光伏基本知識

1、光伏基本知識 忠誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/ 主要內(nèi)容 光電效應(yīng)簡介 太陽能電池的開發(fā)背景 光伏效應(yīng)的基本原理 忠誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/ 光電效應(yīng)(photoelectric)：物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某 些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。 1887年Heinrich Hertz在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，愛因斯坦 因采用光量子(photon)的概念成功的解釋了光電效應(yīng)而獲得了 1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。根據(jù)電子吸收光子能量后的不同行為 ，光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。 外光電效應(yīng)：在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外 發(fā)射的現(xiàn)象。 其主要應(yīng)用有光電管和光電倍增管。

2、忠誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/ 內(nèi)光電效應(yīng)：光照射到半導(dǎo)體材料上激發(fā)出電子-空穴對而使半導(dǎo)體 產(chǎn)了產(chǎn)生的電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)可分為光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)是指光照射下半導(dǎo)體材料的電子吸收光子能量從鍵合狀 態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從而引起材料電阻率的變化。其應(yīng)用為光敏電 阻。 光生伏特效應(yīng)是指光照射下物體內(nèi)產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。 其應(yīng)用主要有光伏電池、光(電)敏二極管、光(電)敏三極管等。 忠誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/ 忠誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/ 化石能源的大量使用導(dǎo)致了全球氣候變化。政府間氣候化石能源的大量使用導(dǎo)致了全球氣候變化。政府間氣候 變化專門委員會變化

3、專門委員會(IPCC)的綜合評估結(jié)果表明：近的綜合評估結(jié)果表明：近50年全年全 球大部分增暖，非?？赡芮虼蟛糠衷雠浅？赡?90%以上以上)是人類活動的結(jié)果，是人類活動的結(jié)果， 特別是源于化石燃料使用導(dǎo)致的人為溫室氣體排放。特別是源于化石燃料使用導(dǎo)致的人為溫室氣體排放。 化石能源的開發(fā)利用造成環(huán)境污染。我國每年排入大化石能源的開發(fā)利用造成環(huán)境污染。我國每年排入大 氣的污染物中，有約氣的污染物中，有約80%的煙塵、的煙塵、87%的的SO2和和67% 的的NOx來源于煤的燃燒。這些污染物會形成硫酸煙霧來源于煤的燃燒。這些污染物會形成硫酸煙霧 、酸雨以及其它光化學(xué)煙霧等。、酸雨以及其它光化學(xué)煙霧等

4、。 化石能源行將枯竭帶給人類巨大的挑戰(zhàn)。按照化石能源行將枯竭帶給人類巨大的挑戰(zhàn)。按照2008年的年的 開采速度計(jì)算，全球石油剩余探明儲量可供開采開采速度計(jì)算，全球石油剩余探明儲量可供開采42年，年， 天然氣和煤炭分別可供應(yīng)天然氣和煤炭分別可供應(yīng)60年和年和122年。年。2008年我國煤年我國煤 炭儲采比約為炭儲采比約為41年，天然氣和石油儲采比分別約為年，天然氣和石油儲采比分別約為32年年 和和11年。年。必須加強(qiáng)替代能源必須加強(qiáng)替代能源 包括核能、風(fēng)能、包括核能、風(fēng)能、 太陽能、水能、地太陽能、水能、地 熱和海洋能等的開熱和海洋能等的開 發(fā)利用。發(fā)利用。 忠誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/

5、 太陽能的優(yōu)點(diǎn)：太陽能是人類可利用的最直接的清潔 能源，它分布廣闊，獲取方便；不會污染環(huán)境，沒有廢 水、廢渣、廢氣的排放；可以就地開發(fā)利用，不存在運(yùn) 輸問題。太陽表面釋放的能量換算成電能的功率約為 3.81023KW左右，其中約22億分之一到達(dá)地球，約 1.21014KW(1.35KW/m2,太陽常數(shù))，這相當(dāng)于現(xiàn)在地球上 消耗能量的約1萬倍。根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算 ，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾 十億年，從這個(gè)意義上講，可以說太陽的能量是取自不 盡，用之不竭的。 太陽能的缺點(diǎn)：能源密度較低，并且具有間歇性，使 其大規(guī)模使用的成本和技術(shù)難度均很高，目前太陽能所 提供的

