新能源发电技术2_太阳能光伏发电技术3

NorthChinaElectricPowerUniversity2019/8/12李广凯Email:[e-mail]新能源发电技术第2章(3)电力工程系DepartmentofElectricalEngineeringNorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering22.2太阳能电池工作原理NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering32.2.3同质结太阳能电池(11)等效电路、输出功率和填充因数等效电路太阳能电池的理想状态等效电路理想状态：只有ISC和Id)1(0AkTqUDeIINorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering42.2.3同质结太阳能电池(12)等效电路、输出功率和填充因数等效电路太阳能电池的实际状态等效电路非理想状态：并联一个旁路电流支路等效电路NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering52.2.3同质结太阳能电池(13)等效电路、输出功率和填充因数输出功率:流进负载的电流为I，负载端电压为UshLsAkTIRUqLshDLRRRIeIIIIIIs)()1()(0LshLsAkTIRUqLRRRRIeIIIUPs2)(0)()1(NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering62.2.3同质结太阳能电池(14)等效电路、输出功率和填充因数输出功率:流进负载的电流为I，负载端电压为U太阳能电池的负载特性曲线（输出特性）MImUmAUocIscONorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering72.2.3同质结太阳能电池(15)等效电路、输出功率和填充因数输出功率:流进负载的电流为I，负载端电压为UPm=ImUm：最大输出功率M点：太阳能电池的最佳工作点或最大功率点Im：最佳工作电流Um：最佳工作电压Rm:最佳负载电阻填充因数(FF)最大输出功率与（Uoc×Isc）之比四边形OImMUm与四边形OIscAUoc面积之比填充因数表征太阳能电池的优劣，一定光谱幅照度下，FF愈大，曲线愈方，输出功率愈高。NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering82.2.3同质结太阳能电池(16)等效电路、输出功率和填充因数填充因数(FF)的相关因素入射光谱辐照度反向饱和电流I0A因子串连电阻Rs并联电阻RshscocmmscocmIUIUIUPFFNorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering92.2.3同质结太阳能电池(17)太阳能电池的效率效率定义：太阳能电池受光照射时，输出电功率与入射光功率之比η称为太阳能电池的效率，也称光电转换效率。0)())(())(()(dhcAEIUFFFPAEIUFFFPAUIFFPAIUPAPtgscintgscintocscintmmintmAt太阳能电池总面积Aa有效面积Pin单位面积入射光功率随温度升高太阳能电池效率下降NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering102.2.3同质结太阳能电池(18)太阳能电池的效率硅太阳能电池的效率分析美国普林斯理论效率：21.7%1970年代华尔夫20-22％(AM0光),后25％(AM1.0光)NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering112.2.3同质结太阳能电池(19)1光的反射损失2光的透射损失3光的产生性损失4N+区产生7N+区前表面复合8N+区复合5空间电荷区产生9空间电荷区复合6P区产生10P区复合11P区背表面复合NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering122.2.3同质结太阳能电池(20)12势垒高度损失13结中产生声子或微等离子效应14正向结电流15少子复合17并联电阻损耗16串联电阻损失18输出电能NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering132.2.3同质结太阳能电池(21)主要的损失指标反射损失3%长波损失：波长大于1.1µm(hνEg),23%短波损失：hνEg激发出光生载流子多余能量损失，43%光生空穴电子对在各区复合。