晶體硅太陽(yáng)能電池的基本原理PPT教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1晶體硅太陽(yáng)能電池的基本原理晶體硅太陽(yáng)能電池的基本原理+4+4+4+4+4+4+4+4+4硅是四價(jià)元素，每個(gè)原子的硅是四價(jià)元素，每個(gè)原子的最外層上有最外層上有4個(gè)電子。個(gè)電子。這這4個(gè)電子又被稱為個(gè)電子又被稱為價(jià)電子價(jià)電子硅晶體中，每個(gè)原子有硅晶體中，每個(gè)原子有4個(gè)個(gè)相鄰原子，并和每一個(gè)相鄰相鄰原子，并和每一個(gè)相鄰原子共有原子共有2個(gè)價(jià)電子，形成個(gè)價(jià)電子，形成穩(wěn)定的穩(wěn)定的8原子殼層。原子殼層。第1頁(yè)/共40頁(yè)當(dāng)溫度升高或受到光當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子的照射時(shí)，束縛電子能量升高，有的電子能量升高，有的電子可以掙脫原子核的束可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，稱縛，而參與導(dǎo)電，稱為

2、為自由電子自由電子。自由電子產(chǎn)生的同時(shí)自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)一個(gè)空位，中就出現(xiàn)一個(gè)空位，稱為稱為空穴空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由自由電子電子空穴空穴第2頁(yè)/共40頁(yè)能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)量子力學(xué)證明，由于晶體中各原子間的相互影響，原來(lái)各原子量子力學(xué)證明，由于晶體中各原子間的相互影響，原來(lái)各原子中能量相近的中能量相近的能級(jí)能級(jí)將分裂成一系列和原能級(jí)接近的新能級(jí)。這將分裂成一系列和原能級(jí)接近的新能級(jí)。這些新能級(jí)基本上連成一片，形成些新能級(jí)基本上連成一片，形成能帶能帶 當(dāng)當(dāng)N N個(gè)原子靠近形成晶體時(shí)，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于個(gè)原子靠近形成晶體

3、時(shí)，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來(lái)孤立原子的一個(gè)能級(jí)，就分裂成原來(lái)孤立原子的一個(gè)能級(jí)，就分裂成N N條靠得很近的能級(jí)。使原條靠得很近的能級(jí)。使原來(lái)處于相同能級(jí)上的電子，不再有相同的能量，而處于來(lái)處于相同能級(jí)上的電子，不再有相同的能量，而處于N N個(gè)很接個(gè)很接近的新能級(jí)上。近的新能級(jí)上。由于晶體中原子的周期性排列，價(jià)電子不再為單個(gè)原子所有的由于晶體中原子的周期性排列，價(jià)電子不再為單個(gè)原子所有的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。共有化的電子共有化的電子可以在不同原子中的相似軌道上轉(zhuǎn)移，可可以在不同原子中的相似軌道上轉(zhuǎn)移，可以在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng)。以在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng)。 第3頁(yè)/共40頁(yè)n = 3n = 2 原子能級(jí)原子能

4、級(jí) 能帶能帶N N條能級(jí)條能級(jí)E E禁帶禁帶第4頁(yè)/共40頁(yè)滿帶滿帶：排滿電子的能帶：排滿電子的能帶空帶空帶：未排電子的能帶：未排電子的能帶未滿帶未滿帶：排了電子但未排滿的能帶：排了電子但未排滿的能帶禁帶禁帶：不能排電子的區(qū)域：不能排電子的區(qū)域11滿帶不導(dǎo)電滿帶不導(dǎo)電22未滿能帶才有導(dǎo)電性未滿能帶才有導(dǎo)電性導(dǎo)帶導(dǎo)帶：最高的滿帶：最高的滿帶價(jià)帶價(jià)帶：最低的空帶：最低的空帶電子可以從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，價(jià)帶中產(chǎn)生空穴，導(dǎo)帶中出現(xiàn)電電子可以從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，價(jià)帶中產(chǎn)生空穴，導(dǎo)帶中出現(xiàn)電子，空穴和電子都參與導(dǎo)電成為子，空穴和電子都參與導(dǎo)電成為載流子載流子第5頁(yè)/共40頁(yè)導(dǎo)體導(dǎo)體，在外電場(chǎng)的作用下，大量共有