6、能源占世界商業(yè)能源總量不足1%。 忠誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/ 金屬金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體絕緣體 金屬的價(jià)帶是半滿的，所以金屬能夠?qū)щ姡唤^緣體的價(jià)帶是全滿的，金屬的價(jià)帶是半滿的，所以金屬能夠?qū)щ?；絕緣體的價(jià)帶是全滿的， 并且具有較大的禁帶寬度，所以不能導(dǎo)電；半導(dǎo)體的價(jià)帶也是全滿的，并且具有較大的禁帶寬度，所以不能導(dǎo)電；半導(dǎo)體的價(jià)帶也是全滿的， 但由于其具有較窄的禁帶寬度，所以在一定的條件下能夠?qū)щ姟Ｆ潆姷捎谄渚哂休^窄的禁帶寬度，所以在一定的條件下能夠?qū)щ姟Ｆ潆?導(dǎo)率在導(dǎo)率在10-4到到1010歐姆歐姆 厘米之間。厘米之間。 忠誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/ 本征半導(dǎo)體：沒有雜質(zhì)和

7、缺陷的半導(dǎo)體。其原子的排列處 于非常整齊的狀態(tài)，在一定條件下少數(shù)電子可能掙脫束縛而 形成電子載流子n0，同時(shí)留下帶正電的空位(空穴hole)p0，且 濃度n0=p0。在本征半導(dǎo)體中載流子的總數(shù)仍然不能滿足導(dǎo)電 性的需要，所以本征半導(dǎo)體實(shí)際用處不大。常見的本征半導(dǎo) 體有硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等。 摻雜半導(dǎo)體：為了提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，可以通過添加 雜質(zhì)的辦法降低其電阻率，提高其導(dǎo)電性。例如對本征半導(dǎo) 體硅摻入百萬分之一的雜質(zhì)，其電阻率就會從105下降到只有 幾個(gè)歐姆厘米。 p-型半導(dǎo)體：positive, 通過摻雜增加半導(dǎo)體內(nèi)的空穴載流 子的濃度，使空穴(正電子)成為多數(shù)載流

8、子(多子)； n-型半導(dǎo)體：negative, 通過摻雜增加半導(dǎo)體內(nèi)的電子載流 子的濃度，是電子稱為多數(shù)載流子。 忠誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/ 以硅為例，理想的硅原子結(jié)構(gòu)示 意圖： 添加3價(jià)元素硼后的示意圖： 黃色表示B元素，藍(lán)色點(diǎn)表示空穴?？?穴容易吸收電子而中和，就像空穴在流 動一樣。 摻雜5價(jià)元素磷后的示意圖： 黃色表示P元素，紅色點(diǎn)表示多余的電 子，它非?；钴S，容易流動形成電流。 忠誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/ 當(dāng)p-型和n-型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，由于p-型半 導(dǎo)體多空穴，n-型半導(dǎo)體多自由電子，在界面處出 現(xiàn)了濃度差。n-區(qū)的電子會擴(kuò)散到p-區(qū)，p-區(qū)的空穴 會擴(kuò)散到n

9、-區(qū)，這樣會在交界面區(qū)域形成一個(gè)特殊 的薄層，即空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)存在一個(gè)從n- 區(qū)指向p-區(qū)的內(nèi)建電場阻止擴(kuò)散進(jìn)行，內(nèi)建電場與 半導(dǎo)體內(nèi)的擴(kuò)散達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特 殊的薄層，這就是p-n結(jié)。 忠誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/ 當(dāng)光照射p-n結(jié)上時(shí)，如果入射電子的能量大于半導(dǎo) 體材料的禁帶寬度(Eg)，就會在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生大量的自 由載流子-空穴和電子。它們在p-n結(jié)內(nèi)建電場的作用下 ，空穴往p-區(qū)移動，使p-區(qū)獲得附加正電荷；而電子往 n-型區(qū)移動， n-區(qū)獲得負(fù)電荷，產(chǎn)生一個(gè)光生電動勢 ，這就是光伏效應(yīng)(光生伏打效應(yīng))。當(dāng)用導(dǎo)線連接p-型 區(qū)和n-型區(qū)時(shí)，就會形成電流. 忠

