光伏電池的原理及發展現狀

　　眾所周知， 太陽能是一種用之不竭、 儲量巨大的清潔可再生能源， 每天到地球表面的輻射能量相當于數億萬桶石油燃燒的能量，太陽能開發與利用逐步成府重點發展的戰略。熱能和光能利用是太陽能應用的兩種重要形式?！肮夥l電是利用光伏電池的光伏效應將太陽光的光能直接轉換為電能的一種可再生、 無污染的發電方式， 正在全球范圍內迅猛發展， 其不僅要替代部分化石能源， 而且未來將成為世界能源供應的主體，是世界各國可再生能源發展的重點。本文闡述了太陽能光伏電池的原理， 綜述了國內外光伏發電技術的發展現狀及發展趨勢。

　　光伏電池的原理及發展現狀

　　1839 年， 法國的 Edmond Becquerel 發現了“光伏效應” ， 即光照能使半導體材料內部的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流。光伏電池是基于半導體 P- N 結接受太陽光照產生光伏效應， 直接將光能轉換成電能的能量轉換器。1954 年，美國 Bell 實驗室的 G． Pearson 等發明了單晶硅光伏電池， 其原理如圖 1 所示。

　　圖 1 中，太陽光照射到光伏電池表面， 其吸收具有一定能量的光子， 在內部產生處于非平衡狀態的電子－ 空穴對;在 P- N 結內建電場的作用下， 電子、 空穴分別被驅向N， P 區， 從而在 P- N 結附近形成與內建電場方向相反的光生電場;光生電場抵消 P- N 結內建電場后的多余部分使P， N 區分別帶正、 負電， 于是產生由 N 區指向 P 區的光生電動勢; 當外接負載后，則有電流從 P 區流出， 經負載從N 區流入光伏電池。圖 2 為光伏電池等效電路， 其中， Iph為與光伏電池面積、 入射光輻照度成正比的光生電流（1 cm2硅光伏電池的 Iph值為 16 ～ 30 mA）;ID， Ish分別為 P- N 結的正向電流、 漏電流;串聯電阻 RS主要由電池體電阻、 電極導體電阻等組成（RS一般 ＜1 Ω）;旁漏電阻 Rsh由硅片邊緣不清潔或體內缺陷所致（Rsh一般為幾 kΩ）;RL 為外接負載電阻， IL， UO分別為光伏電池輸出電壓、 電流;當負載開路（RL= ∞）時，UO即為開路電壓 Uoc， 其與環境溫度成反比、 與電池面積無關（在 100 mW/cm2的光譜輻照度下， 硅光伏電池的 Uoc一般為 450 ～600 mV。與圖 2 對應的光伏電池解析模型，

　　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為 RL= 0 時的短路電流（A）;T 為環境溫度（K）;Tref為參考溫度（一般取 298 K）;S 為實際太陽光輻照度（W/m2）; CT為溫度系數（A/K）;q = 1． 6 × 10－29C;k=1． 38 ×10－23J/K;n， ID0分別為二極管排放系數、 反向電流;Eg為表征半導體禁帶寬度的常量（V）。

　　實用中， 為了滿足負載需要的電壓、 電流， 需將多個容量較小的單體光伏電池串、并成數瓦到數百瓦的光伏模塊（其輸出電壓一般在十幾 ～ 幾十 V），進一步可將多個光伏模塊串、 并聯成光伏陣列。圖 3 為在環境溫度 25 ℃（T =298 K） ， 太陽光輻照度 S = 1 000 W/m2條件下某光伏模塊的仿真輸出特性。

　　圖 3 表明， 一定的溫度、 照度下，光伏電池對應存在一個可能的最大功率輸出運行點（Pmax= UpmaxIpmax）， 但實際工作點則是光伏電池伏安特性與負載伏安特性的交點。

　　圖 3（a）中，給出了 3 條不同阻值 RL1， R*L， RL2的電阻負載伏安特性（RL1＜ R*L ＜ RL2）， 其與光伏電池伏安特性的 3個交點 A， M， B 則為對應的 3 個實際工作點， 只有當負載電阻 RL= R*L 時光伏電池才運行在最大功率點 M， 輸出最大功率 Pmax（UpmaxIpmax）。事實上，光伏電池的短路電流與輻照度成正比， 開路電壓與溫度成反比，輻照度增加、 溫度降低將使其最大功率增加，故隨著天氣（輻照度、溫度）變化， 應實時調整負載的伏安特性使其相交于光伏電池伏安特性的最大功率輸出點處，以實現 “最大功率點跟蹤（MPPT）” 。自 1954 年實用光伏電池問世至今，晶體硅光伏電池占了光伏電池總產量的 80% 以上， 廣泛應用的單晶硅光伏電池光電轉換效率已接近 25%;多晶硅光伏電池的光電轉換效率雖較低， 但其材料成本較低， 可望成為主導產品之一。隨著光伏產業的迅猛發展， 具有半導體材料消耗少、易批量生產、 低成本、 對弱光轉化率高、 易實現光伏建筑一體化等優勢的薄膜光伏電池成為第二代光伏電池研發的重點， 其中， 1976 年問世的非晶硅薄膜光伏電池實驗室效率已達 12． 8%;20 世紀 80 年代興起的銅銦硒（CIS） 多晶薄膜光伏電池實驗室效率已接近 20%。進入 21 世紀， 以提高光電轉換效率、 降低成本為目標的第三代光伏電池，如疊層、 玻璃窗式、 納米光伏電池等研究方興未艾。