5、化電子很易獲得能量，集體，在外電場(chǎng)的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。定向流動(dòng)形成電流。絕緣體絕緣體：在外電場(chǎng)的作用下，共有化電子很難接受外電場(chǎng)的能量：在外電場(chǎng)的作用下，共有化電子很難接受外電場(chǎng)的能量，所以形不成電流。從能級(jí)圖上來(lái)看，是因?yàn)闈M帶與空帶之間有，所以形不成電流。從能級(jí)圖上來(lái)看，是因?yàn)闈M帶與空帶之間有一個(gè)較寬的禁帶（一個(gè)較寬的禁帶（E Eg g 約約3 36 eV6 eV），共有化電子很難從低能級(jí)（），共有化電子很難從低能級(jí)（滿帶）躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。滿帶）躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。半導(dǎo)體半導(dǎo)體：的能帶結(jié)構(gòu)：的能帶結(jié)構(gòu), ,滿帶與空帶之間也是禁帶，滿帶與

6、空帶之間也是禁帶， 但是禁帶很窄但是禁帶很窄（E Eg g 約約3 eV3 eV以下以下 ) )。第6頁(yè)/共40頁(yè) 導(dǎo)體導(dǎo)體 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 絕緣體絕緣體Eg Eg 價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶最高的滿帶最高的滿帶最低的空帶最低的空帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶滿帶滿帶部分部分填充填充能帶能帶第7頁(yè)/共40頁(yè)在在本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體硅或鍺中摻入微量的其它適當(dāng)元素后所形成硅或鍺中摻入微量的其它適當(dāng)元素后所形成的半導(dǎo)體的半導(dǎo)體2 2 摻雜半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體1 1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體無(wú)雜質(zhì)，無(wú)缺陷的半導(dǎo)體無(wú)雜質(zhì)，無(wú)缺陷的半導(dǎo)體本證載流子：電子、空穴均參與導(dǎo)電本證載流子：電子、空穴均參與導(dǎo)電本征半導(dǎo)體中正負(fù)

7、載流子數(shù)目相等，數(shù)目很少本征半導(dǎo)體中正負(fù)載流子數(shù)目相等，數(shù)目很少第8頁(yè)/共40頁(yè)根據(jù)摻雜的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為根據(jù)摻雜的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體：摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷、砷）的雜質(zhì)半導(dǎo)體型半導(dǎo)體：摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷、砷）的雜質(zhì)半導(dǎo)體P P型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼等。型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼等。第9頁(yè)/共40頁(yè)空空 帶帶滿滿 帶帶施主能級(jí)施主能級(jí)DEDDEg空空 帶帶DEa滿滿 帶帶受主能級(jí)受主能級(jí)DEg第10頁(yè)/共40頁(yè)摻入少量五價(jià)雜質(zhì)元素磷摻入少量五價(jià)雜質(zhì)元素磷+4+4+4+4+4+4+4+

8、4P P多出一多出一個(gè)電子個(gè)電子出現(xiàn)了一出現(xiàn)了一個(gè)正離子個(gè)正離子電子是多數(shù)載流子，簡(jiǎn)電子是多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱稱多子多子; ;空穴是少數(shù)載流子，簡(jiǎn)空穴是少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱稱少子少子。施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)半導(dǎo)體整體呈電中性半導(dǎo)體整體呈電中性第11頁(yè)/共40頁(yè)摻入少量三價(jià)雜質(zhì)元素硼摻入少量三價(jià)雜質(zhì)元素硼+4+4+4+4+4+4+4+4B空穴空穴負(fù)離子負(fù)離子空穴是多數(shù)載流子，空穴是多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱多子多子; ;電子是少數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱少子少子。受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)半導(dǎo)體整體呈電中性半導(dǎo)體整體呈電中性第12頁(yè)/共40頁(yè)結(jié)結(jié)半導(dǎo)體中載流子有半導(dǎo)體中載流子有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和和漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)兩

