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光伏电池的原理及发展现状

2017-05-11

  众所周知, 太阳能是一种用之不竭、 储量巨大的清洁可再生能源, 每天到地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量,太阳能开发与利用逐步成府重点发展的战略。热能和光能利用是太阳能应用的两种重要形式。“光伏发电是利用光伏电池的光伏效应将太阳光的光能直接转换为电能的一种可再生、 无污染的发电方式, 正在全球范围内迅猛发展, 其不仅要替代部分化石能源, 而且未来将成为世界能源供应的主体,是世界各国可再生能源发展的重点。本文阐述了太阳能光伏电池的原理, 综述了国内外光伏发电技术的发展现状及发展趋势。

  光伏电池的原理及发展现状

  1839 年, 法国的 Edmond Becquerel 发现了“光伏效应” , 即光照能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流。光伏电池是基于半导体 P- N 结接受太阳光照产生光伏效应, 直接将光能转换成电能的能量转换器。1954 年,美国 Bell 实验室的 G. Pearson 等发明了单晶硅光伏电池, 其原理如图 1 所示。

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  图 1 中,太阳光照射到光伏电池表面, 其吸收具有一定能量的光子, 在内部产生处于非平衡状态的电子- 空穴对;在 P- N 结内建电场的作用下, 电子、 空穴分别被驱向N, P 区, 从而在 P- N 结附近形成与内建电场方向相反的光生电场;光生电场抵消 P- N 结内建电场后的多余部分使P, N 区分别带正、 负电, 于是产生由 N 区指向 P 区的光生电动势; 当外接负载后,则有电流从 P 区流出, 经负载从N 区流入光伏电池。图 2 为光伏电池等效电路, 其中, Iph为与光伏电池面积、 入射光辐照度成正比的光生电流(1 cm2硅光伏电池的 Iph值为 16 ~ 30 mA);ID, Ish分别为 P- N 结的正向电流、 漏电流;串联电阻 RS主要由电池体电阻、 电极导体电阻等组成(RS一般 <1 Ω);旁漏电阻 Rsh由硅片边缘不清洁或体内缺陷所致(Rsh一般为几 kΩ);RL 为外接负载电阻, IL, UO分别为光伏电池输出电压、 电流;当负载开路(RL= ∞)时,UO即为开路电压 Uoc, 其与环境温度成反比、 与电池面积无关(在 100 mW/cm2的光谱辐照度下, 硅光伏电池的 Uoc一般为 450 ~600 mV。与图 2 对应的光伏电池解析模型,

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  IL= Iph- ID- Ish

  Iph= IscS/1 000+ CT(T - Tref)

  ID= ID0(T/Tref)3e[qE/gnk(1/Tref-1/T)][ eq(Uo+ ILRS)/nkT-1]

  Ish=(Uo+ IIRs)/Rsh

  上式中, Isc为 RL= 0 时的短路电流(A);T 为环境温度(K);Tref为参考温度(一般取 298 K);S 为实际太阳光辐照度(W/m2); CT为温度系数(A/K);q = 1. 6 &TImes; 10-29C;k=1. 38 &TImes;10-23J/K;n, ID0分别为二极管排放系数、 反向电流;Eg为表征半导体禁带宽度的常量(V)。

  实用中, 为了满足负载需要的电压、 电流, 需将多个容量较小的单体光伏电池串、并成数瓦到数百瓦的光伏模块(其输出电压一般在十几 ~ 几十 V),进一步可将多个光伏模块串、 并联成光伏阵列。图 3 为在环境温度 25 ℃(T =298 K) , 太阳光辐照度 S = 1 000 W/m2条件下某光伏模块的仿真输出特性。

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  图 3 表明, 一定的温度、 照度下,光伏电池对应存在一个可能的最大功率输出运行点(Pmax= UpmaxIpmax), 但实际工作点则是光伏电池伏安特性与负载伏安特性的交点。

  图 3(a)中,给出了 3 条不同阻值 RL1, R*L, RL2的电阻负载伏安特性(RL1< R*L < RL2), 其与光伏电池伏安特性的 3个交点 A, M, B 则为对应的 3 个实际工作点, 只有当负载电阻 RL= R*L 时光伏电池才运行在最大功率点 M, 输出最大功率 Pmax(UpmaxIpmax)。事实上,光伏电池的短路电流与辐照度成正比, 开路电压与温度成反比,辐照度增加、 温度降低将使其最大功率增加,故随着天气(辐照度、温度)变化, 应实时调整负载的伏安特性使其相交于光伏电池伏安特性的最大功率输出点处,以实现 “最大功率点跟踪(MPPT)” 。自 1954 年实用光伏电池问世至今,晶体硅光伏电池占了光伏电池总产量的 80% 以上, 广泛应用的单晶硅光伏电池光电转换效率已接近 25%;多晶硅光伏电池的光电转换效率虽较低, 但其材料成本较低, 可望成为主导产品之一。随着光伏产业的迅猛发展, 具有半导体材料消耗少、易批量生产、 低成本、 对弱光转化率高、 易实现光伏建筑一体化等优势的薄膜光伏电池成为第二代光伏电池研发的重点, 其中, 1976 年问世的非晶硅薄膜光伏电池实验室效率已达 12. 8%;20 世纪 80 年代兴起的铜铟硒(CIS) 多晶薄膜光伏电池实验室效率已接近 20%。进入 21 世纪, 以提高光电转换效率、 降低成本为目标的第三代光伏电池,如叠层、 玻璃窗式、 纳米光伏电池等研究方兴未艾。


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