太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)3晶體硅太陽能電池基本原理

1、3.1 3.1 太陽的電池的分類太陽的電池的分類太陽電池是將太陽輻射直接轉(zhuǎn)化成電能的一種器件。太陽電池是將太陽輻射直接轉(zhuǎn)化成電能的一種器件。3.1.1 3.1.1 按照基體材料分類：按照基體材料分類： 硅太陽電池硅太陽電池，包括：，包括：單晶硅、多晶硅、非晶硅、微晶硅太陽電池單晶硅、多晶硅、非晶硅、微晶硅太陽電池 1.單晶硅（單晶硅（Single Crystaline-Si)太陽電池太陽電池 性能穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高（性能穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高（17%22%）。成本較高（）。成本較高（1998年后被多晶硅超過）年后被多晶硅超過） 發(fā)展方向：超薄、高效發(fā)展方向：超薄、高效 2.多晶硅（多晶硅（Polycr

2、ystaline-Si)太陽電池太陽電池 硅錠切片即可，成本低。效率（硅錠切片即可，成本低。效率（16%19%) 。市場占有率高。市場占有率高。 3.非晶硅非晶硅(Amorphous-Si)太陽電池太陽電池 厚度厚度不到不到1微米，不足晶體硅的微米，不足晶體硅的1/10，節(jié)約材料，降低了成本，節(jié)約材料，降低了成本 制作時能耗小，單片面積大制作時能耗小，單片面積大 吸收系數(shù)大、與太陽光譜匹配吸收系數(shù)大、與太陽光譜匹配 易于與建筑一體化易于與建筑一體化 效率低（效率低（6%10%）3.1 3.1 太陽的電池的分類太陽的電池的分類3.1 3.1 太陽的電池的分類太陽的電池的分類 4.微晶硅微晶硅(c

3、-Si)太陽電池太陽電池 厚度低厚度低23m,效率效率10%以上。微晶硅與非晶硅疊層效率已達到以上。微晶硅與非晶硅疊層效率已達到14%以上。以上。 努力方向：制備非晶硅含量很少的微晶硅薄膜努力方向：制備非晶硅含量很少的微晶硅薄膜 化合物化合物太陽電池太陽電池，包括：砷化鎵電池；硫化鎘電池；碲化鎘電池；硒銦銅電池，包括：砷化鎵電池；硫化鎘電池；碲化鎘電池；硒銦銅電池等等 1. 單晶化合物太陽電池單晶化合物太陽電池 砷化鎵電池，轉(zhuǎn)換效率已超過砷化鎵電池，轉(zhuǎn)換效率已超過40%。應(yīng)用于外層空間。應(yīng)用于外層空間。 價格昂貴，砷為有毒元素，極少在地面應(yīng)用。價格昂貴，砷為有毒元素，極少在地面應(yīng)用。 2. 多

4、晶化合物太陽電池多晶化合物太陽電池 有機半導(dǎo)體太陽電池有機半導(dǎo)體太陽電池 、染料敏化、染料敏化(Dye-sensitized)太陽電池太陽電池3.1 3.1 太陽的電池的分類太陽的電池的分類3.1 3.1 太陽的電池的分類太陽的電池的分類3.1 3.1 太陽的電池的分類太陽的電池的分類3.1 3.1 太陽的電池的分類太陽的電池的分類3.1.2 3.1.2 按照按照結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分類分類 1.同質(zhì)結(jié)太陽電池同質(zhì)結(jié)太陽電池 由由同一種半導(dǎo)體材料所形成的同一種半導(dǎo)體材料所形成的P-N結(jié)為同質(zhì)結(jié)，由此構(gòu)成同質(zhì)結(jié)太陽能電池結(jié)為同質(zhì)結(jié)，由此構(gòu)成同質(zhì)結(jié)太陽能電池2.異質(zhì)結(jié)太陽電池異質(zhì)結(jié)太陽電池 由由禁帶寬度不同的