9、種運(yùn)動(dòng)方式。兩種運(yùn)動(dòng)方式。載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱為載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng). .在半導(dǎo)體中，如果載流子濃度分布不均勻，因?yàn)闈舛炔钤诎雽?dǎo)體中，如果載流子濃度分布不均勻，因?yàn)闈舛炔?，載流子將會(huì)從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，這，載流子將會(huì)從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為種運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成P P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成N N型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面處將形成一個(gè)特殊的型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面處將形成一個(gè)特殊的薄層薄層PN結(jié)結(jié)第13頁(yè)/共40頁(yè) 多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電

10、荷區(qū)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)由于濃度差，電子和空穴都要從濃度高的區(qū)域向由于濃度差，電子和空穴都要從濃度高的區(qū)域向擴(kuò)散的結(jié)擴(kuò)散的結(jié)果，交界面果，交界面P P區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動(dòng)的負(fù)離子，區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動(dòng)的負(fù)離子，N N區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動(dòng)的正離子，這樣在交界面區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動(dòng)的正離子，這樣在交界面處出現(xiàn)由數(shù)量相等的正負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)，并產(chǎn)生由處出現(xiàn)由數(shù)量相等的正負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)，并產(chǎn)生由N N區(qū)指向區(qū)指向P P區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)E EININ。PNPN結(jié)結(jié)第14頁(yè)/共40頁(yè)1616 內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)E EININ阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂

11、移阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移多子擴(kuò)散多子擴(kuò)散空間電荷區(qū)加寬空間電荷區(qū)加寬內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)E EININ增強(qiáng)增強(qiáng) 少子漂移少子漂移促使促使阻止阻止E EININE EININ空間電荷區(qū)變窄空間電荷區(qū)變窄內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)E EININ削弱削弱 擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度的擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度的PNPN結(jié)結(jié)第15頁(yè)/共40頁(yè)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)當(dāng)光照射當(dāng)光照射p-np-n結(jié)，只要入射光子能量大于材料禁帶寬度，就會(huì)在結(jié)區(qū)激結(jié)，只要入射光子能量大于材料禁帶寬度，就會(huì)在結(jié)區(qū)激發(fā)電子發(fā)電子- -空穴對(duì)。這些非平衡載流子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，空穴順著電空穴對(duì)。這些非平衡載流子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下

12、，空穴順著電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，電子逆著電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，電子逆著電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，最后在最后在n n區(qū)邊界積累光生電子，在區(qū)邊界積累光生電子，在p p區(qū)邊區(qū)邊界積累光生空穴界積累光生空穴，產(chǎn)生一個(gè)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，即在，即在p p區(qū)區(qū)和和n n區(qū)之間產(chǎn)生了光生電壓區(qū)之間產(chǎn)生了光生電壓U UOCOC，這就是，這就是p-np-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。只要光結(jié)的光生伏特效應(yīng)。只要光照不停止，這個(gè)光生電壓將永遠(yuǎn)存在。照不停止，這個(gè)光生電壓將永遠(yuǎn)存在。第16頁(yè)/共40頁(yè)太陽(yáng)電池的基本工作原理太陽(yáng)電池的基本工作原理光電轉(zhuǎn)換的物理過(guò)程：光電轉(zhuǎn)換的物理過(guò)程：（1 1）光子被吸收，使）

