2.2.2 太陽電池光伏發(fā)電原理及特性

如前所述，我們知道太陽能電動汽車是通過貼在車身上的太陽電池吸收太陽能，又通過光電的轉(zhuǎn)化將電能儲存在車內(nèi)蓄電池里以供電機使用而驅(qū)動車輛行駛的交通工具。就像傳統(tǒng)內(nèi)燃機車其發(fā)動機是其“心臟”，太陽電池也是太陽能汽車的“心臟”。因此這一節(jié)接將對太陽電池光伏發(fā)電原理及特性進行闡述。

1839年，法國科學(xué)家貝克雷爾就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應(yīng)”，簡稱“太陽能效應(yīng)”。1954年，美國科學(xué)家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成了實用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的實用太陽能發(fā)電技術(shù)。太陽電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。和任何物質(zhì)的原子一樣，半導(dǎo)體的原子同樣是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成，目前用于太陽電池的半導(dǎo)體材料主要是晶體硅，半導(dǎo)體硅原子的外層有4個帶負(fù)電的電子，按固定軌道圍繞原子核轉(zhuǎn)動。當(dāng)硅原子收到外界能量的作用時，這些電子就會脫離軌道而形成自由電子，并留下空穴。在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)的，且數(shù)量極少，導(dǎo)電能力很弱。如果摻入微量的某種雜質(zhì)，將使摻雜后的半導(dǎo)體（雜質(zhì)半導(dǎo)體）的導(dǎo)電能力大大增強。如果摻入能夠釋放電子的磷、砷等元素，它就成為N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）；如果摻入硼、鎵等元素，由于這些元素能夠俘獲自由電子，它就形成P型半導(dǎo)體（空穴半導(dǎo)體）。如果把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合，在其交界面就會形成一個PN結(jié)。太陽光入射到太陽電池表面上后，被太陽電池吸收。此時，在太陽電池內(nèi)部因吸收了光能而產(chǎn)生了帶正電和負(fù)電的粒子（空穴和自由電子），這些粒子各自在太陽電池內(nèi)部自由移動，而且它們絕大多數(shù)具有這樣的性質(zhì)，即電子（-）朝N型半導(dǎo)體匯集，空穴（+）則朝P型半導(dǎo)體匯集。如果這時分別在P型層和N型層焊上金屬導(dǎo)線，接上負(fù)荷，就會產(chǎn)生電流。圖2-7所示就是太陽電池的輸出特性曲線。

目前常見的太陽電池主要是晶體硅太陽電池，分為單晶硅太陽電池和多晶硅太陽電池。單體太陽電池是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，一般無法單獨使用，將單體太陽電池進行串并聯(lián)封裝后就成為太陽能電池組件，組件的性能和參數(shù)因生產(chǎn)廠家而異，太陽電池陣列是根據(jù)需要的電流和電壓把太陽電池組件串并聯(lián)組合而成的，其等效電路如圖2-8所示。

圖2-7 太陽電池輸出特性曲線

圖2-8 太陽電池的等效電路

當(dāng)太陽光照射太陽電池時，將產(chǎn)生一個由N區(qū)到P區(qū)的光生電流IL。同時，由于存在正向二極管電流Id，此電流方向從P區(qū)到N區(qū)，與光生電流方向相反。

太陽電池的I—U特性曲線是和太陽輻射度和電池溫度有關(guān)的。在輻射度相同、溫度不同時，太陽電池的輸出特性和溫度相同、輻照度不同時，太陽電池的輸出特性分別如圖2-9和圖2-10所示。

圖2-9 溫度不同時太陽電池陣列I—U輸出特性（輻照度S=1000W/m2）

圖2-10 輻照度不同時太陽電池陣列I—U輸出特性（溫度T=5℃）