光伏電池的發(fā)電原理及熱斑效應

1、光伏電池的發(fā)電原理及熱斑效應光伏電池的發(fā)電原理及熱斑效應 太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉換器才能太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉換器才能轉換成電能轉換成電能, , 能將光能轉換成電能的能量轉換器之一，就能將光能轉換成電能的能量轉換器之一，就是光伏電池。是光伏電池。 光伏電池的物理基礎是由兩種不同半導體材料構成的光伏電池的物理基礎是由兩種不同半導體材料構成的大面積大面積PNPN結，以及非平衡少數(shù)載流子在結，以及非平衡少數(shù)載流子在PNPN結內電場作用下結內電場作用下形成的漂移電流。形成的漂移電流。 一、光伏電池的基本原理一、光伏電池的基本原理 太陽光照射到由太陽光照射到由P P、N

2、N型兩種不同半導體材料構成的太型兩種不同半導體材料構成的太陽能電池上時，一部分光線被反射，一部分光線被吸收，陽能電池上時，一部分光線被反射，一部分光線被吸收，還有一部分光線透過電池片。還有一部分光線透過電池片。 一、光伏電池的基本原理一、光伏電池的基本原理 一、光伏電池的基本原理一、光伏電池的基本原理 被吸收的光能激發(fā)被束縛的電子，產生被吸收的光能激發(fā)被束縛的電子，產生“電子電子- -空穴空穴”對，在對，在PNPN結內電場作用下，電子、空穴相互結內電場作用下，電子、空穴相互運動，若在電池兩端接上負載，負載上就有電流流運動，若在電池兩端接上負載，負載上就有電流流過。當光線一直照射時，負載上源源不

3、斷地有電流過。當光線一直照射時，負載上源源不斷地有電流流過。流過。單片太陽能電池就是一個薄片狀的半導體單片太陽能電池就是一個薄片狀的半導體PNPN結。結。標準光照條件下，額定輸出電壓為標準光照條件下，額定輸出電壓為0.5V0.5V左右。左右。 由一片單晶硅片構成的太陽能電池稱為單體。單由一片單晶硅片構成的太陽能電池稱為單體。單體電池的電壓電流很?。w電池的電壓電流很?。?.450.45 0.50V0.50V、2020 25mA/cm25mA/cm2 2) )，一般不能單獨作電源使用，需將它們串、并聯(lián)封裝后，一般不能單獨作電源使用，需將它們串、并聯(lián)封裝后，構成光伏電池組件構成光伏電池組件( (模

4、塊模塊Module)Module)使用，一個組件上光使用，一個組件上光伏電池的標準數(shù)量是伏電池的標準數(shù)量是3636 4040個個. . 當應用場合需要較高的電壓和電流，可把多個組當應用場合需要較高的電壓和電流，可把多個組件再經(jīng)過串并聯(lián)安裝在支架上，構成了光伏電池陣列件再經(jīng)過串并聯(lián)安裝在支架上，構成了光伏電池陣列（Array)Array)，滿足負載所需的功率要求，滿足負載所需的功率要求 一、光伏電池的基本原理一、光伏電池的基本原理一、光伏電池的基本原理一、光伏電池的基本原理 光譜響應光譜響應 太陽光譜中，不同波長的光不同的能量，所含的光太陽光譜中，不同波長的光不同的能量，所含的光子數(shù)目也不相同。

5、因此，光伏電池接受光照射所產生的子數(shù)目也不相同。因此，光伏電池接受光照射所產生的光子的數(shù)目也就不相同。光子的數(shù)目也就不相同。 光伏電池在入射光中每一種波長的光能作用下所收光伏電池在入射光中每一種波長的光能作用下所收集到的光電流，與相對于入射到電池表面的該波長的光集到的光電流，與相對于入射到電池表面的該波長的光子數(shù)之比，叫做光伏電池的光譜響應。子數(shù)之比，叫做光伏電池的光譜響應。 能夠產生光生伏特效應的太陽能輻射波長范圍一般能夠產生光生伏特效應的太陽能輻射波長范圍一般在在0.40.4 1.2um,1.2um,最大靈敏度在最大靈敏度在0.80.8 0.95um0.95um之間。之間。 二、組件輸出功

