太陽是一個巨大的能源，每年向地球輻射大量的光能，這種光能可以用光電變換器變換成電能。在正對太陽的每一平方米的地球表面上，能接收到1kW左右的太陽能。太陽輻射的大部分是光能（高能光子），這種光能可以用光-電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電能。

一、太陽電池的種類

光-電轉(zhuǎn)換器有兩種：一種是光-伽伐尼電池，即光化學(xué)電池；另一種是光生伏特電池。常用的是光生伏特電池。對于光生伏特電池，目前，因材料、工藝等一系列問題，實際生產(chǎn)并應(yīng)用的有硅太陽電池、砷化鎵太陽電池和硫化鎘太陽電池等。硅太陽電池應(yīng)用較為普遍，這三種電池的特點詳見下表1-1。

表1-1：太陽電池的種類及特點

二、硅太陽電池

1、硅太陽電池工作原理

硅太陽電池是一種pn結(jié)型半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)如圖2-1-1所示。pn結(jié)位于和太陽電池受光表面平行的平面內(nèi)，pn結(jié)越淺，復(fù)合損耗越小，輸出電流越大。為了提高太陽電池的效率，上電極（負(fù)極）采用柵狀結(jié)構(gòu)，以縮短載流子經(jīng)過n層的距離，減小n層電阻。一般說來，太陽電池采用柵狀電極后，轉(zhuǎn)換效率可提高1.5%~2%；另外，在受光面上，還蒸發(fā)或濺射了一層很薄的天藍(lán)色的一氧化硅膜，該膜具有防反射作用，因此通常稱為防反射膜。此外，一氧化硅膜還能增加光的透射率，所以稱為增透射膜。增透射膜能使電池對有效入射光的吸收率達(dá)到90%以上，使太陽電池的短路電流增加25%~30%。

圖2-1-1：硅太陽電池結(jié)構(gòu)

硅太陽電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)而制成，這種效應(yīng)就是pn結(jié)在光照射下會產(chǎn)生電動勢。如圖2-1-2所示，當(dāng)pn結(jié)處于平衡狀態(tài)時，在pn結(jié)處有一個耗盡層，其中存在著勢壘電場，該電場的方向由n區(qū)指向p區(qū)。當(dāng)陽光照射到pn結(jié)區(qū)時，硅原子受激發(fā)而產(chǎn)生電子-空穴對，在勢壘電場的作用下，空穴流向p型區(qū)，電子流向n型區(qū)，因此n區(qū)有過剩的電子，p區(qū)有過剩的空穴，結(jié)果在pn結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反的光生電動勢。光生電動勢的一部分抵消了勢壘電場；另一部分使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電，因此在p區(qū)與n區(qū)之間產(chǎn)生光生伏特電動勢U_OC。當(dāng)外電路開路時，光生伏特電勢U_OC即為光照時的開路電壓；當(dāng)外電路短路時，太陽電池就會產(chǎn)生與入射光強(qiáng)成正比的短路電流。

圖2-1-2：pn結(jié)光生伏特效應(yīng)

2、硅太陽電池的等效電路和伏-安特性

硅太陽電池的理想等效電路由光產(chǎn)生的電流源和二極管組成，如圖2-2-1(a)所示。在陽光照射下，當(dāng)太陽電池接通負(fù)載并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，流入負(fù)載的電流I_R和負(fù)載兩端的電壓U_R的關(guān)系為下式，式中符號的含義詳見下表2-2。

I_R = I_L-I₀（e^QUR/KT-1）

圖2-2-1：硅太陽電池的等效電路

表2-2：式中符號的含義

根據(jù)該公式可以做出太陽電池的伏-安特性曲線，如圖2-2-2所示。在電阻負(fù)載時，負(fù)載線為一直線，其斜率由負(fù)載電阻的大小決定。負(fù)載線與伏-安特性曲線的交點M（U_R，I_R）稱為負(fù)載工作點，負(fù)載電阻RL從電池獲得的功率為：P_R =I_R U_R。I_R U_R乘積相當(dāng)于圖中矩形陰影的面積，能使矩形面積為最大的負(fù)載電阻值稱為最佳負(fù)載。最佳負(fù)載能夠從太陽電池獲得最大輸出功率。

圖2-2-2：硅太陽電池的伏-安特性

三、太陽電池的主要特性

1、入射光強(qiáng)響應(yīng)特性

入射光強(qiáng)與開路電壓U_OC和短路電流I_SC的關(guān)系如圖3-1-1所示。從圖中可以看出，路電流I_SC和入射光強(qiáng)成正比，而開路電壓U_OC與入射光強(qiáng)的對數(shù)成正比。

