1．太阳能电池片的基本原理

1.太阳能电池片的结构

　  太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。 

2.PN结

　　当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。

　　当入射辐射作用在PN结区时，本征吸收产生光生电子与空穴在内建电场的 

作用下做漂移运动，电子被内建电场拉到N区，空穴被拉到P区。结果P区带

正电，N区带负电，形成伏特电压。

3．能带

满带：电子填充能带时，总是从最低的能带、最小能量的能级开始填充。在原子         的内壳层，由于能级较低，一般是被电子占满的，结合成晶体后，内层电子仍基本束缚在原子上，所以低能带填满了电子，叫满带。

价带：与原子外层的价电子相应的能带叫做价带。

导带：在很多的能级，本来就没有电子，这种能带叫做空带或导带。在空带中，Ｔ＝时没有电子，能级是空着的。若有电子跃迁出空带，就可以自由运动，产生导电作用，这就是导带名称的由来。

禁带：价带和导带之间的空隙叫做禁带。

          图1  N ，P型半导体的能带图

　　对半导体来说，电子填满了一些能量较低的能带，称为满带，最上面的满带称为价带；价带上面有一系列空带，最下面的空带称为导带。价带和导带有带隙，带隙宽度用Eg 表示它代表价带顶和导带底的能量间隙。

图2 平衡状态

    平衡pn结的情况可以用能带图表示。当两块半导体结合形成PN结时，按照费米能级的意义，电子将从费米能级高的Ｎ区流向费米能级低的Ｐ区，空穴则相反，因而Ｅｆｐ不断上移，且Efn不断下移，直至Efn=Ｅｆｐ时为止。这时PN结中有统一的费米能级。

二．太阳能电池片的特性

1.伏安特性

当太阳光照射到电池上时，电池的电压与电流的关系(伏安特性)可以简单的用图2．9所示的特性曲线来表示。图中：Voc为开路电压；Isc为短路电流；Vpmax为最佳工作电压；Ipmax为最佳工作电流。

最佳工作点对应电池的最大出力Pmax，其最大值由最佳工作电压与最佳工作电流的乘积得到。实际使用时，电池的工作受负载条件、日照条件的影响，工作点会偏离最佳工作点。

1.1开路电压Voc

光伏电池电路将负荷断开测出两端电压，称为开路电压。

    Voc=nVtln(Isc/Is+1)

1.2短路电流Isc

光伏电池的两端是短路状态时测定的电流，称为短路电流。

Ipn=Is [exp(qVpn/nkT)-1]

其中 

Ipn，Vpn：P-N 结二极管的电流及电压 

k：波尔兹曼常数（Boltzmann Constant：1.38×10-23J/K） 

q：电子电荷量（1.602×10-19库仑） 

T：绝对温度（凯氏温度K＝摄氏温度℃＋273度） 

Is：等效二极管的逆向饱和电流 

VT：热电压（Thermal Voltage：25.68mV）

太阳能电池在理想状态时，可用下式来表示其I-V 关系式：

Ipv=Isc-Id=Isc-Is[exp(Vpn/nVt-1)]

其中 

Isc：某日照量下太阳能电池的短路电流 

Is：等效二极管的逆向饱和电流 

n：理想参数值，一般介于1～2之间 

P-N结二极管I-V特性图

1.3填充因子FF

实际情况中，PN结在制造时由于工艺原因而产生缺陷，使光伏电池的漏电流增加。为考虑这种影响，常将伏安特性加以修正，将特性的弯曲部分曲率加大，定义曲线因子FF为

曲线因子是一个无单位的量，是衡量电池性能的一个重要指标。曲线因子为1被视为理想的电池特性。一般地，曲线因子在0．5～O．8之间。

1.4转换效率

转换效率用来表示照射在电池上的光能量转换成电能的大小，它是衡量电池性能的另一个重要指标。但是对于同一块电池来说，由于电池的负载的变化会影响其出力，导致光伏电池的转换效率发生变化。为了统一标准，一般公称效率来表示电池的转换效率。即对在地面上使用的电池，在太阳能辐射通量1000w／m2、大气质量Aml.5、环境温度25℃，与负载条件变化时的最大电气输出的比的百分数来表示。厂家的说明书中电池转换效率就是根据上述测量条件得出的。

 2.太阳能电池片的光照度特性

光伏电池的出力随照度(光的强度)而变化。如图2．10所示，短路电流与照度成正比；图2．1l所示，开路电压随照度按指数函数规律增加，其特点是低照度值时，仍保持一定的开路电压。

因此，最大出力Pmax几乎与照度成比例增加，而曲线因子FF几乎不受照度的影响，基本保持一致。

 3.太阳能电池片的温度效应

    光伏电池的出力随温度的变化而变化，其特性曲线如图2．12所示，随着温度的上升，短路电流Isc增大，而开路电压Voc减小，转换效率降低。由于温度上升导致电池的出力下降，因此，有时需要用通风的方法来降低电池板的温度以便提高电池的转换效率，使出力增加。电池的温度特性一般用温度系数表示。温度系数小说明即使温度较高，但出力的变化较小。下载本文