5、半導(dǎo)體材料形成的結(jié)為異質(zhì)結(jié)。禁帶寬度不同的半導(dǎo)體材料形成的結(jié)為異質(zhì)結(jié)。3.肖肖特基結(jié)太陽電池特基結(jié)太陽電池 利用金屬利用金屬-半導(dǎo)體界面上的肖特基勢壘而構(gòu)成的太陽電池，簡稱半導(dǎo)體界面上的肖特基勢壘而構(gòu)成的太陽電池，簡稱MS電池。電池。 目前有金屬目前有金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體半導(dǎo)體MOS、金屬、金屬-絕緣體絕緣體-半導(dǎo)體半導(dǎo)體MIS 等等4.復(fù)合復(fù)合結(jié)太陽電池結(jié)太陽電池 有兩個或多個有兩個或多個P-N結(jié)形成的太陽電池，有垂直多結(jié)和水平多結(jié)之分。效率已高結(jié)形成的太陽電池，有垂直多結(jié)和水平多結(jié)之分。效率已高達達31% 3.1 3.1 太陽的電池的分類太陽的電池的分類3.1.3 按照按照用途分類用

6、途分類：1.空間空間太陽電池太陽電池 3.1 3.1 太陽的電池的分類太陽的電池的分類2.地面太陽電池地面太陽電池3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理 通常應(yīng)用的太陽能電池是一種將光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件。基本構(gòu)造通常應(yīng)用的太陽能電池是一種將光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件?；緲?gòu)造是由半導(dǎo)體的是由半導(dǎo)體的P-N結(jié)組成。結(jié)組成。3.2.1 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 自然界中具有大量能自由移動的帶電粒子，容易自然界中具有大量能自由移動的帶電粒子，容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體導(dǎo)體，金屬一般，金屬一般都是導(dǎo)體都是導(dǎo)體。例如銅的電導(dǎo)率。例如銅的電導(dǎo)率10106 6/(/(cm)cm)有的物質(zhì)幾

7、乎不導(dǎo)電，稱為有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。例如石英的電。例如石英的電導(dǎo)率導(dǎo)率1010-16-16/(/(cmcm) )另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等鎵和一些硫化物、氧化物等。其電導(dǎo)率在。其電導(dǎo)率在1010-4-4-10-104 4 / /( (cmcm) )現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。是

8、四個。GeSi3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理硅原子的外層硅原子的外層 電子殼層中有電子殼層中有4 4個電子。在太陽輻照時，會擺脫原子核的束縛而成個電子。在太陽輻照時，會擺脫原子核的束縛而成為自由電子，并同時在原來位置留出一個空穴。電子帶負(fù)電；空穴帶正電。為自由電子，并同時在原來位置留出一個空穴。電子帶負(fù)電；空穴帶正電。在在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。硅的硅的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對+4+4+4+4+4+4表示除去價表示除去價電子后的原子電子后的原子3.2 3.2 太陽電池的工作原理

9、太陽電池的工作原理3.2.2 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)EnergyAtomic DistanceSPSPEgEvEcSPSi4+EnergyIsolated AtomSemiconductor Crystal3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理費米能級費米能級：在低溫下，晶體：在低溫下，晶體的某一個能級以下的所有可的某一個能級以下的所有可能狀態(tài)都將被能狀態(tài)都將被2 2個電子占據(jù)。個電子占據(jù)。隨著溫度的隨著溫度的升高，一些電子升高，一些電子得到超過費米能級的能量，得到超過費米能級的能量，考慮到泡利不相容原理，任考慮到泡利不相容原理，任何給定能級的占有概率為：何給定能級的占有概率為： /1

10、1FE EkTf Ee3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理3.2.3 本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。 在在絕對絕對0 0度（度（T=0KT=0K）和沒有外界激發(fā)時）和沒有外界激發(fā)時, ,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子載流子），它的導(dǎo)電能力為），它的導(dǎo)電能力為

11、0 0，相當(dāng)于絕緣體。，相當(dāng)于絕緣體。 在在常溫下，由常溫下，由于熱激發(fā)，使一些于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵能量而脫離共價鍵的束縛，成為的束縛，成為自由自由電子電子，同時共價鍵，同時共價鍵上留下一個空位，上留下一個空位，稱為稱為空穴空穴。+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。使自由電子