圖3-1-1：入射光強(qiáng)與開路電壓及短路電流的關(guān)系

入射光強(qiáng)為不同數(shù)值時，太陽電池的輸出電壓與輸出功率的關(guān)系曲線如圖3-1-2所示，顯然，獲得最大輸出功率時，太陽電池的輸出電壓明顯地受入射光強(qiáng)的影響。入射光強(qiáng)為100mW/cm²時，太陽電池的電壓、電流與輸出功率的關(guān)系曲線如圖3-1-3所示。當(dāng)電壓低于4V 時，輸出功率減少，而電流基本上保持恒定。可見，太陽電池是比較理想浮充電源。

圖3-1-2：不同入射光強(qiáng)時輸出電壓與輸出功率的關(guān)系

圖3-1-3：電壓、電流與輸出功率的關(guān)系

2、負(fù)載電阻特性

太陽電池的工作電壓隨負(fù)載電阻變化而變化。在入射光強(qiáng)為100mW/cm²時，輸出功率、輸出電壓和輸出電流與負(fù)載電阻的關(guān)系如圖3-2所示。當(dāng)負(fù)載電阻約為50Ω時太陽電池可輸出最大功率。根據(jù)這一特性，可設(shè)計出各種用途的太陽電池供電系統(tǒng)。顯然，獲得最大輸出功率時，太陽電池的輸出電壓明顯地受入射光強(qiáng)的影響。入射光為100mW/cm²時，太陽電池的電壓、電流與輸出功率的關(guān)系曲線如圖3-1-3所示。

圖3-2：負(fù)載電阻與輸出功率、電壓及電流的關(guān)系

3、溫度特性

最大輸出功率P_max、開路電壓U_OC以及短路電流I_SC與溫度的關(guān)系如圖3-3所示。開路電壓以-20mV/℃的速率變化（負(fù)溫度系數(shù)），而短路電流則以2×10^-3A/℃的速率變化（正溫度系數(shù)）。當(dāng)溫度在0℃以上時，最大輸出功率以0.3~0.4%/℃的速率遞減。

圖3-3：最大輸出功率、開路電壓及短路電流與溫度的關(guān)系

4、光靈敏度

硅太陽電池組合板的光譜特性如圖3-4所示，最高光譜靈敏度在0.7~0.9μm之間，即在近紅外線至紅外線的光譜范圍內(nèi)。

圖3-4：硅太陽電池組合板的光譜特性

四、太陽電池的組裝方式

太陽電池的組裝方式有平板式和聚光式兩種。

1、平板式

在使用中，為了滿足負(fù)載要求的輸出功率，首先要把各種規(guī)格的太陽電池串聯(lián)組裝成組合板，然后再將組合板組裝成陣列。關(guān)于組合板和陣列的含義詳見下表4-1。為了防止夜間蓄電池電流饋入太陽電池，需在陣列中架裝設(shè)隔離二極管。當(dāng)陣列最大輸出電流時，陣列連線的電阻壓降應(yīng)小于0.3V，故在選擇陣列間的連線時應(yīng)采用截面較粗的電纜。

表4-1：組合板和陣列的含義

陣列結(jié)構(gòu)架可用標(biāo)準(zhǔn)鋁型材或鋼型材制作，這些材料不僅價格較低，而且還具有足夠的鋼度。為了避免腐蝕，材料的表面必須經(jīng)過熱處理。結(jié)構(gòu)架還應(yīng)有調(diào)節(jié)支架，以便用戶調(diào)節(jié)陣列的傾斜，以獲得最大輸出功率，或者在需要時，可按季節(jié)調(diào)節(jié)陣列的角度。

對于通信用太陽電池方陣容量的計算方法在GB 51194中給出了規(guī)定，欲詳細(xì)了解的請進(jìn)入。

2、聚光式

為了降低硅太陽電池供電系統(tǒng)的成本，除了采用成本較低的材料和簡單的工藝制造太陽電池外，還可以采用聚光式太陽電池系統(tǒng)。聚光式太陽電池系統(tǒng)由聚光電池陣列、支承座和光電自動控制裝置三大部分組成。聚光電池單元由菲涅耳透鏡、太陽電池和散熱器組成。菲涅耳透鏡可采用有機(jī)玻璃、有機(jī)碳酸脂及聚氯乙烯等塑料制成。聚光電池在高光強(qiáng)下工作，輸出電流較大，為了減少串聯(lián)電阻引起的電壓降，聚光電池的串聯(lián)電阻應(yīng)盡可能小，以保證電池有較高的輸出功率。光電自動控制裝置由傳感器、控制箱和電動機(jī)組成，通過這種裝置，太陽電池可以自動跟蹤太陽光，以獲得最大輸出功率。

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