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通信设备环境知识点精讲之太阳能电池的结构原理和特性

动力与环境责任编辑：小狐狸 2016-08-22

摘要：下面是由希赛小编整理的中级通信设备环境知识点精讲之太阳能电池的结构原理和特性，希望能帮助学友们。

下面是由希赛小编整理的通信设备环境知识点精讲之太阳能电池的结构原理和特性，希望能帮助学友们。具体内容如下：

太阳能电池

太阳是一个巨大的能源，每年向地球辐射大量的光能，这种光能可以用光电变换器变换成电能。在两种光电转换器中，目前己投入实际应用的是光生伏特电池，即太阳能电池。近年来，为了提髙太阳能电池的效率，降低成本，研制了硅、砷化稼、硫化镉等各种太阳能电池，并利用这些电池组成太阳能发电系统。

太阳能电池的结构、原理和特性

铅蓄电池、镉镍蓄电池都是将化学能转变为电能的装置，都属于化学电池。而太阳能电池属于物理电池，它利用光电效应把太阳能直接转换为电能。

1.太阳能电池的基本结构

太阳能电池是依靠PN结的光生伏特效应，4-11所示。它由PN结、金属栅状上电极、金属下电极、减反射膜和背反射器等组成。

硅太阳能电池常用P型单晶硅作为基体材料，厚度为200nm.在P型基体的背表面有用铝制造的背反射器。为了减少器件表面对入射光线的反射，电池的表面覆盖了一层氧化物作为减反射层，为了输出光生电压，电池有上、下电极。上电极是用银采取光刻工艺制成的栅线，上电极金属覆盖面积约占电池总面积的4.75%.下电极用铝制成。上、下电极与硅片的接触电阻应很低。

2.硅太阳能电池的工作原理

当阳光照射半导体时，共价键中的电子因获得足够的光子能量而摆脱共价键的束缚，成为可以自由移动的电子，原来的共价键上就留下一个空穴。因此，半导体经太阳光的照射后就会产生一些电子一空穴对。

由于热运动的结果，使这些非平衡的电子一空穴对进入PN结的空间电荷区。受自建电场的作用，电子和空穴向相反的方向运动，使PN结两侧出现负电荷积累，产生与PN结自建电场方向相反的光生电场，产生了光生电动势，这就是“光生伏特效应”.电池开路时，光生载流子只能积累在PN结的两侧，产生光生电动势，该电动势称为开路电压，用t/oc表示。电池短路时，PN结附近的光生载流子将形成最大的光生电流，该电流称为短路电流，用/sc表示。光电池接上负载后，光电流从P区经过负载流至W区，负载中即得到功率输出。

光照使PN结自身电场强度降低，如同一个二极管的PN结上加了一个正向电压，因此常把硅太阳能电池等效为一个恒流源和一个理想的二极管相并联，其等效电路如图4-12所示。

从图4-12中可看出，恒流源产生的光生电流总共有三个通道。

①正向流过PN结(PN结构成的二极管)的电流在。

②在PN结没有完全形成的部分有漏电4-12流I命(在电池内部或边缘会形成某些漏电通道，可将其等效为旁路电阻漏电流与工作电压成比例)。

③流经负载的电流IR。

随着电池制造工艺不断改善，Rsh可做得很大(则Ish忽略不计)，如不考虑电池串联电阻札的影响，那么，负载电流应当是光生电流与结电流之差，即

3.硅太阳能电池的特性

在不同负载电阻的情况下，受光照时，太阳能电池流入负载的电流&和电池两端电压的关系曲线称为太阳电池的伏安特性曲线，如图4-13所示。曲线拐点A的两个坐标值(Um和Im)为硅太阳能电池的最佳工作电压和最佳工作电流。

关于硅太阳能电池的入射光强响应特性。开路电压与入射光强的对数成正比，显然，获得最大输出功率时，太阳能电池的输出电压明显地受入射光强的影响。

关于硅太阳能电池的转换效率。专换效率是指太阳能电池单位面积的最人输出功率(Pmax)与入射光功率(Pin)的百分比。转换效率是衡量电池好坏的重要参数。

太阳能电池供电系统

太阳能电池发电系统可以作独立电源，也可与发电机等组成混合发电系统，还可与电网连接，向电网输送电力。

1.系统组成

太阳能电池发电系统主要由太阳能电池方阵、蓄电池、控制器以及阻塞二极管组成，如图4-14所示。根据负载不同，太阳电池供电系统可分为直流、交流、交一直流混合供电系统。

(1)太阳能电池方阵。若干太阳能电池组件按一定方式连接后，再配上适当的支架及接线盒，即构成太阳能电池方阵，它的作用是将太阳辐射直接转换为电能。

(2)蓄电池组。蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，它的作用是将有日照时方阵发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天供负载使用。在光伏供电系统中，蓄电池处于浮充状态。白天方阵给蓄电池充电，晚上负载由蓄电池供电。因此要求蓄电池自放电小、能耐过充放电且充电效率高。目前常用的有普通铅蓄电池及阀控铅蓄电池。由于键镉和镍氢电池价格较贵，所以应用较少。

(3)控制器。控制器主要由各种电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。它的主要功能是防止过充电、过放电并保证稳压供电。如果负载要求交流供电，系统中还应配置逆变器。

(4)阻塞二极管。阻塞二极管也称防反充二极管或隔离二极管，其作用是防止无日照时，蓄电池通过太阳能电池方阵放电。对阻塞二极管的要求是工作电流必须大于方阵的最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池组的电压。方阵工作时，阻塞二极管有一定电压降。

2.太阳能电池组装方式

太阳能电池的组装方式有平板式和聚光式。在平板式组装方式中，首先把太阳能电池串联组装成组合板，然后再将组合板装成阵列。

(1)组合板与阵列。

太阳能单体电池容易碎裂，一般不能直接使用。根据使用要求，若干单体电池适当连接并封装后，组成可单独供电的最小单元，称为太阳能电池组件。实际使用中，为了满足使用要求，常将若干组件按一定方式组装，并固定在支架上，形成直流发电单元，这种单元称为太阳电池方阵(或阵列)。较大的方阵，还可由一些子方阵(或称组合板)构成。

(2)太阳能电池的串并联特性。

为了得到需要的输出电压，可将太阳能电池组件串联，串联后的电压是单体(或组件)电池电压之和1串联后的电流，取决于其中电流最小的电池组件。为了获得较大的输出电流，可把电池组件并联。并联后的电流是电池组件电流之和。并联后的电压为各组件电压的平均值。

聚光式太阳能电池系统由聚光电池阵列、支撑座和光电控制装置等部分组成。光电自动控制装置由传感器、控制箱和电动机组成，通过这种装置，太阳能电池可以自动跟踪太阳光，以获得最大功率输出功率。

3.太阳能电池的主要技术要求

(1)太阳能电池组件

太阳能电池组件系列有：36W、38W、和50W等，组件电压有16.4V、16.9V、17V和17.1V等;要求组件效率>10%;组件使用10年后，功率下降不得超过使用前的10%;组件的面积比功率、质量比功率、填充因子不得低于表W所示的规定。