换用的都是有PN结组成的半导体材料。图2.4所示的为太阳能电池的横截面[5]。图2.4太阳能电池横截面示意图太阳能电池的基本运作步骤：（1）光生载流子的产生；（2）光生载流子的聚集以产生电流；（3）太阳能电池两端电压的产生；（4）负载和寄生电阻消耗电能；太阳能电池中光电的转换过程包括以下三个关键的步骤：第一步，太阳能电池板吸收入射光子产生电子空穴对。在绝对零度的条件下，价带充满了电子，而导带中则不存在电子。在这种情况下，半导体不显示

8、导电性，相当于绝缘体。当具有一定能量的光子入射到半导体表面时，如果光子的能量大小比带隙能量–30–小型太阳电池发电系统设计研究大时，那么，这种光子将被半导体吸收。如果半导体晶格吸收的光子能量足够大，能够消除半导体晶格对电子的束缚作用，就会产生自由电子，留下空穴。因此，电子空穴对的产生条件是