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太阳能发电原理

1、原理概述

太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池板将太阳能转换成电能的一种可再生清洁发电机制。当光线照射到太

阳能电池表面时，一部分光子被太阳电池板反射掉，另一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给硅原子，使

电子发生越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成电位差。当外部接通电路时，在该电压的作用下，则会有直流

电流流过外部电路产生一定的输出功率。

通常每块太阳能电池组件输出的直流电压较低，一般为35V。为了提高电压，达到逆变器最佳工作状态的额

定输入直流电压，将一定数量的太阳能电池串联到一起形成回路，然后接入逆变器中，逆变器将输入的直流电转

换成交流电。逆变后得到的交流电通过站内的升压变压器升至指定电压后并入电网。

图1太阳能发电系统原理

2、系统部件

2.1太阳电池

在太阳能光伏发电系统中，太阳能电池板占据着举足轻重的地位，它是将太阳能转换成电能核心部件。太阳

能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打

效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”。用于制造太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特

殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外

层有4个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，

并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入

硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电子

的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个P－N结。

太阳能电池的核心技术就在这个“结”上，P－N结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。当太阳能电池受到阳光

照射时，电子接受光子的能量，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。这样，

在P－N结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。如果分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则

外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出

功率。

图2太阳能电池结构

目前，制作太阳能电池的原料有单晶硅、多晶硅、非晶硅等。由于生产能力的不断提高和和科

学技术的不断进步，单晶硅以其较高的转化率，高稳定性，低衰减率，成为各太阳电池生产企业重点研发的项

目。单晶硅太阳电池的生产工艺一般分五个流程完成：提纯过程拉棒过程切片过程制电池过程封装过程。各步

工艺如下图所示。

图3单晶硅电池生产工艺

硅材料来源于优势石英砂，也称硅砂，主要成分是高纯的二氧化硅，制作太阳能电池需要将硅砂通过提纯过

程转换成多晶硅。在早期，应用四氯化硅作为硅源进行提纯，主要方法是精馏法和固体吸附法。用这种方法提纯

需要很高的温度，而且在制取四氯化硅时氯气的消耗量很大。后来通过改进，形成改良西门子法，提纯过程主要

有三步：由硅砂到冶金硅、由冶金硅到三氯氢硅、由三氯氢硅可制成晶硅

硅砂提纯后得到的多晶硅由于未掺杂等原因，不能直接用来制作太阳能电池。将融化的硅注入石墨坩埚中，

经过定向凝固后即可获得掺杂均匀，晶粒较大，呈纤维状的多晶硅硅锭。将硅锭在单晶硅炉中加热溶化，然后一

边旋转，一边提拉，熔融的硅就在同一方向定向凝固，得到单晶硅棒。

得到的单晶硅棒一般在单晶硅炉中拉制而成，要经过滚圆，再通过切片机切成厚度为0.15~0.3mm的硅片，这

就是单晶硅的切片过程。

将制成的晶片通过处理后焊上电极，然后再做表面处理，通过特殊工艺处理封装，就能得到合格的太阳电池

组件。

2.2二极管

在太阳能发电系统中，二极管是一个很重要的原件，其按作用可以分为防反二极管和旁路二极管。

防反充二极管（也称阻塞二极管）一般在逆变器与太阳能电池之间，防止夜间或阴雨天太阳电池方阵工作电

压低于其供电的直流母线电压时，母线反过来向太阳能电池方阵反送电，因而消耗能量和导致方阵发热。它串联

在太阳电池方阵电路中，起单向导通作用。

旁路二极管一般应用在有较多电池组件串联成的方阵中，在每