12、濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為使自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（電子半導(dǎo)體），使（電子半導(dǎo)體），使空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（空穴半導(dǎo)體）。（空穴半導(dǎo)體）。3.2.4 P3.2.4 P型和型和N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體1.N1.N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導(dǎo)體原原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導(dǎo)體原子形

13、成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為一個電子，稱為施主原子施主原子。N N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？型半導(dǎo)體中的載流子是什么？摻雜摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為度。自由電子稱為多數(shù)載流子多數(shù)載流子（多子多子），空穴稱為），空穴稱為少數(shù)載

14、流子少數(shù)載流子（少子少子）。）。3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理+4+4+5+4N型半導(dǎo)體多余電子磷原子3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理2.P2.P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價鍵體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛

15、電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體硼原子3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理3.2.5 P-N結(jié)結(jié)雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流

16、子的擴散，在型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了它們的交界面處就形成了PN結(jié)。結(jié)。P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴散運動擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場E E漂移運動漂移運動空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運動結(jié)處載流子的運動3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。漂移運動漂移運動P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +擴散運動擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場E EPNPN結(jié)處載流

17、子的運動結(jié)處載流子的運動內(nèi)電場越強，就使漂移運動內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。變薄。3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理漂移運動漂移運動P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +擴散運動擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場E EPNPN結(jié)處載流子的運動結(jié)處載流子的運動所以擴散和漂移這所以擴散和漂移這一對相反的運動最一對相反的運動最終達到平衡，相當(dāng)終達到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不荷區(qū)的厚

18、度固定不變。變。3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV03.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理1 1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2 2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P P中的空穴、中的空穴、N N中的電子（中的電子（都是多子都是多子）向?qū)Ψ竭\動）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動擴散運動）。）。3 3、P P中的電子和中的電子和N N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。很小。請注意請注意接觸電勢差為：接觸電勢差為：dlnlnnPpnnp

19、kTkTVqnqp3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理3.2.6 3.2.6 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)當(dāng)太陽光（或其他光）照射到太陽電池上時，電池吸收光能，能量大于禁帶寬度的當(dāng)太陽光（或其他光）照射到太陽電池上時，電池吸收光能，能量大于禁帶寬度的光子，穿過減反射膜進入硅中，激發(fā)出光生電子光子，穿過減反射膜進入硅中，激發(fā)出光生電子孔穴對，并立即被內(nèi)建電場分離，孔穴對，并立即被內(nèi)建電場分離，光生電子被送進光生電子被送進n n區(qū)，光生孔穴則被推進區(qū)，光生孔穴則被推進p p區(qū)，這樣在內(nèi)建電場的作用下，光生電子區(qū)，這樣在內(nèi)建電場的作用下

20、，光生電子- -孔穴對被分離，在光電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生了孔穴對被分離，在光電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生了“光生電壓光生電壓”，這就，這就是是“光生伏打效應(yīng)光生伏打效應(yīng)”（簡稱光（簡稱光伏，伏， 18391839年年 1919歲的法國歲的法國貝克勒爾發(fā)現(xiàn)）貝克勒爾發(fā)現(xiàn)）。在內(nèi)建電。在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，在負(fù)載中就有場的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，在負(fù)載中就有“光生電流光生電流”流過，從而獲得功率輸流過，從而獲得功率輸出。出。3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理3.2.7 太陽電池的基本工作原理太陽電池的基本工作原理3.2 3.2 太陽電池的工作原理太