13、光子被吸收，使PNPN結(jié)的結(jié)的P P側(cè)和側(cè)和N N側(cè)兩邊產(chǎn)生電子側(cè)兩邊產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)空穴對(duì)（2 2）在離開）在離開PNPN結(jié)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度以內(nèi)產(chǎn)生的電子和空穴通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)空結(jié)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度以內(nèi)產(chǎn)生的電子和空穴通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)空 間電荷區(qū)間電荷區(qū)（3 3）電子）電子- -空穴對(duì)被電場(chǎng)分離，空穴對(duì)被電場(chǎng)分離，P P側(cè)的電子從高電位滑落至側(cè)的電子從高電位滑落至N N側(cè)，空穴側(cè)，空穴沿著相反的方向移動(dòng)沿著相反的方向移動(dòng)（4 4）若）若PNPN結(jié)開路，則在結(jié)兩邊積累的電子和空穴產(chǎn)生開路電壓結(jié)開路，則在結(jié)兩邊積累的電子和空穴產(chǎn)生開路電壓第17頁(yè)/共40頁(yè)晶硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)晶硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)第18頁(yè)/共40頁(yè)

14、第19頁(yè)/共40頁(yè)由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過(guò)由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過(guò)p pn n結(jié)后如果在半導(dǎo)體中結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽(yáng)光就不能通過(guò)，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋，陽(yáng)光就不能通過(guò)，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p pn n結(jié)（如圖結(jié)（如圖柵狀電極柵狀電極），以增加入射光的面積。），以增加入射光的面積。另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽(yáng)光，不能被電池利用。另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽(yáng)光，不能被電池利用。為此，科學(xué)家們給它涂上了一

15、層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜，將反射為此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜，將反射損失減小到損失減小到5 5甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是限，于是人們又將很多電池（通常是3636個(gè)）并聯(lián)或串聯(lián)起來(lái)使用，個(gè)）并聯(lián)或串聯(lián)起來(lái)使用，形成太陽(yáng)能光電板。形成太陽(yáng)能光電板。第20頁(yè)/共40頁(yè)3.3 3.3 太陽(yáng)能電池的電學(xué)性能太陽(yáng)能電池的電學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件光源輻照度：光源輻照度：1000W/m1000W/m2 2測(cè)試溫度：測(cè)試溫度：25250 0C CAM1.5AM1.5太陽(yáng)光譜輻照度分布太陽(yáng)光

16、譜輻照度分布第21頁(yè)/共40頁(yè)太陽(yáng)電池等效電路太陽(yáng)電池等效電路 R Rsese表示來(lái)自電極接觸、基體材料等歐姆損耗的串聯(lián)電阻表示來(lái)自電極接觸、基體材料等歐姆損耗的串聯(lián)電阻R Rshsh表示來(lái)自泄漏電流的旁路電阻表示來(lái)自泄漏電流的旁路電阻R RL L表示負(fù)載電阻表示負(fù)載電阻I ID D表示二極管電流表示二極管電流I IL L表示光生電流表示光生電流晶體硅太陽(yáng)電池的等效電路晶體硅太陽(yáng)電池的等效電路第22頁(yè)/共40頁(yè)seLDshV + IRI = I + I +R根據(jù)等效電路根據(jù)等效電路將將p p- -n n結(jié)二極管電流方程結(jié)二極管電流方程qVnkTD0I= Ie- 1代入上式的輸出電流代入上式的輸

17、出電流seq(V+IR)senkTL0shV + IRI = I - Ie-1 -R式中式中q q為電子電量，為電子電量， k k為波爾茲曼常數(shù)，為波爾茲曼常數(shù)，T T為絕對(duì)溫度，為絕對(duì)溫度，n n為二極管質(zhì)量因子。為二極管質(zhì)量因子。理想情況下，理想情況下， R Rshsh , ,R Rsese0 0seq(V+IR)nkTL0I = I - Ie-1第23頁(yè)/共40頁(yè)太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)伏安特性曲線（伏安特性曲線（I-VI-V曲線）曲線）當(dāng)負(fù)載當(dāng)負(fù)載R RL L從從0 0 變化到無(wú)窮大時(shí)，輸出電壓變化到無(wú)窮大時(shí)，輸出電壓V V 則從則從0 0 變到變到V VOCOC，

