设备环境考试太阳能电池的结构、原理和特性

4.4 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。

　　4.4.1 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。

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