16%光生载流子被P-N结分离时，产生结区损失26.3%串并联电阻损失，3%在最佳负载上得到的电功率，25%NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering142.2.3同质结太阳能电池(22)影响效率的因素和提高效率的途径提高太阳能电池的效率要提高：Uoc,Isc和FF主要的影响因素有：基片材料、暗电流、高掺杂效应及串并联电阻的影响暗电流P-N节正向电流JD包括注入电流、复合电流和隧穿电流隧穿电流与温度无关对于宽禁带材料或在低温、低光谱辐照度时，注入电流的影响大对于窄禁带材料或在高温、高光谱幅照度时，复合电流更重要NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering152.2.3同质结太阳能电池(23)影响效率的因素和提高效率的途径暗电流一般太阳能电池的暗电流JD=J0(eqU/AkT-1)曲线因子A与工艺有关,品质优良的电池中A=1,劣质的电池中可能会A2减小A因子办法:(1)减小空间电荷区的复合能级(2)抑制高掺杂效应(3)增加各区少子寿命(4)加强漂移场，减少表面复合等NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering162.2.3同质结太阳能电池(24)影响效率的因素和提高效率的途径高掺杂效应硅中杂质浓度高于1018/cm3高掺杂引起禁带收缩，杂质不能全部电离和少子寿命下降等叫高掺杂效应LDLocIIqAkTUIIqAkTU000ln)1ln(NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering172.2.3同质结太阳能电池(25)影响效率的因素和提高效率的途径提高效率的途径紫光电池：克服死层，提高蓝紫光响应绒面电池：减少反射损失,增加光生载流子量；增加P-N结面积背表面的光子反射层：发射到达底面的红光优质减反射膜的选择退火和吸杂：提高少子寿命正面高低结太阳能电池：附加结理想化的太阳能电池模型：希望25%的效率NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering182.2.3同质结太阳能电池(26)太阳能电池的辐射损伤和耐辐射特性辐射环境地球磁场俘获的带电粒子，电子和质子太阳耀斑质子银河宇宙射线辐射损伤半导体受到高能粒子辐照后产生缺陷的情况对材料减少了少子寿命对太阳能电池减少基区寿命耐辐照性能N-P电池优于P-N电池基体电阻率10cm电池优于2cm电池薄电池优于厚电池非背场电池优于背场电池NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering192.2.3同质结太阳能电池(27)太阳能电池的辐射损伤和耐辐射特性相对损伤系数定义：某种类型与能量的一个全向粒子对带有一定面密度盖片太阳能电池的损伤相当于对无盖片电池产生相同损伤所需的单向垂直入射1.0MeV电子或10MeV质子的数量。辐射损伤可以部分恢复NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering202.2.3同质结太阳能电池(28)硅太阳能电池的温度特性和光电特性开路电压随温度升高而下降短路电流随温度升高而升高输出功率随温度升高而下降太阳能电池温度特性和光电特性对空间应用重要NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering212.2.3同质结太阳能电池(29)硅太阳能电池的温度特性和光电特性不同温度下对太阳能电池I-V曲线的影响NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering222.2.3同质结太阳能电池(30)硅太阳能电池的温度特性和光电特性不同温度下对太阳能电池P-V曲线的影响NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering232.2.4肖特基结太阳能电池(1)金属与半导体的功函数CIS电池：C导体，I绝缘层，S半导体金属[半导体]的逸出功或功函数：一个初始能量等于费米能级(EF)m的电子从金属体[半导体]内逸出到真空(能级E0)所需要的最小能量Wm=E0-(EF)m[Ws=E0-(EF)s]功函数标志着电子被正离子吸引的强弱金属名称AlNiCuAgTiPtMn功函数Wm4.285.514.654.264.335.654.1NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering242.2.4肖特基结太阳能电池(2)金属－半导体的接触势垒若功函数WmWs,费米能级(EF)s(EF)m金属与半导体紧密接触时电子由半导体流向金属出现由半导体指向金属的电场，直到电流平衡形成接触电动势差qUD金属与N型半导体接触时，WmWs，在半导体表面形成表面势垒，为高电阻层又称阻挡层，反之为反阻挡层金属与P型半导体接触时，WsWm，在半导体表面形成表面势垒，为高电阻层又称阻挡层，反之为反阻挡层。这种金属与半导体形成的阻挡层叫肖特基势垒NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering252.2.4肖特基结太阳能电池(3)肖特基势垒的正反向特性与P-N结的正反向特性相似外加正向电压，形成正向电流外加反向电压，形成反向电流反向电流有一个饱和值NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering262.2.4肖特基结太阳能电池(4)实际的肖特基势垒表面