18、同時(shí)輸出電流便從，同時(shí)輸出電流便從I ISCSC變到變到0 0，由此得到電池的輸出特性曲，由此得到電池的輸出特性曲線線太陽(yáng)能電池的伏安曲線太陽(yáng)能電池的伏安曲線電池產(chǎn)生電池產(chǎn)生的電能的電能MvmIm0第24頁(yè)/共40頁(yè)最大功率點(diǎn)最大功率點(diǎn)mmmaxP = IU= PM M點(diǎn)為改太陽(yáng)電池的最佳工作點(diǎn)點(diǎn)為改太陽(yáng)電池的最佳工作點(diǎn)太陽(yáng)能電池的伏安曲線太陽(yáng)能電池的伏安曲線電池產(chǎn)生電池產(chǎn)生的電能的電能MvmIm0第25頁(yè)/共40頁(yè)短路電流短路電流是指當(dāng)穿過(guò)電池的電壓為零時(shí)流過(guò)電池的電流（或是指當(dāng)穿過(guò)電池的電壓為零時(shí)流過(guò)電池的電流（或者說(shuō)電池被短路時(shí)的電流）。通常記作者說(shuō)電池被短路時(shí)的電流）。通常記作ISC。

19、短路電流源于光生載流子的產(chǎn)生和收集。對(duì)于電阻阻抗最小的短路電流源于光生載流子的產(chǎn)生和收集。對(duì)于電阻阻抗最小的理想太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，短路電流就等于光生電流。因此短路電理想太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，短路電流就等于光生電流。因此短路電流是電池能輸出的最大電流。流是電池能輸出的最大電流。在在AM1.5AM1.5大氣質(zhì)量光譜下的硅太陽(yáng)能電池，其可能的最大電大氣質(zhì)量光譜下的硅太陽(yáng)能電池，其可能的最大電流為流為4646mAmA/ /cmcm2 2。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到4242mAmA/ /cmcm2 2，而商，而商業(yè)用太陽(yáng)能電池的短路電流在業(yè)用太陽(yáng)能電池的短路電流在2828到到3535mA

20、mA/ /cmcm2 2之間。之間。第26頁(yè)/共40頁(yè)開路電壓開路電壓VOC是太陽(yáng)能電池能輸出的最大電壓，此時(shí)輸出電流是太陽(yáng)能電池能輸出的最大電壓，此時(shí)輸出電流為零。開路電壓的大小相當(dāng)于光生電流在電池兩邊加的正向?yàn)榱?。開路電壓的大小相當(dāng)于光生電流在電池兩邊加的正向偏壓。開路電壓如下圖伏安曲線所示。偏壓。開路電壓如下圖伏安曲線所示。開路電壓是太陽(yáng)能電池的最大電壓，即凈電流為零時(shí)的電壓。開路電壓是太陽(yáng)能電池的最大電壓，即凈電流為零時(shí)的電壓。第27頁(yè)/共40頁(yè)上述方程顯示了上述方程顯示了VOC取決于太陽(yáng)能電池的飽和電流和光生電流取決于太陽(yáng)能電池的飽和電流和光生電流。由于短路電流的變化很小，而飽和電流

21、的大小可以改變幾個(gè)。由于短路電流的變化很小，而飽和電流的大小可以改變幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以主要影響是飽和電流。飽和電流數(shù)量級(jí)，所以主要影響是飽和電流。飽和電流I0主要取決于電主要取決于電池的復(fù)合效應(yīng)。即可以通過(guò)測(cè)量開路電壓來(lái)算出電池的復(fù)合效池的復(fù)合效應(yīng)。即可以通過(guò)測(cè)量開路電壓來(lái)算出電池的復(fù)合效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的硅太陽(yáng)能電池在應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的硅太陽(yáng)能電池在AM1.5光譜下的最大開路電光譜下的最大開路電壓能達(dá)到壓能達(dá)到720mV，而商業(yè)用太陽(yáng)能電池通常為，而商業(yè)用太陽(yáng)能電池通常為600mV。01LOCInkTVlnqI 通過(guò)把輸出電流設(shè)置成零，便可得到太陽(yáng)能電池的開路電壓方程：通過(guò)把輸出電流設(shè)置成零，便可

