光伏电池的发电原理及其特性

三、光伏电池的发电原理及其特性

1.光伏电池的发电原理

光伏电池又称为太阳能电池，其发电原理是以利用半导体PN结接受太阳光照产生光伏效应为基础，将太阳能直接转换成电能。所谓光伏效应，就是半导体吸收光能后在PN结上产生电动势的现象。当太阳光照射到太阳能电池上时，产生光生电子——空穴对。在电池的内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，太阳能电池的两端出现异号电荷的积累，即产生光生电压Uph。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载R，则在负载中就有光生电流Iph流过，从而获得功率输出，这样太阳光能就直接变成可使用的电能。光伏电池的工作原理如图8-3所示。

下面是光伏效应的示意解释。

PN结及两边产生的光生载流子被内建电场分离，在P区聚集光生空穴，在N区聚集光生电子，从而使得P区带正电，N区带负电，在PN结两边产生光生电动势。上述过程通常称为光生伏特效应或光伏效应，如图8-4所示。光生电动势的电场方向和平衡PN结内建电场的方向相反，当太阳能电池的两端接上负载时，这些分离的电荷就形成了电流，如图8-5所示。

图8-6所示为太阳能电池的发电原理及构造。

2.光伏电池的种类

按照材料的不同，光伏电池可分为如下三类。

1）硅太阳能电池

硅太阳能电池是以硅为基体材料的太阳能电池，例如单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池等。

2）硫化镉太阳能电池

硫化镉太阳能电池是以硫化镉单晶或多晶为基体材料的太阳能电池。

3）砷化镓太阳能电池

砷化镓太阳能电池是以砷化镓为基体材料的太阳能电池，例如同质结砷化镓太阳能电池、异质结砷化镓太阳能电池等。

3.光伏阵列

单体太阳能电池不能直接作为电源使用。在实际应用时，应按照用电性能的要求，将几片或几十片单体太阳能电池串联、并联起来，经过封装，组成一个可以单独作为电源使用的最小单元，即太阳能电池组件。太阳能电池方阵则是由若干个太阳能电池组件串联、并联而成的阵列。图8-7所示为太阳能电池的单体、组件和方阵，图8-8所示为太阳能电池的连接方式，图8-9所示为太阳能电池组件的结构剖面图。

光伏阵列主要有以下四种类型。(https://www.daowen.com)

1）平板式光伏阵列

将若干电池单元按平板结构组装在一起，且所有光伏电池均朝向相同方向，此时光伏阵列直接收集自然照射来的太阳光。光伏阵列可固定安装，也可安装成定向形式。该技术成熟，安装方便，维护简单，因此应用最为广泛。

2）曲面式光伏阵列

直接将光伏电池片贴在应用场地或物体上，如圆弧形、多棱形、圆锥形的房顶和飞行器等。光伏电池片可贴在凸面，也可贴在凹面。曲面式光伏阵列安装较为复杂，太阳遮挡的概率较大，适用于空间飞行器或附加太阳跟踪装置。

3）聚光式光伏阵列

通过反射镜或折射镜将太阳光聚集到一小块光伏电池上。该方式可增加单位面积的光照强度，使单位光伏阵列得到更多的电能，但与此同时电池板将工作在较高的温度下。此外，还需附加太阳跟踪装置，由此会带来太阳跟踪装置的维护及光伏阵列在高温下工作的可靠性等问题。

4）定向安装式光伏阵列

将光伏电池安装在特有的定向装置上，使光伏电池表面总是面向太阳旋转，以获得最大的功率输出。这种定向装置也称为太阳跟踪器。太阳跟踪器又可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种形式。跟踪运行可以是连续的，也可以是间歇的。

4.光伏电池的特性

在光照强度和温度一定时，太阳能电池的特性曲线如图8-10所示，该图表明了在某一确定的光照强度和温度下太阳能电池的输出电流和输出电压之间的关系，简称I-U特性。由该图可知，太阳能电池的I-U特性曲线表明太阳能电池既非恒压源，也非恒流源，而是一种非线性直流电源，其输出电流在大部分工作电压范围内相当恒定，但电压升高到一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零。

根据特性曲线定义太阳能电池的几个重要参数如下。

（1）短路电流（Isc）：在给定的温度和光照条件下所能输出的最大电流。

（2）开路电压（Uoc）：在给定的温度和光照条件下所能输出的最大电压。

（3）最大功率点电流（Im）：在给定的温度和光照条件下最大功率点上的电流。

（4）最大功率点电压（Um）：在给定的温度和光照条件下最大功率点上的电压。

（5）最大功率点功率（Pm）：在给定的温度和光照条件下所能输出的最大功率，即Pm=ImUm。

改变光照强度而保持其他条件不变，得到一组不同光照量下的I-U和P-U特性曲线，如图8-11（a）、（b）所示。由图8-11（a）可见，短路电流Isc与光照强度成正比，而开路电压Uoc的变化很慢。

改变温度而保持其他条件不变，得到一组不同温度下的I-U和P-U特性曲线，如图8-12（a）、（b）所示。当电池的温度发生变化时，开路电压Uoc线性地随电池的温度变化，而短路电流Isc略微变化。这里指的是太阳能电池的温度，而不是环境温度。

根据图8-11和图8-12可以得出以下结论：在一定的温度和光照条件下，太阳能电池的输出功率具有最大值，而太阳能电池一天的最大功率点轨迹接近于某恒压，即温度变化对太阳能电池的输出电压有影响。为了提高太阳能发电系统的效率，负载要及时跟踪光伏组件输出的最大功率点电压，这就要求系统能实现最大功率点跟踪。由于太阳能电池的最大功率点电压接近恒压，因此可适当选择光伏组件的输出电压与负载工作电压相匹配的参数，以便能基本满足最大功率点跟踪。