21、陽電池的工作原理3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理光電轉(zhuǎn)換的物理過程：光電轉(zhuǎn)換的物理過程：1.1.光子被吸收，使光子被吸收，使P-NP-N結(jié)的兩邊產(chǎn)結(jié)的兩邊產(chǎn)生電子生電子- -空穴對?？昭▽?。2.2.在離開在離開P-NP-N結(jié)一個擴散長度以內(nèi)結(jié)一個擴散長度以內(nèi)產(chǎn)生的電子產(chǎn)生的電子- -空穴通過擴散達到空空穴通過擴散達到空間電荷區(qū)。間電荷區(qū)。3.3.電子、空穴被分離，電子、空穴被分離，P P側(cè)的電子側(cè)的電子從高電位滑落至從高電位滑落至N N側(cè)，空穴向相反側(cè)，空穴向相反的方向運動。的方向運動。4.4.若若P-NP-N結(jié)是開路的，則在結(jié)兩端結(jié)是開路的，則在結(jié)兩端積累的電子和空穴產(chǎn)生

22、開路電壓，積累的電子和空穴產(chǎn)生開路電壓，若有負(fù)載接入，則會在電路中產(chǎn)若有負(fù)載接入，則會在電路中產(chǎn)生傳導(dǎo)電流。生傳導(dǎo)電流。3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理3.2.8 晶體硅太陽電池的結(jié)構(gòu)晶體硅太陽電池的結(jié)構(gòu)太陽電池一般制成太陽電池一般制成p p+ +/n/n型結(jié)構(gòu)或型結(jié)構(gòu)或n n+ +/p/p型結(jié)構(gòu)，其中第一型結(jié)構(gòu)，其中第一個符號，即個符號，即p p+ +和和n n+ +表示太陽電池正面表示太陽電池正面光照半導(dǎo)體材料的光照半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型；第二個導(dǎo)電類型；第二個符號，即符號，即n n和和 p p表表示太陽電池背面襯示太陽電池背面襯底半導(dǎo)體材料的導(dǎo)底半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型。電

23、類型。3.2 3.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理下圖為在下圖為在p p型半導(dǎo)體材料上擴散磷元素，形成型半導(dǎo)體材料上擴散磷元素，形成n n+ +/p/p型結(jié)構(gòu)的太陽電池。上表面為負(fù)極；型結(jié)構(gòu)的太陽電池。上表面為負(fù)極；下表面為正極。下表面為正極。3.3 3.3 太陽能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)測試條件標(biāo)準(zhǔn)測試條件 光源輻照度：光源輻照度：1000W/m1000W/m2 2 ； 測試溫度：測試溫度： 25252 20 0C C ； AM1.5AM1.5地面太陽光地面太陽光譜輻照度分布。譜輻照度分布。 AM1.5 AM1.5太陽光譜分布太陽光譜分布3.3 3.3 太陽

24、能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性3.3.2 太陽電池等效電路太陽電池等效電路左圖為理想的太陽能電池等效電路左圖為理想的太陽能電池等效電路相當(dāng)于一個電流為相當(dāng)于一個電流為I Iphph的恒流源與一正向二極管并的恒流源與一正向二極管并聯(lián)，流過二極管的正向電流稱為暗電流聯(lián)，流過二極管的正向電流稱為暗電流I ID D. .左下圖為左下圖為實際實際的太陽能電池等效電路的太陽能電池等效電路R Rshsh為旁路電阻（電池表面的漏電流，位錯和晶粒間為旁路電阻（電池表面的漏電流，位錯和晶粒間和晶體缺陷形成的橋路產(chǎn)生的漏電流），和晶體缺陷形成的橋路產(chǎn)生的漏電流），R Rs s為串聯(lián)為串聯(lián)電阻（各種接觸面的電阻

25、）電阻（各種接觸面的電阻）()/shsshIUIRRphDshIIII可得：可得：(1/)/sshphshDIRRIURIphIDIURIphIDIURIshRshIsR通常，暗電流為注入電流、復(fù)合電流以及隧道電流之和，一般可忽略隧道電流。通常，暗電流為注入電流、復(fù)合電流以及隧道電流之和，一般可忽略隧道電流。加在加在P-NP-N結(jié)上的電壓結(jié)上的電壓jsUUIR3.3 3.3 太陽能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性暗電流暗電流I ID D是注入電流和復(fù)合電流之和，可以簡化為單指數(shù)形式：是注入電流和復(fù)合電流之和，可以簡化為單指數(shù)形式： 其中其中：I Io o為為太陽電池在無光照時的飽和電流太陽電