22、得到太陽(yáng)能電池的開路電壓方程：第28頁(yè)/共40頁(yè)填充因子填充因子被定義為電池的最大輸出功率與開路被定義為電池的最大輸出功率與開路VOC和和ISC的乘積的的乘積的比值。比值。短路電流和開路電壓分別是太陽(yáng)能電池能輸出的最大電流和最短路電流和開路電壓分別是太陽(yáng)能電池能輸出的最大電流和最大電壓。然而，當(dāng)電池輸出狀態(tài)在這兩點(diǎn)時(shí)，電池的輸出功率大電壓。然而，當(dāng)電池輸出狀態(tài)在這兩點(diǎn)時(shí)，電池的輸出功率都為零。都為零?！疤畛湟蜃犹畛湟蜃印?，通常使用它的簡(jiǎn)寫，通常使用它的簡(jiǎn)寫“FF”，是由開路，是由開路電壓電壓VOC和短路電流和短路電流ISC共同決定的參數(shù)，它共同決定的參數(shù)，它決定決定了太陽(yáng)能電池的了太陽(yáng)能電池的

23、輸出效率輸出效率。從圖形上看，。從圖形上看，F(xiàn)F就是能夠占據(jù)就是能夠占據(jù)IV曲線區(qū)域最大的面曲線區(qū)域最大的面積。如下圖所示。積。如下圖所示。第29頁(yè)/共40頁(yè)第30頁(yè)/共40頁(yè)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換：太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換：太陽(yáng)電池接受的最大功率與入射到該電太陽(yáng)電池接受的最大功率與入射到該電池上的全部輻射功率的百分比。池上的全部輻射功率的百分比。mmtin= I U/ A PU Um m、I Im m分別為最大功率點(diǎn)的電壓分別為最大功率點(diǎn)的電壓A At t為包括柵線面積在內(nèi)的太陽(yáng)電池總面積為包括柵線面積在內(nèi)的太陽(yáng)電池總面積P Pinin為單位面積入射光的功率。為單位面積入射光的功率。第31頁(yè)/共40頁(yè)在太

24、陽(yáng)能電池中，在太陽(yáng)能電池中，受溫度影響最大的參數(shù)是開路電壓受溫度影響最大的參數(shù)是開路電壓。溫度的改。溫度的改變對(duì)伏安曲線的影響如下圖所示。變對(duì)伏安曲線的影響如下圖所示。短路電流短路電流ISC提高幅度很小提高幅度很小溫度較高的電池溫度較高的電池開路電壓開路電壓Voc下降幅度大下降幅度大第32頁(yè)/共40頁(yè)太陽(yáng)輻照度對(duì)太陽(yáng)能電池的伏安特性的影響太陽(yáng)輻照度對(duì)太陽(yáng)能電池的伏安特性的影響短路電流短路電流I ISCSC隨著聚光呈線性上升隨著聚光呈線性上升開路電壓隨光強(qiáng)呈對(duì)數(shù)上升開路電壓隨光強(qiáng)呈對(duì)數(shù)上升第33頁(yè)/共40頁(yè)影響太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的因素影響太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的因素 1. 1. 禁帶寬度禁帶寬度V VO