6、率下降原因二、組件輸出功率下降原因 組件功率衰減是指光伏組件隨著時間的增長，組件輸出組件功率衰減是指光伏組件隨著時間的增長，組件輸出功率逐漸下降的現(xiàn)象。功率逐漸下降的現(xiàn)象。 導致組件輸出功率下降的原因有三大類：導致組件輸出功率下降的原因有三大類： 第一類為組件的光致衰減第一類為組件的光致衰減 第二類為組件老化衰減第二類為組件老化衰減 第三類第三類為外界環(huán)境因素導致的破壞性影響，引起組件功為外界環(huán)境因素導致的破壞性影響，引起組件功率衰減甚至組件損壞。率衰減甚至組件損壞。二、組件輸出功率下降原因二、組件輸出功率下降原因初始光致衰減初始光致衰減 初始的光致衰減，即光伏組件的輸出功率在剛開始使用初始的

7、光致衰減，即光伏組件的輸出功率在剛開始使用的最初幾天內發(fā)生較大幅度的下降，但隨后趨于穩(wěn)定。導致的最初幾天內發(fā)生較大幅度的下降，但隨后趨于穩(wěn)定。導致這一現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是這一現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是P P型（摻硼）晶體硅片中的硼氧型（摻硼）晶體硅片中的硼氧復合體降低了少子壽命。復合體降低了少子壽命。 通過改變通過改變P P型摻雜劑，用稼代替硼能有效的減小光致衰型摻雜劑，用稼代替硼能有效的減小光致衰減；或者對電池片進行預光照處理，是電池的初始光致衰減減；或者對電池片進行預光照處理，是電池的初始光致衰減發(fā)生在組件制造之前，光伏組件的初始光致衰減就能控制在發(fā)生在組件制造之前，光伏組件的初始光致衰減就能控

8、制在一個很小的范圍之內，同時也提高組件的輸出穩(wěn)定性。一個很小的范圍之內，同時也提高組件的輸出穩(wěn)定性。 光致衰減更多的與電池片廠家有關，對于組件廠商的意光致衰減更多的與電池片廠家有關，對于組件廠商的意義在于選擇高質量的電池片來降低光致衰減帶來的影響。義在于選擇高質量的電池片來降低光致衰減帶來的影響。 二、組件輸出功率下降原因二、組件輸出功率下降原因老化衰減老化衰減 老化衰減是指在長期使用中出現(xiàn)的極緩慢的功率下降，老化衰減是指在長期使用中出現(xiàn)的極緩慢的功率下降，產生的主要原因與電池緩慢衰減有關，也與封裝材料的性能產生的主要原因與電池緩慢衰減有關，也與封裝材料的性能退化有關。其中紫外光的照射時導致組

9、件主材性能退化的主退化有關。其中紫外光的照射時導致組件主材性能退化的主要原因。紫外線的長期照射，使得要原因。紫外線的長期照射，使得EVAEVA及背板（及背板（TPETPE結構）發(fā)結構）發(fā)生老化黃變現(xiàn)象，導致組件透光率下降，進而引起功率下降。生老化黃變現(xiàn)象，導致組件透光率下降，進而引起功率下降。 二、組件輸出功率下降原因二、組件輸出功率下降原因外界環(huán)境因素導致的破壞性影響，引起組件功率衰減甚至損外界環(huán)境因素導致的破壞性影響，引起組件功率衰減甚至損壞。壞。 光伏電站在后期的使用過程中，因大部分電站的安裝地光伏電站在后期的使用過程中，因大部分電站的安裝地點都是在野外，因此會碰到各種各樣的天氣和環(huán)境條

10、件，其點都是在野外，因此會碰到各種各樣的天氣和環(huán)境條件，其中最容易導致組件功率下降的因素就是熱斑效應。外界因素中最容易導致組件功率下降的因素就是熱斑效應。外界因素導致的熱斑效應主要是指太陽電池組件在陽光照射下，由于導致的熱斑效應主要是指太陽電池組件在陽光照射下，由于部分組件受到烏云或者樹葉等的遮擋無法工作，使的被遮蓋部分組件受到烏云或者樹葉等的遮擋無法工作，使的被遮蓋的部分組件升溫遠遠大于未被遮蓋部分，致使溫度過高出現(xiàn)的部分組件升溫遠遠大于未被遮蓋部分，致使溫度過高出現(xiàn)燒壞的暗斑。燒壞的暗斑。三、熱斑效應三、熱斑效應 熱斑效應：在一定條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽熱斑效應：在一定條件下，一串