26、池在無光照時的飽和電流；A A0 0為結(jié)構(gòu)因子，它反映了為結(jié)構(gòu)因子，它反映了p-np-n結(jié)的結(jié)結(jié)的結(jié)構(gòu)完整性對性能的影響構(gòu)完整性對性能的影響；k k是玻爾茲曼常數(shù)。是玻爾茲曼常數(shù)。0/()01jqUA kTDII e由此得出：由此得出：0(U)/0(1)sqIRA kTsphDshphshUIRIIIIII eR這就是光照情況下太陽電池的電流與電壓的關(guān)系。畫成圖形，即為這就是光照情況下太陽電池的電流與電壓的關(guān)系。畫成圖形，即為( (I-V)I-V)特性曲線。特性曲線。在理想情況下在理想情況下：R Rshsh ，R Rs s0 0。由此。由此得到：得到： 0/01jqUA kTphDphIIII

27、I e在負(fù)載短路時，在負(fù)載短路時，即即U Uj j=0=0( (忽略忽略串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻) )，便得到短路電流，其值恰好與光電流相等，便得到短路電流，其值恰好與光電流相等shphII在負(fù)載在負(fù)載R R時時, ,輸出電流輸出電流0,0,便得到便得到開路電壓開路電壓U Uococ其值由下式確定其值由下式確定：00(/ )ln(/1)ocphUA kT qII3.3 3.3 太陽能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性無光照時，無光照時，P-N結(jié)上電結(jié)上電流流-電壓關(guān)系如圖中電壓關(guān)系如圖中a所所示。示。有有光照時，產(chǎn)生光電流光照時，產(chǎn)生光電流Iph，使曲線，使曲線a沿電流軸沿電流軸方向位移方向位移Iph

28、，得到曲線，得到曲線b。為方便起見，變換。為方便起見，變換坐標(biāo)方向得到曲線坐標(biāo)方向得到曲線c，c為在光照情況下，太陽為在光照情況下，太陽電池的電流電池的電流-電壓關(guān)系曲電壓關(guān)系曲線，也稱為伏安特性曲線，也稱為伏安特性曲線。線。3.3 3.3 太陽能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性3.3.3 太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)1. 伏安特性曲線伏安特性曲線受光照的太陽電池，在一定的溫度和輻照度以及不同的外電路負(fù)載下，流入負(fù)載的受光照的太陽電池，在一定的溫度和輻照度以及不同的外電路負(fù)載下，流入負(fù)載的電流電流I I和電池端電壓和電池端電壓V V的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線。測量時，連接一可變電阻

29、，改變電阻值，測量電流和電壓。測量時，連接一可變電阻，改變電阻值，測量電流和電壓。不同輻照度下電池的不同輻照度下電池的I-VI-V特性曲線特性曲線3.3 3.3 太陽能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性2.最大功率點最大功率點在太陽電池的伏安特性曲線上對應(yīng)最大功率的點，又稱最佳工作點。在太陽電池的伏安特性曲線上對應(yīng)最大功率的點，又稱最佳工作點。最大功率點最大功率點1/mRmaxmmmPI UPR Rm m為最佳負(fù)載電阻為最佳負(fù)載電阻/()0(1)qUAkTphPUIU II e在最大功率點，有在最大功率點，有d/d0mPU 011mqUphmAkTIqUeAkTI0()/1/phmmmIIqU

30、AkTIqUAkT01 (/)lnln 11/phmmocmIIqUAkTAkTUUqqUAkTqAkT3.3 3.3 太陽能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性整理后得整理后得ln 1mmmmphocqUAkTAkTPI UIUqAkTq不同輻照強度太陽電池不同輻照強度太陽電池的的I-VI-V曲線曲線 太陽電池標(biāo)太陽電池標(biāo)注的功率，注的功率，是指在標(biāo)準(zhǔn)是指在標(biāo)準(zhǔn)工作條件下工作條件下最大功率點最大功率點所對應(yīng)的功所對應(yīng)的功率。率。3.3 3.3 太陽能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性3. 開路電壓開路電壓在一定的溫度和輻照度條件下，光伏發(fā)電器在空載在一定的溫度和輻照度條件下，光伏發(fā)電器在空載(