25、COC隨隨E Eg g的增大而增大，但另一方面，的增大而增大，但另一方面，I ISCSC隨隨E Eg g的增大而減小。結(jié)果的增大而減小。結(jié)果是可期望在某一個(gè)確定的是可期望在某一個(gè)確定的E Eg g隨處出現(xiàn)太陽(yáng)電池效率的峰值。隨處出現(xiàn)太陽(yáng)電池效率的峰值。 隨溫度的增加，效率隨溫度的增加，效率下降。下降。I ISCSC對(duì)溫度對(duì)溫度T T不很敏感，溫度主要對(duì)不很敏感，溫度主要對(duì)V VOCOC起作用。起作用。 對(duì)于對(duì)于SiSi，溫度每增加，溫度每增加1 10 0C C，V VOCOC下降室溫值的下降室溫值的0.4%0.4%，也因而降低約同，也因而降低約同樣的百分?jǐn)?shù)。例如，一個(gè)硅電池在樣的百分?jǐn)?shù)。例如，

26、一個(gè)硅電池在20200 0C C時(shí)的效率為時(shí)的效率為20%20%，當(dāng)溫度升，當(dāng)溫度升到到1201200 0C C時(shí)，效率僅為時(shí)，效率僅為1212。又如。又如GaAsGaAs電池，溫度每升高電池，溫度每升高1 10 0C C，V VOCOC降低降低1.7mv 1.7mv 或降低或降低0.2%0.2%。 2. 2. 溫度溫度第34頁(yè)/共40頁(yè)希望載流子的復(fù)合壽命越長(zhǎng)越好，這主要是因?yàn)檫@樣做希望載流子的復(fù)合壽命越長(zhǎng)越好，這主要是因?yàn)檫@樣做I ISCSC大大。少子。少子長(zhǎng)壽命也會(huì)減小暗電流并增大長(zhǎng)壽命也會(huì)減小暗電流并增大V VOCOC。在間接帶隙半導(dǎo)體在間接帶隙半導(dǎo)體材料如材料如SiSi中，離結(jié)中，離

27、結(jié)100m100m處也產(chǎn)生相當(dāng)多的載流子，所以希望處也產(chǎn)生相當(dāng)多的載流子，所以希望它們的壽命能大于它們的壽命能大于1s1s。在直接帶隙材料，如。在直接帶隙材料，如GaAsGaAs或或GuGu2 2S S中，中，只要只要10ns10ns的復(fù)合壽命就已足夠長(zhǎng)了。的復(fù)合壽命就已足夠長(zhǎng)了。達(dá)到長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵是在材料制備和電池的生產(chǎn)過(guò)程中，要避達(dá)到長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵是在材料制備和電池的生產(chǎn)過(guò)程中，要避免形成復(fù)合中心。在加工過(guò)程中，適當(dāng)而且經(jīng)常進(jìn)行工藝處免形成復(fù)合中心。在加工過(guò)程中，適當(dāng)而且經(jīng)常進(jìn)行工藝處理，可以使復(fù)合中心移走，因而延長(zhǎng)壽命。理，可以使復(fù)合中心移走，因而延長(zhǎng)壽命。 將太陽(yáng)光聚焦于太陽(yáng)電池，可使一個(gè)

28、小小的太陽(yáng)電池產(chǎn)生出大將太陽(yáng)光聚焦于太陽(yáng)電池，可使一個(gè)小小的太陽(yáng)電池產(chǎn)生出大量的電能。設(shè)想光強(qiáng)被濃縮了量的電能。設(shè)想光強(qiáng)被濃縮了X X倍，單位電池面積的輸入功率和倍，單位電池面積的輸入功率和J JSCSC都將增加都將增加X(jué) X倍，同時(shí)倍，同時(shí)V VOCOC也隨著增加也隨著增加(kT/q)lnX(kT/q)lnX倍。因而輸出功倍。因而輸出功率的增加將大大超過(guò)率的增加將大大超過(guò)X X倍，而且聚光的結(jié)果也使轉(zhuǎn)換效率提高了倍，而且聚光的結(jié)果也使轉(zhuǎn)換效率提高了。 3. 3. 復(fù)合壽命復(fù)合壽命4. 4. 光強(qiáng)光強(qiáng)第35頁(yè)/共40頁(yè)5. 5. 摻雜濃度及剖面分布摻雜濃度及剖面分布 對(duì)對(duì)V VOCOC有明顯的

