光伏电池发电的原理及应用

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，下面我们一起来看看光伏电池发电的原理及应用。

    光伏电池发电的原理及应用

    光伏电池的原理及发展现状

    1839年，法国的EdmondBecquerel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。

    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（1cm2硅光伏电池的Iph值为16～30mA）；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＜1Ω）；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100mW/cm2的光谱辐照度下，硅光伏电池的Uoc一般为450～600mV。

    IL=Iph－ID－Ish

    Iph=IscS/1000+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298K）；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=298K），太阳光辐照度S=1000W/m2条件下某光伏模块的仿真输出特性。

    光伏发电的历史起源：

    1839年，19岁的法国贝克勒尔做物理实验时，发现在导电液中的两种金属电极用光照射时，电流会加强，从而发现了“光生伏打效应”；

    1930年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳能电池”，使太阳能变成电能；

    1932年，奥杜博特和斯托拉制成第一块“硫化镉”太阳能电池；

    1941年，奥尔在硅上发现光伏效应；

    1954年5月，美国贝尔实验室恰宾、富勒和皮尔松开发出效率为6%的单晶硅太阳能电池，这是世界上第一个有实用价值的太阳能电池。同年，威克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了太阳能电池。太阳光能转化为电能的实用光伏发电技术由此诞生并发展起来。

    光伏发电的原理：

    光伏电池是一种具有光-电转换特性的半导体器件，它直接将太阳辐射能转换成直流电，是光伏发电的最基本单元。光伏电池特有的电特性是借助于在晶体硅中掺入某些元素（例如：磷或硼等），从而在材料的分子电荷里造成永久的不平衡，形成具有特殊电性能的半导体材料。在阳光照射下，具有特殊电性能的半导体内可以产生自由电荷，这些自由电荷定向移动并积累，从而在其两端形成电动势，当用导体将其两端闭合时便产生电流。这种现象被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。