光伏電池的原理及發(fā)展現(xiàn)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(dāng)于數(shù)億萬桶石油燃燒的能量，太陽能開發(fā)與利用逐步成府重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略。熱能和光能利用是太陽能應(yīng)用的兩種重要形式。“光伏發(fā)電是利用光伏電池的光伏效應(yīng)將太陽光的光能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種可再生、 無污染的發(fā)電方式， 正在全球范圍內(nèi)迅猛發(fā)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(yīng)的主體，是世界各國可再生能源發(fā)展的重點(diǎn)。本文闡述了太陽能光伏電池的原理， 綜述了國內(nèi)外光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

　　1839 年， 法國的 Edmond Becquerel 發(fā)現(xiàn)了“光伏效應(yīng)” ， 即光照能使半導(dǎo)體材料內(nèi)部的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流。光伏電池是基于半導(dǎo)體 P- N 結(jié)接受太陽光照產(chǎn)生光伏效應(yīng)， 直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器。1954 年，美國 Bell 實(shí)驗(yàn)室的 G． Pearson 等發(fā)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(nèi)部產(chǎn)生處于非平衡狀態(tài)的電子－ 空穴對;在 P- N 結(jié)內(nèi)建電場的作用下， 電子、 空穴分別被驅(qū)向N， P 區(qū)， 從而在 P- N 結(jié)附近形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場;光生電場抵消 P- N 結(jié)內(nèi)建電場后的多余部分使P， N 區(qū)分別帶正、 負(fù)電， 于是產(chǎn)生由 N 區(qū)指向 P 區(qū)的光生電動勢; 當(dāng)外接負(fù)載后，則有電流從 P 區(qū)流出， 經(jīng)負(fù)載從N 區(qū)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(jié)的正向電流、 漏電流;串聯(lián)電阻 RS主要由電池體電阻、 電極導(dǎo)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(nèi)缺陷所致（Rsh一般為幾 kΩ）;RL 為外接負(fù)載電阻， IL， UO分別為光伏電池輸出電壓、 電流;當(dāng)負(fù)載開路（RL= ∞）時，UO即為開路電壓 Uoc， 其與環(huán)境溫度成反比、 與電池面積無關(guān)（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(yīng)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(huán)境溫度（K）;Tref為參考溫度（一般取 298 K）;S 為實(shí)際太陽光輻照度（W/m2）; CT為溫度系數(shù)（A/K）;q = 1． 6 &TImes; 10－29C;k=1． 38 &TImes;10－23J/K;n， ID0分別為二極管排放系數(shù)、 反向電流;Eg為表征半導(dǎo)體禁帶寬度的常量（V）。

　　實(shí)用中， 為了滿足負(fù)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(shù)瓦到數(shù)百瓦的光伏模塊（其輸出電壓一般在十幾 ～ 幾十 V），進(jìn)一步可將多個光伏模塊串、 并聯(lián)成光伏陣列。圖 3 為在環(huán)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(yīng)存在一個可能的最大功率輸出運(yùn)行點(diǎn)（Pmax= UpmaxIpmax）， 但實(shí)際工作點(diǎn)則是光伏電池伏安特性與負(fù)載伏安特性的交點(diǎn)。

　　圖 3（a）中，給出了 3 條不同阻值 RL1， R*L， RL2的電阻負(fù)載伏安特性（RL1＜ R*L ＜ RL2）， 其與光伏電池伏安特性的 3個交點(diǎn) A， M， B 則為對應(yīng)的 3 個實(shí)際工作點(diǎn)， 只有當(dāng)負(fù)載電阻 RL= R*L 時光伏電池才運(yùn)行在最大功率點(diǎn) M， 輸出最大功率 Pmax（UpmaxIpmax）。事實(shí)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(yīng)實(shí)時調(diào)整負(fù)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(diǎn)處，以實(shí)現(xiàn) “最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）” 。自 1954 年實(shí)用光伏電池問世至今，晶體硅光伏電池占了光伏電池總產(chǎn)量的 80% 以上， 廣泛應(yīng)用的單晶硅光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率已接近 25%;多晶硅光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率雖較低， 但其材料成本較低， 可望成為主導(dǎo)產(chǎn)品之一。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展， 具有半導(dǎo)體材料消耗少、易批量生產(chǎn)、 低成本、 對弱光轉(zhuǎn)化率高、 易實(shí)現(xiàn)光伏建筑一體化等優(yōu)勢的薄膜光伏電池成為第二代光伏電池研發(fā)的重點(diǎn)， 其中， 1976 年問世的非晶硅薄膜光伏電池實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá) 12． 8%;20 世紀(jì) 80 年代興起的銅銦硒（CIS） 多晶薄膜光伏電池實(shí)驗(yàn)室效率已接近 20%。進(jìn)入 21 世紀(jì)， 以提高光電轉(zhuǎn)換效率、 降低成本為目標(biāo)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。