31、 (開路開路) )情況下的端電壓，通常情況下的端電壓，通常用用U Uococ來表示來表示。對于一般對于一般的太陽電池，可近似認(rèn)為接近于理想的太陽電池，即太陽電池的串聯(lián)電阻值的太陽電池，可近似認(rèn)為接近于理想的太陽電池，即太陽電池的串聯(lián)電阻值為零，旁路電阻為無窮大。當(dāng)開路時，有：為零，旁路電阻為無窮大。當(dāng)開路時，有：00=ln1lnphphocIIAkTAkTUqIqI太陽電池的開路電壓與電池面積大小無關(guān)，通常單晶硅太陽電池的開路電壓約為太陽電池的開路電壓與電池面積大小無關(guān)，通常單晶硅太陽電池的開路電壓約為450-450-600mV600mV，最高可，最高可達達700mV700mV左右。左右。太陽

32、電池的開路電壓與入射光譜輻照度的對數(shù)成正比。太陽電池的開路電壓與入射光譜輻照度的對數(shù)成正比。4.4.短路電流短路電流在一定的溫度和輻照條件下在一定的溫度和輻照條件下，太陽電池在，太陽電池在端電壓為零時的輸出電流，通常用端電壓為零時的輸出電流，通常用Isc來表來表示示。當(dāng)。當(dāng)U=0U=0時，時， Isc = Iph ，Isc與與太陽電池的面積大小有關(guān)，面積越大太陽電池的面積大小有關(guān)，面積越大， Isc越越大。一般大。一般1cm1cm2 2的的太陽電池太陽電池Isc值值約約為為3538mA。 Isc 與與入射光的輻照度成正比入射光的輻照度成正比。Isc隨隨溫度上升略溫度上升略有增加有增加。3.3

33、3.3 太陽能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性5. 填充因子（曲線因子）填充因子（曲線因子）太陽電池的最大功率與開路電壓和短路電流乘積之比，通常用太陽電池的最大功率與開路電壓和短路電流乘積之比，通常用FFFF( (或或CFCF) )表示：表示： 1ln 1mmmscscococI UqUAkTAkTEFI UqUAkTqU 短路電流和開路電壓分別是太陽能電池能輸出的最大電流和最大電壓。然而，短路電流和開路電壓分別是太陽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)在這兩點時，電池的輸出功率都為零。當(dāng)電池輸出狀態(tài)在這兩點時，電池的輸出功率都為零?！疤畛湟蜃犹畛湟蜃印保ǔＪ褂?，通常使用

34、它的簡寫它的簡寫“FFFF”，是由開路電壓，是由開路電壓V VOCOC和短路電流和短路電流I ISCSC共同決定的參數(shù)，它共同決定的參數(shù)，它決定決定了太了太陽能電池的陽能電池的輸出效率輸出效率。填充因子被定義為電池的最大輸出功率與開路。填充因子被定義為電池的最大輸出功率與開路V VOCOC和和I ISCSC的的乘積的比值。從圖形上看，乘積的比值。從圖形上看，F(xiàn)FFF就是能夠占據(jù)就是能夠占據(jù)IVIV曲線區(qū)域最大的面積曲線區(qū)域最大的面積。 太陽電池的串聯(lián)電阻越小，旁路電阻越大，則填充因子越大，該電池的伏安太陽電池的串聯(lián)電阻越小，旁路電阻越大，則填充因子越大，該電池的伏安特性曲線所包圍的面積也越大，