11、聯(lián)支路中被遮蔽的太陽電池組件，將被當作負載消耗其他有光照的太陽電池組件所電池組件，將被當作負載消耗其他有光照的太陽電池組件所產生的能量，被遮蔽的太陽電池組件此時會發(fā)熱，這就是熱產生的能量，被遮蔽的太陽電池組件此時會發(fā)熱，這就是熱斑效應。斑效應。 電池片被完全遮擋（下稱壞片），這個電池片就相當于電池片被完全遮擋（下稱壞片），這個電池片就相當于一個一個PNPN結靜態(tài)狀態(tài)，此時結靜態(tài)狀態(tài)，此時P P極多空穴，極多空穴，N N極多電子，極多電子，PNPN結簿層結簿層有一個內在自建電場，有一個內在自建電場，P P側帶負電，側帶負電，N N側帶正電，對外保持電側帶正電，對外保持電中性，當該壞片接入電池組時

12、，其它電池正常發(fā)電，由于與中性，當該壞片接入電池組時，其它電池正常發(fā)電，由于與之相鄰的電池片在工作故產生電壓，此時加在這個壞片上的之相鄰的電池片在工作故產生電壓，此時加在這個壞片上的兩端的電壓有勢差，即兩端的電壓有勢差，即P P極電壓高于極電壓高于N N極電壓極電壓. .此時壞片作為此時壞片作為耗電部件存在，有耗電部件存在，有P P向向N N的正向電流導通，耗電發(fā)熱，直到燒的正向電流導通，耗電發(fā)熱，直到燒掉該電池，甚至整個串聯(lián)電路停止供電，進而影響光伏供電掉該電池，甚至整個串聯(lián)電路停止供電，進而影響光伏供電系統(tǒng)。系統(tǒng)。三、熱斑效應三、熱斑效應熱斑效應的破壞力熱斑效應的破壞力 熱斑熱斑效應能嚴重

13、的破壞太陽電池。有光照的太陽電池所效應能嚴重的破壞太陽電池。有光照的太陽電池所產生的部分能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。產生的部分能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。有光照的組有光照的組件所產生的部分能量或全部能量都可能被遮蔽的電池所消耗。件所產生的部分能量或全部能量都可能被遮蔽的電池所消耗。 熱斑效應會使焊點融化，破壞封裝材料熱斑效應會使焊點融化，破壞封裝材料( (如無旁路二極如無旁路二極管保護管保護) )，甚至會使整個方陣失效。，甚至會使整個方陣失效。三、熱斑效應三、熱斑效應被破壞的電池片被破壞的電池片三、熱斑效應三、熱斑效應組件熱斑產生的原因組件熱斑產生的原因 造成熱斑效應的根源是有個別壞電

14、池的混入、電極焊片造成熱斑效應的根源是有個別壞電池的混入、電極焊片虛焊、電池由裂紋演變?yōu)槠扑?、個別電池特性變壞、電池局虛焊、電池由裂紋演變?yōu)槠扑椤€別電池特性變壞、電池局部受到陰影遮擋等。由于局部陰影的存在，太陽電池組件中部受到陰影遮擋等。由于局部陰影的存在，太陽電池組件中某些電池單片的電流、電壓發(fā)生了變化。其結果使太陽電池某些電池單片的電流、電壓發(fā)生了變化。其結果使太陽電池組件局部電流與電壓之積增大，從而在這些電池組件上產生組件局部電流與電壓之積增大，從而在這些電池組件上產生了局部溫升。了局部溫升。三、熱斑效應三、熱斑效應解決熱斑效應的方法解決熱斑效應的方法 解決熱斑效應問題的通常做法，是在

15、組件上加裝旁路二極管。通常解決熱斑效應問題的通常做法，是在組件上加裝旁路二極管。通常情況情況 下，旁路二極管處于反偏壓，不影響組件正常工作。當一個電池下，旁路二極管處于反偏壓，不影響組件正常工作。當一個電池被遮擋時，其他電池促其反偏成為大電阻，此時二極管導通，總電池中被遮擋時，其他電池促其反偏成為大電阻，此時二極管導通，總電池中超過被遮電池光生電超過被遮電池光生電 流的部分被二極管分流，從而避免被遮電池過熱流的部分被二極管分流，從而避免被遮電池過熱損壞。光伏組件中一般不會給損壞。光伏組件中一般不會給 每個電池配一個旁路二極管，而是若干每個電池配一個旁路二極管，而是若干個電池為一組配一個。此時被