29、影響的另一因素是摻雜濃度。雖然有明顯的影響的另一因素是摻雜濃度。雖然N Nd d和和N Na a出現(xiàn)在出現(xiàn)在V Vococ定定義的對(duì)數(shù)項(xiàng)中，它們的數(shù)量級(jí)也是很容易改變的。摻雜濃度愈高，義的對(duì)數(shù)項(xiàng)中，它們的數(shù)量級(jí)也是很容易改變的。摻雜濃度愈高，V Vococ愈高。一種稱為重?fù)诫s效應(yīng)的現(xiàn)象近年來(lái)已引起較多的關(guān)注，在愈高。一種稱為重?fù)诫s效應(yīng)的現(xiàn)象近年來(lái)已引起較多的關(guān)注，在高摻雜濃度下，由于能帶結(jié)構(gòu)變形及電子統(tǒng)計(jì)規(guī)律的變化，所有方高摻雜濃度下，由于能帶結(jié)構(gòu)變形及電子統(tǒng)計(jì)規(guī)律的變化，所有方程中的程中的N Nd d和和N Na a都應(yīng)以（都應(yīng)以（N Nd d）effeff和（和（N Na a）effeff

30、代替。如圖代替。如圖2.182.18。既然（。既然（N Nd d）effeff和（和（N Na a）effeff顯現(xiàn)出峰值，那么用很高的顯現(xiàn)出峰值，那么用很高的N Nd d和和N Na a不會(huì)再有好處，不會(huì)再有好處，特別是在高摻雜濃度下壽命還會(huì)減小。特別是在高摻雜濃度下壽命還會(huì)減小。高摻雜效應(yīng)。隨高摻雜效應(yīng)。隨摻雜濃度增加有摻雜濃度增加有效摻雜濃度飽和效摻雜濃度飽和，甚至?xí)陆?，甚至?xí)陆?第36頁(yè)/共40頁(yè)目前，在目前，在SiSi太陽(yáng)電池中，摻雜濃度大約為太陽(yáng)電池中，摻雜濃度大約為10101616cmcm-3-3，在直接帶，在直接帶隙材料制做的太陽(yáng)電池中約為隙材料制做的太陽(yáng)電池中約為1010

31、1717 cm cm-3-3，為了減小串聯(lián)電阻，為了減小串聯(lián)電阻，前擴(kuò)散區(qū)的摻雜濃度經(jīng)常高于前擴(kuò)散區(qū)的摻雜濃度經(jīng)常高于10101919 cm cm-3-3，因此重?fù)诫s效應(yīng)在擴(kuò)，因此重?fù)诫s效應(yīng)在擴(kuò)散區(qū)是較為重要的。散區(qū)是較為重要的。 當(dāng)當(dāng)N Nd d和和N Na a或（或（N Nd d）effeff和（和（N Na a）effeff不均勻且朝著結(jié)的方向降低時(shí)，不均勻且朝著結(jié)的方向降低時(shí)，就會(huì)建立起一個(gè)電場(chǎng)，其方向能有助于光生載流子的收集，因就會(huì)建立起一個(gè)電場(chǎng)，其方向能有助于光生載流子的收集，因而也改善了而也改善了I ISCSC。這種不均勻摻雜的剖面分布，在電池基區(qū)中通。這種不均勻摻雜的剖面分布，在電池基區(qū)中通常是做不到的；而在擴(kuò)散區(qū)中是很自然的。常是做不到的；而在擴(kuò)散區(qū)中是很自然的。 第37頁(yè)/共40頁(yè)6. 6. 表面復(fù)合速率表面復(fù)合速率 低的表面復(fù)合速率有