35、表示伏安特性曲線越接近正方形，意味著該太陽特性曲線所包圍的面積也越大，表示伏安特性曲線越接近正方形，意味著該太陽電池的最大輸出功率越接近于所能達到的極限輸出功率，因此性能越好。電池的最大輸出功率越接近于所能達到的極限輸出功率，因此性能越好。3.3 3.3 太陽能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性輸出輸出電流（紅線）和功率的（藍線）圖表。同時標(biāo)明了電場的短路電流（電流（紅線）和功率的（藍線）圖表。同時標(biāo)明了電場的短路電流（ISC）點、）點、開路電壓（開路電壓（VOC）點以及最大功率點（）點以及最大功率點（Vmp，Imp ）3.3 3.3 太陽能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性6. 太陽電池的轉(zhuǎn)

36、換效率太陽電池的轉(zhuǎn)換效率太陽電池太陽電池的的最大輸出功率最大輸出功率與入射到該太陽電池上的全部輻射功率的百分比。與入射到該太陽電池上的全部輻射功率的百分比。/mmtinU IAP例：某一面積為例：某一面積為100100平方厘米的太陽電池，測得其最大功率為平方厘米的太陽電池，測得其最大功率為1.5W1.5W，則該電池的，則該電池的轉(zhuǎn)換效率是多少？轉(zhuǎn)換效率是多少？解：解：4/1.5/(100 10 ) 100015%mmtinU IAP 世界主要太陽電池新記錄世界主要太陽電池新記錄電池種類電池種類轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率(%)研制單位研制單位備注備注單晶硅電池單晶硅電池24.70.5澳大利亞新南威爾士大學(xué)

37、澳大利亞新南威爾士大學(xué)4 cm2面積面積GaAs多結(jié)電池多結(jié)電池34.71.7Spectro lab333倍聚光倍聚光多晶硅電池多晶硅電池20.30.5德國弗朗霍夫研究所德國弗朗霍夫研究所1.002 cm2面積面積InGaP/GaAs30.81.0日本能源公司日本能源公司4 cm2面積面積非晶硅電池非晶硅電池12.80.7美國美國USSC公司公司 0.27 cm2面積面積CIGS電池電池19.50.6美國可再生能源實驗室美國可再生能源實驗室0.41 cm2面積面積CdTe電池電池16.50.5美國可再生能源實驗室美國可再生能源實驗室1.032 cm2面積面積多晶硅薄膜電池多晶硅薄膜電池16.6

38、0.4德國斯圖加特大學(xué)德國斯圖加特大學(xué)4.017 cm2面積面積納米硅電池納米硅電池10.10.2日本鐘淵公司日本鐘淵公司2微米膜微米膜(玻璃襯底玻璃襯底)氧化鈦有機納米電池氧化鈦有機納米電池11.00.5EPFL0.25 cm2面積面積GaInP/GaAs/Ge44Solar Junction175 倍聚光倍聚光背接觸聚光硅電池背接觸聚光硅電池26.80.8美國美國SunPower公司公司96倍聚光倍聚光3.3 3.3 太陽能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性7.7.電流電流溫度系數(shù)溫度系數(shù) 在規(guī)定的試驗條件下，被測太陽電池溫度每變化在規(guī)定的試驗條件下，被測太陽電池溫度每變化1 10 0C

39、C ，太陽電池短路電流的變化，太陽電池短路電流的變化值，通常用值，通常用表示。表示。0(1)scIIT 對一般的晶體硅太陽電池對一般的晶體硅太陽電池 ，表明溫度升高，短路電流會略，表明溫度升高，短路電流會略有上升。有上升。(0.060.1)%/C 8.8.電壓電壓溫度系數(shù)溫度系數(shù) 在規(guī)定的試驗條件下，被測太陽電池溫度每變化在規(guī)定的試驗條件下，被測太陽電池溫度每變化1 10 0C C ，太陽電池開路電壓的，太陽電池開路電壓的變化值，通常用變化值，通常用表示表示。0(1)ocUUT 對一般的晶體硅太陽電池對一般的晶體硅太陽電池 ，表明溫度升高，開路電壓會略，表明溫度升高，開路電壓會略有下降。有下降

