太陽(yáng)能電池基本原理

1、太陽(yáng)能電池基本原理基本原理光生伏特效應(yīng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)電池的光伏效應(yīng)原理，直接把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式。典型太陽(yáng)電池是一個(gè)p-n結(jié)半導(dǎo)體二極管。光子把電子從價(jià)帶(束縛)激發(fā)到導(dǎo)帶(自由)，并在價(jià)帶內(nèi)留下一個(gè)空穴(自由)一一產(chǎn)生了自由電子-空穴對(duì)(光生載流子)，p型材料中的電子與n型材料中的空穴將在與少子壽命相當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)，以相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)存在，直到復(fù)合。當(dāng)載流子復(fù)合后，光生電子空穴對(duì)將消失，沒(méi)有電流和功率產(chǎn)生。光生電子-空穴對(duì)在耗盡層中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場(chǎng)分離，光生電子被送進(jìn)n區(qū)，光生空穴則被送進(jìn)p區(qū)。光能就以產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?nèi)建電場(chǎng)當(dāng)把N型和P型材料放在一起

2、的時(shí)候，在N型材料中，費(fèi)米能級(jí)靠近導(dǎo)帶底，在P型材料中，費(fèi)米能級(jí)靠近價(jià)帶頂，當(dāng)P型材料和N型材料連接在一起時(shí)，費(fèi)米能級(jí)在熱平衡時(shí)必定包等，由丁在P型材料中有多得多的空穴，它們將向N型一邊擴(kuò)散。與此同時(shí)，在N型一邊的電子將沿著相反的方向向P型區(qū)擴(kuò)散。由丁電子和空穴的擴(kuò)散，在p-n結(jié)區(qū)產(chǎn)生了耗盡層，即空間電荷區(qū)電場(chǎng)，乂稱為內(nèi)建電場(chǎng)。(1) 光子吸收：在大部分有機(jī)太陽(yáng)能電池中，因?yàn)椴牧系膸哆^(guò)高，只有一小部分入射光被吸收，吸收只能達(dá)到30%右。(2) 激子擴(kuò)散：激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度應(yīng)該至少等丁薄膜的厚度，否則激子就會(huì)發(fā)生復(fù)合，造成吸收光子的浪費(fèi)。(3) 電荷分離：對(duì)丁單層器件，激子在電極與有機(jī)半導(dǎo)體界面處

3、離化，對(duì)丁雙層器件，激子在施主-受主界面形成的p-n結(jié)處離化。(4) 電荷傳輸：在有機(jī)材料中，電荷的傳輸是定域態(tài)問(wèn)的跳躍，而不是能帶內(nèi)的傳輸，這意味著有機(jī)材料和聚合物材料中載流子的遷移率通常都比無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的低。(5) 電荷收集：電荷的收集效率也是影響光伏器件功率轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素，金屆與半導(dǎo)體接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻擋層，阻礙電荷順利地到達(dá)金屆電極。太陽(yáng)能電池等效電路無(wú)光照時(shí)類(lèi)似二極管特性，外加電壓時(shí)單向電流Id稱為暗電流；有光照時(shí)產(chǎn)生光生電流IL;R、Rh分別為太陽(yáng)電池中的申、并聯(lián)電阻R為負(fù)載。(1) 包流源：在包定光照下，一個(gè)處丁工作狀態(tài)的太陽(yáng)電池，其光電流不隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中可

4、把它看做包流源。(2) 暗電流Id：光電流一部分流經(jīng)負(fù)載R,在負(fù)載兩端建立起端電壓U,反過(guò)來(lái)，它乂正向偏置丁PN結(jié)，弓I起一股與光電流方向相反的暗電流Id。申聯(lián)電阻R:由丁前面和背面的電極接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免的引入附加電阻。流經(jīng)負(fù)載的電阻經(jīng)過(guò)它們時(shí)，必然引起損耗。在等效電路中，他們的總效果用一個(gè)申聯(lián)電阻R表示。并聯(lián)電阻思h由丁電池邊沿的漏電和制作金屆電極時(shí)在微裂紋、劃痕等處形成的金屆橋漏電等，使一部分本應(yīng)通過(guò)負(fù)載達(dá)到電流短路,這種作用的大小可以用一個(gè)并聯(lián)電阻Rh等效。決定太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率的三個(gè)參數(shù)分別是短路電流(Isc)、開(kāi)路電壓(VOc)和填充因子(

