太阳能板结构及发电原理与输出特性分析——以杭州 5V 太阳能板为例

一、太阳能板结构分析及各层作用

太阳能板（光伏组件）通常由以下多层结构组成，各层的作用及材质如下：

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1. 玻璃层（Front Glass）

作用：保护内部电池片，透光并承受外部机械应力（如风雨、沙尘），同时具备抗紫外线老化能力。

材质：低铁钢化玻璃（透光率＞90%），厚度 3-4mm，表面经减反射处理（AR 涂层）以减少光反射损失，边缘密封防止水汽侵入。

2. EVA 胶膜（Ethylene-Vinyl Acetate）

作用：封装电池片，将玻璃、电池片、背板粘结为一体，提供机械支撑和绝缘保护，同时缓冲外部冲击。

材质：透明 EVA 薄膜（厚度 0.3-0.5mm），具有高透光率、耐候性和抗黄变特性，加热固化后形成稳定胶体。

3. 太阳能电池片（Solar Cell）

作用：核心发电单元，通过光伏效应将光能转化为电能。

材质：单晶硅 / 多晶硅 / 薄膜（如碲化镉、铜铟镓硒）半导体材料，表面刻制栅线电极以收集电流。常见单晶硅电池效率约 22%-26%，多晶硅约 18%-22%。

4. 背板（Backsheet）

作用：保护电池片背面，绝缘、防水、防潮、抗紫外线，防止外部环境（如湿度、温度）对电池片的侵蚀。

材质：三层复合结构（如 PET / 铝箔 / PET），或耐候性更佳的氟塑料（如 TPT、TPE），厚度 0.2-0.3mm。

5. 边框（Frame）

作用：加固组件边缘，提供机械支撑，便于安装和固定。

材质：铝合金型材（表面阳极氧化处理），轻便且耐腐蚀，边角配备橡胶密封件防止水汽渗入。

6. 接线盒（Junction Box）

作用：连接电池片串联 / 并联电路，导出电能并保护内部线路，内置旁路二极管防止热斑效应。

材质：ABS 或 PC 塑料（耐高温、绝缘），内部导线为镀锡铜线，二极管为硅基半导体器件。

二、发电功能原理（光伏效应）

光子吸收：太阳光（光子）照射到半导体电池片时，能量高于禁带宽度（约 1.1eV，硅材料）的光子被吸收，激发电子从价带跃迁到导带，产生电子 - 空穴对。

电荷分离：电池片内的 PN 结（P 型和 N 型半导体界面）形成内建电场，电子被推向 N 区，空穴被推向 P 区，形成电势差。

电流产生：外接负载时，电子从 N 区经导线流向 P 区（外部电路），形成电流；空穴在 P 区聚集，通过电极收集，完成电能输出。

能量转换：单个电池片电压约 0.5-0.6V（硅基），通过串联多个电池片（如 36 片串联形成 18V 组件）提升输出电压，并联增加电流。

三、输出电压与温度、光照强度的关系

1. 电压与光照强度（Irradiance, G）的关系

开路电压（Voc）：随光照强度增加而近似对数增长，公式为：

$
V_{oc} = \frac{n k T}{q} \ln\left(\frac{G}{G_{STC}} \cdot \frac{T_{STC}}{T} + 1\right)
$

其中，$G_{STC}=1000{\text{W/m}}^2$，$T_{STC}=25^{\circ }\text{C}$，$n$为理想因子，$k$为玻尔兹曼常数，$q$为电子电荷。

特性：低光照下（如$G<200{\text{W/m}}^2$），$V_{oc}$随$G$增加显著上升；高光照下趋于饱和（斜率减小）。

工作电压（Vmp）：在最大功率点处， V m p V_{mp}