16、遮擋電池個電池為一組配一個。此時被遮擋電池 只影響其所在電池組的發(fā)電能只影響其所在電池組的發(fā)電能力。力。三、熱斑效應三、熱斑效應旁路二極管的工作原理旁路二極管的工作原理 由于旁路二極管反向電阻無窮大，阻止電流通過二極管由于旁路二極管反向電阻無窮大，阻止電流通過二極管與壞片組成的內部電路（除漏電流外，無反向電流通過壞與壞片組成的內部電路（除漏電流外，無反向電流通過壞片），又由于二極管的正向導電性能，使壞片相鄰的兩片電片），又由于二極管的正向導電性能，使壞片相鄰的兩片電池通過二極管正向導通，仍形成完整電池供電電路。池通過二極管正向導通，仍形成完整電池供電電路。三、熱斑效應三、熱斑效應二極管的導電特

17、性二極管的導電特性 二極管最重要的特性就是單方向導電性。在電路中，電流從二極管二極管最重要的特性就是單方向導電性。在電路中，電流從二極管的正極流入，負極流出。的正極流入，負極流出。 A A、正向特性、正向特性 在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負極接在低電位端，在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負極接在低電位端，二極管就會導通，這種連接方式，稱為正向偏置。當加在二極管兩端的二極管就會導通，這種連接方式，稱為正向偏置。當加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微正向電壓很小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到

18、某一數(shù)值（這一數(shù)值稱為弱。只有當正向電壓達到某一數(shù)值（這一數(shù)值稱為“門檻電壓門檻電壓”,”,鍺管鍺管約為約為0.2V0.2V，硅管約為，硅管約為0.6V0.6V）以后，二極管才能直正導通。導通后二極管）以后，二極管才能直正導通。導通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V0.3V，硅管約為，硅管約為0.7V0.7V），稱為二），稱為二極管的極管的“正向壓降正向壓降”。三、熱斑效應三、熱斑效應B B、反向特性、反向特性 在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負極接在在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過

19、，此時二極管處高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止狀態(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反于截止狀態(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。當二極管兩端的反向電壓增大到某一數(shù)值，反向電流會流。當二極管兩端的反向電壓增大到某一數(shù)值，反向電流會急劇增大，二極管將失去單方向導電特性，這種狀態(tài)稱為二急劇增大，二極管將失去單方向導電特性，這種狀態(tài)稱為二極管的擊穿。極管的擊穿。 綜述，二極管加正向偏置電壓，處于導通狀態(tài)，加反向綜述，二極管加正向偏置電壓，處于導通狀態(tài)，加

20、反向電壓處于截至狀態(tài)，二極管具有單向導電性電壓處于截至狀態(tài)，二極管具有單向導電性。 四、熱斑耐久實驗四、熱斑耐久實驗 熱斑耐久試驗：確定太陽電池組件承受熱斑加熱能力熱斑耐久試驗：確定太陽電池組件承受熱斑加熱能力的檢測試驗叫的檢測試驗叫“熱斑耐久試驗熱斑耐久試驗”。 熱斑耐久試驗的目的是確定組件承受熱斑加熱效應的熱斑耐久試驗的目的是確定組件承受熱斑加熱效應的能力，如這種效應可能導致焊接熔化或封裝退化。電池不能力，如這種效應可能導致焊接熔化或封裝退化。電池不匹配或裂紋、內部連接失效、局部被遮光或弄臟均會引起匹配或裂紋、內部連接失效、局部被遮光或弄臟均會引起這種缺陷。這種缺陷。 熱斑耐久試驗過程需嚴

21、格遵循國際標準熱斑耐久試驗過程需嚴格遵循國際標準IEC 61215-IEC 61215-2005.2005.四、熱斑耐久實驗四、熱斑耐久實驗1. 1. 裝置裝置 (1) (1)輻照源輻照源1 1，穩(wěn)態(tài)太陽模擬器或自然光，輻照度不低于，穩(wěn)態(tài)太陽模擬器或自然光，輻照度不低于700W/700W/，不均勻度不超過，不均勻度不超過2%2%，瞬時不穩(wěn)定度在，瞬時不穩(wěn)定度在5%5%以內。以內。 (2) (2)輻照源輻照源2 2，C C類類( (或更好或更好) )的穩(wěn)態(tài)太陽模擬器或自然光，的穩(wěn)態(tài)太陽模擬器或自然光，其輻照度為其輻照度為1000W/1000W/10%10%。 (3) (3)太陽電池組件太陽電池組

