光电原理及光电池

    外层大气中太阳辐射过来的功率密度为1. 373kW/m²。部分能量被地球大气吸收和散射。最终入射到地球表面的太阳光峰值在中午的热带地区为1kW/m²。光伏系统(PV)的核心就是将这种能量转换为电能形式。PV系统的关键是太阳电池。太阳电池可直接将太阳光的能量转换为电能，称作“光电效应”。图8-1示出了晶状太阳电池横截面的示意图。含0. 2～0. 3mm厚的单晶或多晶硅片，通过搀杂硼和磷的杂质产生具有不同电气性质的两层。在pn结搀杂了磷原子的负硅片和搀杂了硼原子的正硅片之间建立起电场。光入射到太阳电池上，光子中的能量产生了自由电荷载体，被电场分开。外接线端上产生了电压，接入负载后就有电流流通。太阳电池产生的光电流(Iph)与辐射强度成正比。

    图8-1    晶状太阳电池横截面示意图

    太阳电池的等效电路为电流源与二极管并联，如图8-2 (a)所示。太阳能的负载是一个可变电阻。随着负载电阻的增加，二极管pn结上的电压也随之增加，一部分电流流经二极管，输出电流也随之下降。如果负载电阻开路，输出电流为零，所有光电流流经二极管。电流电压关系可由二极管特性方程得到

   I=Iph - I0（eqU/kT - l）=Iph - Id  (8-1)

    式中，q为电子电荷；k为波尔兹曼常数；Iph为光电流；I0为反向饱和电流；Id为二极管电流；T为太阳电池工作温度(K)。太阳电池的电流电压关系等效于反向的二极管特性曲线，如图8-2 (b)所示。

    图8-2    太阳电池等效电路与电流电压关系等效曲线

   (a)等效电路；(b)电流电压关系等效曲线

    太阳电池电流-电压特性及电压与功率(U-P)特性见图8-3。图中开路电压(Uoc)是零电流时的最大电压，而短路电流Isc是零电压时的最大电流。标准测试条件下每平方厘米硅太阳电池中Uoc的典型值为0.6～0. 7V，Isc的典型值为20～40mA。Isc与照度成正比，Uoc与照度的对数成正比。

    图8-3    太阳电池电流与电压(I-U)关系曲线和电压与功率(U-P)特性

    图8-3表明太阳电池存在唯一的最大功率点( Ump，Imp)。要达到最大功率输出，在装配时需要满足三个参数：开路电压、短路电流和填充系数(FF)。填充系数为

   FF(Fill factor)=(UmpImp)/(UocIsc)   (8-2)

    硅太阳电池的FF值为0.6～0.8。

    硅太阳电池的电压约0.5V，如图8-4 (a)所示。PV模块是由许多电池串联连接起来的，如图8-4(b)所示。若干模块相互连接构成如图8-4 (c)所示的PV板。PV阵列是面板的集合如图8-4 (d)所示。由许多PV阵列组成各种电压和功率的阵列供用户使用。

    图8-5示出温度与硅太阳电池性能的关系。Isc随着温度的增加稍有上升，而Uoc和最大功率Pm却随着温度的增加而下降。

    图8-6示出PV电流与电压随不同隔离水平的变化。从图8-5、图8-6可以看出，给定隔离和温度后太阳电池的I-U特性，有一定区间不受其影响，最大功率发生在两个区域交会之处。

    图8-4    PV光伏电池

   (a) PV电池；(b) PV模块；(c) PV板；(d) PV阵列

    图8-5    温度与硅太阳电池性能的关系

    图8-6    不同隔离水平下典型的电流/电压(I-U)曲线

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