40、。(0.30.4)%/C 3.3 3.3 太陽能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性9. 功率溫度系數(shù)功率溫度系數(shù)在規(guī)定的實驗條件在規(guī)定的實驗條件下，溫度每變化下，溫度每變化1度，太陽能電池輸出功率的變化值稱為功率度，太陽能電池輸出功率的變化值稱為功率溫度系數(shù)。溫度系數(shù)。2max0000(1)(1)1 ()scocPI UI UTTI UTT 忽略平方項，得到：忽略平方項，得到：max001 ()1PPTPT 3.3 3.3 太陽能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性10. 太陽輻照度的影響太陽輻照度的影響3.3 3.3 太陽能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性3.3.4 影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因

41、素影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素1. 禁帶禁帶亮度亮度UOC隨隨Eg的增大而增大，但另一方面的增大而增大，但另一方面，ISC隨隨Eg的增大而減小。結(jié)果是可期望在某一的增大而減小。結(jié)果是可期望在某一個確定的個確定的Eg隨處出現(xiàn)太陽電池效率的峰值隨處出現(xiàn)太陽電池效率的峰值2. 溫度溫度隨溫度的增加，效率隨溫度的增加，效率下降。下降。ISC對溫度對溫度T很敏感，溫度還很敏感，溫度還對對UOC起主要作用。起主要作用。對于對于Si，溫度每增加，溫度每增加1C，UOC下降室溫值的下降室溫值的0.4%， 也也因而降低約同樣的百分?jǐn)?shù)。因而降低約同樣的百分?jǐn)?shù)。例如，一個硅電池在例如，一個硅電池在20C時的效率為時的

42、效率為20%，當(dāng)溫度升到，當(dāng)溫度升到120C時，效率僅為時，效率僅為12。又又如如GaAs電池，溫度每升高電池，溫度每升高1C，UOC降低降低1.7mv 或降低或降低0.2%。3. 少子復(fù)合壽命少子復(fù)合壽命希望載流子的復(fù)合壽命越長越好，這主要是因為這樣做希望載流子的復(fù)合壽命越長越好，這主要是因為這樣做ISC大。在間接帶隙半導(dǎo)體大。在間接帶隙半導(dǎo)體材料如材料如Si中，離結(jié)中，離結(jié)100mm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1ms。在直接帶隙材料，如。在直接帶隙材料，如GaAs中中，只要，只要10ns的復(fù)合壽命就已足夠長了。長壽命的復(fù)合

43、壽命就已足夠長了。長壽命也會減小暗電流并也會減小暗電流并增大增大UOC。達到。達到長壽命的關(guān)鍵是在材料制備和電池的生產(chǎn)過程中，長壽命的關(guān)鍵是在材料制備和電池的生產(chǎn)過程中，要避免形成復(fù)合中心。在加工過程中，適當(dāng)而且經(jīng)常進行工藝處理，可以使復(fù)合要避免形成復(fù)合中心。在加工過程中，適當(dāng)而且經(jīng)常進行工藝處理，可以使復(fù)合中心移走，因而延長壽命。中心移走，因而延長壽命。3.3 3.3 太陽能電池的電學(xué)特性太陽能電池的電學(xué)特性4. 光強光強 將將太陽光聚焦于太陽電池，可使一個小小的太陽電池產(chǎn)生出大量的電能。太陽光聚焦于太陽電池，可使一個小小的太陽電池產(chǎn)生出大量的電能。設(shè)想光強被濃縮了設(shè)想光強被濃縮了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JSC都將增加都將增加X倍，倍，同時同時UOC也隨也隨著增加著增加(kT/q)lnX倍。因而輸出功率的增加將大大超過倍。因而輸出功率的增加將大大超過X倍，而且聚光的結(jié)果也使轉(zhuǎn)換倍，而且聚光的結(jié)果也使轉(zhuǎn)換效率提高了效率提高了。5. 摻雜濃度及剖面分布摻雜濃度及剖面分布 對對UOC有明顯的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Nd和和Na出現(xiàn)出現(xiàn)在在Uoc定義的對數(shù)定義的對數(shù)項中，它們的數(shù)量級也是很容易改變的。摻