2.2.2 太阳电池光伏发电原理及特性

如前所述，我们知道太阳能电动汽车是通过贴在车身上的太阳电池吸收太阳能，又通过光电的转化将电能储存在车内蓄电池里以供电机使用而驱动车辆行驶的交通工具。就像传统内燃机车其发动机是其“心脏”，太阳电池也是太阳能汽车的“心脏”。因此这一节接将对太阳电池光伏发电原理及特性进行阐述。

1839年，法国科学家贝克雷尔就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“太阳能效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用太阳能发电技术。太阳电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应。和任何物质的原子一样，半导体的原子同样是由带正电的原子核和带负电的电子组成，目前用于太阳电池的半导体材料主要是晶体硅，半导体硅原子的外层有4个带负电的电子，按固定轨道围绕原子核转动。当硅原子收到外界能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而形成自由电子，并留下空穴。在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现的，且数量极少，导电能力很弱。如果掺入微量的某种杂质，将使掺杂后的半导体（杂质半导体）的导电能力大大增强。如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成为N型半导体（电子型半导体）；如果掺入硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获自由电子，它就形成P型半导体（空穴半导体）。如果把P型半导体和N型半导体结合，在其交界面就会形成一个PN结。太阳光入射到太阳电池表面上后，被太阳电池吸收。此时，在太阳电池内部因吸收了光能而产生了带正电和负电的粒子（空穴和自由电子），这些粒子各自在太阳电池内部自由移动，而且它们绝大多数具有这样的性质，即电子（-）朝N型半导体汇集，空穴（+）则朝P型半导体汇集。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接上负荷，就会产生电流。图2-7所示就是太阳电池的输出特性曲线。

目前常见的太阳电池主要是晶体硅太阳电池，分为单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。单体太阳电池是光电转换的最小单元，一般无法单独使用，将单体太阳电池进行串并联封装后就成为太阳能电池组件，组件的性能和参数因生产厂家而异，太阳电池阵列是根据需要的电流和电压把太阳电池组件串并联组合而成的，其等效电路如图2-8所示。

图2-7 太阳电池输出特性曲线

图2-8 太阳电池的等效电路

当太阳光照射太阳电池时，将产生一个由N区到P区的光生电流IL。同时，由于存在正向二极管电流Id，此电流方向从P区到N区，与光生电流方向相反。

太阳电池的I—U特性曲线是和太阳辐射度和电池温度有关的。在辐射度相同、温度不同时，太阳电池的输出特性和温度相同、辐照度不同时，太阳电池的输出特性分别如图2-9和图2-10所示。

图2-9 温度不同时太阳电池阵列I—U输出特性（辐照度S=1000W/m2）

图2-10 辐照度不同时太阳电池阵列I—U输出特性（温度T=5℃）