第6章光电效应及应用祥解.ppt

光子学与光电子学 原荣 邱琪 * 图6.3.9 光照时光伏电池I-U曲线 通过光伏电池的总电流是 光伏电池典型的I-U特性曲线，如图6.3.9所示，它工作在第四象限，由图可见，它对应一条正常二极管的暗电流Id特性曲线和向下移动一定距离的两条光电流Iph特性曲线，光电流曲线移动的距离则取决于光强（光生电流与输入光强成正比）。光伏电池开路输出电压Uoc（I = 0）由I-U曲线与电压轴交会点决定。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 * 图6.3.10 光伏电池的伏安特性 负载线是一条直线，斜率是–1/R ，负载线与光伏电池特性曲线的交点是P点，代表了光伏电池电路的工作点，由P点可求得电路的工作电流 Iop和工作电压Uop。输送给负载的功率是 它是图6.3.10（b）中的两条虚线和电流I、电压U坐标围起来的矩形面积。当Iop = Im，Uop = Um时，矩形面积最大，送给负载的功率也最大，这可以通过改变负载和照射强度来实现。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 * 填充因子FF（Fill Factor） 填充因子 衡量光伏电池优劣的指数 Isc最大可能的电流 Uoc开路电压 最大可能的电压 Isc Uoc 期望最大功率 ImUm 实际最大功率 FF应尽可能接近1 通常该值只有70～85 % 由器件材料和结构决定。 例题6.3.3-4 光子学与光电子学 原荣 邱琪 * 6.3.5 光伏电池的等效电路 图6.3.11 实际的光伏电池，存在串联电阻Rs和并联电阻Rp 光子学与光电子学 原荣 邱琪 * 图6.3.12 光伏电池的等效电路 在理想的PN结光伏电池的等效电路中，光生电流过程用一个恒流源发生器Iph表示，光生电流Iph与入射的光强成正比。光生载流子通过PN结的流动在PN结产生了光伏电压差U，该电压又导致如式（6.3.7）表示的正向偏置二极管暗电流Id的产生。 显然，光生电流Iph与暗电流Id流动方向相反，因此，开路时（不接负载）光伏电压使Iph和Id幅度相等，而相互抵消。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 * b）实际的光伏电池 光伏电池的等效电路可以表示为一个光生电流源Iph并联一个二极管和一个分流电阻Rp、一个串联电阻Rs。 Rs表示由于电池衬底材料及其金属导线和接触点中存在的材料缺陷和欧姆接触产生的损耗。串联电阻Rs是一个关键参数，因为它限制了光伏电池的最大可用功率Pmax和短路电流Isc，在理想情况下，串联电阻应该为零。 并联电阻Rp表示由于沿电池边缘的表面漏电或晶格缺陷造成的损耗，在理想情况下，并联电阻应该为无穷大。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 * 图6.3.13 串联电阻展宽了光伏电池I-U特性曲线的弯曲部分，减小了最大可用功率和效率 光伏电池的性能主要由串联电阻Rs决定，如图6.3.13所示，图中Rs = 0是光伏电池最好的情况。由图显见，串联电阻减小了可用的最大功率，因此也就减小了电池的效率。 另外，当Rs足够大时，它限制了电池电路的短路电流。 Rp减小Uoc。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 * 6.3.6 光伏电池的并联和串联 要求光伏电池提供最大的电功率输出，除要求选择最佳的负载电阻外，还要串联或（和）并联多个单片光伏电池。 单片光电池的输出很低，输出电流很小，所以必须把它们组装成光电池组，才能作为电源使用。 又因为在一定的光照下，单片光电池的开路电压是定值，与光电池的面积无关；而光电流则与光电池面积成正比，所以可串联光电池以提高输出电压，并联光电池以提高输出电流。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 * 图6.3.14 单个光伏电池和两个光伏电池并联时的I-U特性和P-I特性 电池并联后串联电阻Rs减小了一半，光生电流Iph却加倍了，二极管的反向饱和电流Io也加倍了。这是显然可见的，因为并联后器件总面积加倍了。 图6.3.14给出器件的I-U特性和P-I特性，同时也画出负载线和工作点。当工作电流I ? 16 mA，工作电压U ? 0.27 V时，输出功率最大，P = 4.4 mW（UI = 0.27?16 mW），此时的负载RL必须是17 ?（U/I = 0.27/0.016 ?）。很清楚，电池并联后增加了可用的电流，而且减小了要驱动的负载电阻。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 * 图6.3.15 两个相同的光伏电池并联在一起共同驱动一个负载电阻的等效电路 在同样的光照情况下，共同驱动一个负载电阻RL的等效电路，现在I和U是两个器件并联后构成系统的总电流和电压。单个电池的二极管电压是Ud – Rs（I/2），于是单个电池供给负载的电流和负载总电流分别是式（