用太阳能光伏电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统，其工作原理是依据所谓的半导体PN结的光生伏特效应，也就是当太阳光照射半导体PN结时，就会在PN结的两边出现电压，引起电流。众所周知，硅原子的外层电子壳层中有4个电子，每个原子的外层电子都有固定的位置，并受原子核的约束。它们在外来能量的激发下，如受太阳光辐射时，就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在它原来的地方留出一个空位，称为“空穴”。电子带负电，空穴带正电，它们是单晶硅中可以运动的电荷。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等杂质元素，那么它就成了空穴型半导体，简称P型半导体。如果在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，那么它就成了电子型的半导体，简称N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成PN结，并在结的两边形成内电场，称为势垒电场。
当太阳光照射PN结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N型区有过剩的电子，P型区有过剩的空穴，于是，就在PN结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵销势垒电场，其余部分使P型区带正电，N型区带负电，这就使得在N型区与P型区之间的薄层产生了电压，即光生伏特电动势。当接通外电路时便有电能输出，这就是PN结接触型单晶硅太阳能电池发电的基本原理。若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并联起来，组成太阳能电池组件，在太阳光的照射下，便可获得具有相当可观的输出功率的电能。
太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4～100cm2。太阳能电池单体的工作电压为0.45～0.5 V，工作电流为20～25mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串联、并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串联、并联装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率（见图8-66）。
目前工程上广泛使用的光电转换器件是晶体硅太阳能电池，生产工艺技术成熟，已进入大规模产业化生产。图8-67是太阳能电池的价格的走势。目前，市售的太阳能光电效率为12%～20%，更高效率的太阳能电池已在实验室研究成功，但成本尚未下降。
图8-66 太阳能电池单体及其组件［126］(www.xing528.com)
图8-67 太阳能电池价格的走势［42］
太阳能光伏发电系统有独立式系统和联网式系统两种。独立式系统主要由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成。联网式系统主要由太阳能电池方阵、联网逆变器、控制器等组成。在我国，典型的光伏发电系统有：于1997年3月完成的辽宁建昌县贫困无电山区独立家用太阳能光伏电源系统示范工程，共计353套独立家用太阳能光伏电源系统；于1995年10月完成的西藏措勤县20kW独立光伏发电站。图8-68为美国缅因州的一栋住宅，它的一半屋顶用于加热冷水，另一半屋顶用光伏电池发电并与电网连接，白天生产的电能卖给电力公司，夜间再从电力公司买进所需的电能。该住宅保温隔热性能良好，采用被动式太阳能采暖。
图8-68 太阳能光伏发电与建筑一体化［42］
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