10、誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/ 關(guān)于光電效應(yīng)和光伏效應(yīng)的關(guān)系，有以下兩種觀點(diǎn)： 光伏效應(yīng)是光電效應(yīng)的一種：基于這種觀點(diǎn)的光電效應(yīng)是指物體吸收 光能后引起電性能變化的效應(yīng)，包括內(nèi)、外光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)和光伏效應(yīng)是不同的兩個(gè)概念：可以從兩個(gè)方面理解： 這種觀點(diǎn)中的光電效應(yīng)是狹義上的光電效應(yīng)，僅指外光電效應(yīng)。 這種觀點(diǎn)中的光電效應(yīng)定義不同，即photoemission非photoelectric，其 對應(yīng)的材料僅指的是金屬?！袄媒饘俚墓怆娦?yīng)也可以制備太陽電 池，有光照的金屬其化學(xué)勢會稍微大于沒有光照的金屬的化學(xué)勢，從 而產(chǎn)生光伏電壓”，而“光生伏特效應(yīng)是指光子入射到半導(dǎo)體的 p-n 結(jié)后，

11、從 p-n 結(jié)的二端電極產(chǎn)生可輸出功率的電壓伏特值”。 這篇文章中還指出：并不是能夠轉(zhuǎn)換入射光子能量而直接產(chǎn)生輸出電 壓的器件都叫光生伏特效應(yīng)。例如Dember效應(yīng)，指半導(dǎo)體吸收光子后 產(chǎn)生能自由移動的電子和空穴，由于電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)不一樣， 因此會在分布不均的電子和空穴間產(chǎn)生內(nèi)建電場。又如基于光電化學(xué) 效應(yīng)的染料敏化太陽電池，因?yàn)橐玫诫娊赓|(zhì)且涉及到了化學(xué)反應(yīng)， 也不屬于光生伏特效應(yīng)。 忠誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/ 光伏電池和光電二極管都是基于光伏效應(yīng)的光電器件。其主要區(qū)別 在于：光伏電池在零偏置下工作，而光電二極管在反向偏置下工 作光伏電池的摻雜濃度較高1016-19從而具有較

12、強(qiáng)的光伏效應(yīng)，而 光電二極管摻雜濃度較低1012-13光伏電池的電阻率較低0.1-0.01 /cm，而光電二極管則為1000/cm光伏電池的光敏面積要比光 電二極管大得多，因此光電二極管的光電流小得多，一般在uA級 。 忠誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/ 發(fā)光二極管：Light Emitting Diode，在電場作用下， 電子和空穴分別從陰極和陽極注入，空穴和電子在 發(fā)光層中相遇、復(fù)合形成激子，激子經(jīng)過馳豫、擴(kuò) 散、遷移等過程復(fù)合而產(chǎn)生光子。 忠誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/ 光伏電池的主要性能參數(shù)有開路電壓VOC、短路電流ISC、最大輸出 功率Pm、填充因子FF、能量轉(zhuǎn)換效率PCE等

13、。 開路電壓open-circuit voltage：太陽電池處于開路狀態(tài)時(shí)兩端的電 壓，可用高內(nèi)阻的直流毫伏計(jì)測量。 短路電流short-circuit current：太陽電池處于短路狀態(tài)時(shí)流過的電流 ，常用短路電流密度JSC代替，用內(nèi)阻小于1的電流表測量。 最大輸出功率：太陽電池的輸出功率隨負(fù)載電阻而變化，其最大 值成為最大輸出功率，Pm=VmIm。 填充因子Fill Factor：最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之 比，始終小于1，代表太陽能電池在最佳負(fù)載時(shí)能輸出的最大功率 的特性。 能量轉(zhuǎn)換效率Power Conversion Efficiency：太陽電池的最大輸出功率 和入射

14、光的功率之比。 OCSCmm inin FF VIVI PP 忠誠/勤奮/創(chuàng)新/激情 http:/ 太陽能電池輸出特性測量電路示意圖。當(dāng)負(fù)載從太陽能電池輸出特性測量電路示意圖。當(dāng)負(fù)載從0 變化到無窮大時(shí)，輸出電壓變化到無窮大時(shí)，輸出電壓V則從則從0變到變到VOC，同時(shí)，同時(shí) 輸出電流便從輸出電流便從ISC變到變到0，由此得到電池的輸出特性，由此得到電池的輸出特性 曲線。曲線。 A V 太陽電池太陽電池 電壓計(jì)電壓計(jì) 電流計(jì)電流計(jì) 可變電阻可變電阻 除了以上5個(gè)主要參數(shù)，有些文獻(xiàn)上還提到了其它參數(shù)，如光 電轉(zhuǎn)換效率IPCE(mono-chromatic incident photon-to-electron conversion efficiency )、外量子效率EQE(external quantum efficiency ) 及內(nèi)量子效率IQE(Internal Quantum Effi