5、FD。因?yàn)殡娏?I)與太陽(yáng)能電池的面積(A)成正比例關(guān)系，因此一般用電流密度(J)取代電流，來(lái)描述太陽(yáng)能電池的伏安特性。|l=I/A當(dāng)電池在光照下，得到的端電壓和電路中通過(guò)負(fù)載的工作電流的關(guān)系曲線，叫做光電池的伏安特性曲線。如圖紅色線所示，圖上所示的第四象限中與紅色線相交的方形區(qū)域面積就代表太陽(yáng)能電池的最大輸出功率，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為最佳工作點(diǎn)。太陽(yáng)能電池在沒(méi)有光照時(shí)可以視為一個(gè)二極管，電壓和電流的關(guān)系如圖藍(lán)色線所示，為太陽(yáng)能電池的暗特性曲線。太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線(1) 開(kāi)路電壓(Voc一般來(lái)說(shuō)，對(duì)丁金屆-絕緣體-金屆(MIM型的器件，其開(kāi)路電壓Voc取決丁兩個(gè)金屆電極功函數(shù)之差。而對(duì)丁p-n結(jié)，

6、其最大的可用電壓則是由n-型摻雜半導(dǎo)體與p-型摻雜半導(dǎo)體兩者的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)之差所決定，開(kāi)路電壓現(xiàn)行的依賴丁給體的HOMO級(jí)與受體的LUMC級(jí)。增加VOc的途徑有減少?gòu)?fù)合以減小反向飽和電流，增加各區(qū)摻雜濃度等。(2) 短路光電流(Isc)短路電流的大小與上面提到的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程的5個(gè)步驟的效率相關(guān)，要得到大的短路電流：第一，需要光伏材料在可見(jiàn)區(qū)有寬光譜和強(qiáng)的吸收，以提高太陽(yáng)光的利用率；第二，需要吸收光子后產(chǎn)生的激子有較長(zhǎng)的壽命和較短的到達(dá)給體/受體異質(zhì)結(jié)界面的距離，使得激子都能夠擴(kuò)散到異質(zhì)結(jié)界面上；第三，需要激子在給體/受體界面上有高的電荷分離效率，使到達(dá)界面的激子都能夠分離成位丁受體LUM勰級(jí)上的

7、電子和位丁給體HOM/級(jí)上的空穴，這要求給體的LUMO和HOM/級(jí)分別高丁受體的對(duì)應(yīng)能級(jí)0.4eV以上，以克服激子的束縛能而發(fā)生電子和空穴的電荷分離；第四，光伏材料有高的純度和高的電荷載流子遷移率；第五，使用高功函數(shù)的正極和低功函數(shù)的負(fù)極也非常重要；最后，要求電極/活性層界面是歐姆接觸，并且界面接觸電阻要小。提高Jsc的途徑在丁提高光生載流子產(chǎn)生率G增加各區(qū)少子壽命和減少表面復(fù)合。(3) 填充因子(FF最大輸出功率與(VoC?Isc)之比稱為填充因子，用FF表示。對(duì)丁開(kāi)路電壓Voc和短路電流Isc一定的特性曲線來(lái)說(shuō)，填充因子越接近丁1,電池效率越高，伏安特性線彎曲越大。因此FF也稱曲線因子，表示式為%冬F(xiàn)F=-:=VOCJSCVOCJSCFF是用以衡量太陽(yáng)電池輸出特性好壞的重要指之一。在一定光強(qiáng)下，F(xiàn)F愈大，曲線愈方，輸出功率越高。對(duì)丁有合適效率的電池，該值應(yīng)