22、件I-VI-V曲線測試儀。曲線測試儀。 (4)(4)一組對試驗太陽電池組件遮光增量為一組對試驗太陽電池組件遮光增量為5%5%的不透明蓋的不透明蓋板。板。 (5)(5)一個適當?shù)臏囟忍綔y器。一個適當?shù)臏囟忍綔y器。四、熱斑耐久實驗四、熱斑耐久實驗 2. 2. 程序程序 在太陽電池組件試驗前應安裝廠商推薦的熱斑保護裝在太陽電池組件試驗前應安裝廠商推薦的熱斑保護裝置。置。 (1) (1)將不遮光的組件在輻照源將不遮光的組件在輻照源1 1下照射，測試其下照射，測試其I-VI-V特特性和最大功率點。性和最大功率點。 (2) (2)使組件短路，組件在穩(wěn)定的輻照源使組件短路，組件在穩(wěn)定的輻照源1 1照射下，用

23、適照射下，用適當?shù)臏囟忍綔y器測定最熱的電池單片。當?shù)臏囟忍綔y器測定最熱的電池單片。 (3) (3)完全擋住選定的電池單片，用輻照源完全擋住選定的電池單片，用輻照源2 2照射組件。照射組件。在此過程中組件的溫度應該在在此過程中組件的溫度應該在50501010。 (4) (4)保持此狀態(tài)經(jīng)過保持此狀態(tài)經(jīng)過5 5小時的曝曬。小時的曝曬。 (5) (5)再次測定組件的再次測定組件的I-VI-V特性和最大功率點。特性和最大功率點。四、熱斑耐久實驗四、熱斑耐久實驗 3.3.要求要求 (1) (1)太陽電池組件無嚴重外觀缺陷；太陽電池組件無嚴重外觀缺陷； (2) (2)太陽電池組件最大輸出功率的衰減不超過試

24、驗前太陽電池組件最大輸出功率的衰減不超過試驗前測試值的測試值的5%5%； 由試驗過程得知，熱斑耐久試驗的最終目的是對太陽由試驗過程得知，熱斑耐久試驗的最終目的是對太陽電池組件廠商的產品質量有嚴格要求，而試驗過程也對試電池組件廠商的產品質量有嚴格要求，而試驗過程也對試驗裝置有準確的規(guī)定。驗裝置有準確的規(guī)定。四、熱斑耐久實驗四、熱斑耐久實驗 3.3.要求要求 (1) (1)太陽電池組件無嚴重外觀缺陷；太陽電池組件無嚴重外觀缺陷； (2) (2)太陽電池組件最大輸出功率的衰減不超過試驗前太陽電池組件最大輸出功率的衰減不超過試驗前測試值的測試值的5%5%； 由試驗過程得知，熱斑耐久試驗的最終目的是對太

25、陽由試驗過程得知，熱斑耐久試驗的最終目的是對太陽電池組件廠商的產品質量有嚴格要求，而試驗過程也對試電池組件廠商的產品質量有嚴格要求，而試驗過程也對試驗裝置有準確的規(guī)定。驗裝置有準確的規(guī)定。五、光伏組件的維護五、光伏組件的維護1 1、光伏組件表面應保持清潔，清洗光伏組件時應注意：、光伏組件表面應保持清潔，清洗光伏組件時應注意： 1 1）應使用干燥或潮濕的柔軟潔凈的布料擦拭光伏組件）應使用干燥或潮濕的柔軟潔凈的布料擦拭光伏組件嚴禁使用腐蝕性溶劑或用硬物擦拭光伏組件；嚴禁使用腐蝕性溶劑或用硬物擦拭光伏組件； 2 2）應在輻照度低于）應在輻照度低于200W/200W/的情況下清潔光伏組件，不的情況下清潔光伏組件，不宜使用與組件溫差較大的液體清洗組件；宜使用與組件溫差較大的液體清洗組件； 3 3）嚴禁在風力大于）嚴禁在風力大于4 4級、大雨或大雪的氣象