太陽能電池原理概述

1、第二章 太陽電池工作原理一. 太陽電池分類1. 按照基體材料分類： 晶硅太陽電池， 包括：單晶硅和多晶硅太陽電池 非晶硅太陽電池 薄膜太陽電池 化合物太陽電池，包括：砷化鎵電池；硫化鎘電池；碲化鎘電池；硒銦銅電池等 有機(jī)半導(dǎo)體太陽電池 等太陽電池種類單晶硅太陽電池多晶硅太陽電池非晶硅太陽電池2. 按照結(jié)構(gòu)分類： 同質(zhì)結(jié)太陽電池 異質(zhì)結(jié)太陽電池 肖特基結(jié)太陽電池 復(fù)合結(jié)太陽電池 液結(jié)太陽電池等3. 按照用途分類： 空間太陽電池:在人造衛(wèi)星、宇宙飛船等航天器上應(yīng)用的太陽電池。由于使用環(huán)境特殊，要求太陽電池具有效率高、重量輕、耐輻照等性能。 地面太陽電池:在地面上應(yīng)用的太陽電池。 光敏傳感器 :光照

2、射時，太陽電池兩極之間就能產(chǎn)生電壓。連成回路，就有電流流過，光照強(qiáng)度不同，電流的大小也不一樣，因此可以作為傳感器使用。 航天器上的光伏系統(tǒng) 火星車4. 按照工作方式分類： 平板太陽電池聚光太陽電池聚光太陽電池聚光電池二. 硅太陽電池的工作原理 硅原子的外層 電子殼層中有4個電子。受到原子核的束縛比較小，如果得到足夠的能量，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。 在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。 硅原子示意圖 在硅晶體中每個原子有4個相鄰原子，并和每一個相鄰原子共有2個價電子，形成穩(wěn)定的8原子殼層。 從硅的原子中分離出一個電子需要

3、1.12eV的能量，該能量稱為硅的禁帶寬度。被分離出來的電子是自由的傳導(dǎo)電子，它能自由移動并傳送電流。硅原子的共價鍵結(jié)構(gòu) 如果在純凈的硅晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)磷（或砷，銻等），由于磷原子具有5個價電子，所以1個磷原子同相鄰的4個硅原子結(jié)成共價鍵時，還多余1個價電子，這個價電子很容易掙脫磷原子核的吸引而變成自由電子。 所以一個摻入5價雜質(zhì)的4價半導(dǎo)體，就成了電子導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體，也稱為n型半導(dǎo)體。 在n型半導(dǎo)體中，除了由于摻入雜質(zhì)而產(chǎn)生大量的自由電子以外，還有由于熱激發(fā)而產(chǎn)生少量的電子-空穴對。然而空穴的數(shù)目相對于電子的數(shù)目是極少的， 所以在n型半導(dǎo)體材料中，空穴數(shù)目很少,稱為少數(shù)載流子;而電

4、子數(shù)目很多,稱為多數(shù)載流子。n型半導(dǎo)體 同樣如果在純凈的硅晶體中摻入3價雜質(zhì)，如硼（或鋁、鎵或銦等），這些3價雜質(zhì)原子的最外層只有3個價電子，當(dāng)它與相鄰的硅原子形成共價鍵時，還缺少1個價電子，因而在一個共價鍵上要出現(xiàn)一個空穴，因此摻入3價雜質(zhì)的4價半導(dǎo)體，也稱為p型半導(dǎo)體。 對于p型半導(dǎo)體，空穴是多數(shù)載流子，而電子為少數(shù)載流子。 P型半導(dǎo)體 若將p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體兩者緊密結(jié)合，聯(lián)成一體時，由導(dǎo)電類型相反的兩塊半導(dǎo)體之間的過渡區(qū)域，稱為 p-n 結(jié)。在 p-n 結(jié)兩邊，由于在p型區(qū)內(nèi)，空穴很多，電子很少；而在n型區(qū)內(nèi)，則電子很多，空穴很少。由于交界面兩邊，電子和空穴的濃度不相等，因此會產(chǎn)生多

5、數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動。 在靠近交界面附近的p區(qū)中，空穴要由濃度大的p區(qū)向濃度小的n區(qū)擴(kuò)散，并與那里的電子復(fù)合，從而使那里出現(xiàn)一批帶正電荷的攙入雜質(zhì)的離子。 同時在p型區(qū)內(nèi)，由于跑掉了一批空穴而呈現(xiàn)帶負(fù)電荷的攙入雜質(zhì)的離子。 同樣在靠近交界面附近的n區(qū)中，電子要由濃度大的n區(qū)向濃度小的p區(qū)擴(kuò)散，而電子則由濃度大的n區(qū)要向濃度小的p區(qū)擴(kuò)散，并與那里的空穴復(fù)合，從而使那里出現(xiàn)一批帶負(fù)電荷的攙入雜質(zhì)的離子。 同時在n型區(qū)內(nèi)，由于跑掉了一批電子而呈現(xiàn)帶正電荷的攙入雜質(zhì)的離子。 于是，擴(kuò)散的結(jié)果是在交界面的兩邊形成一邊帶正電荷而另一邊帶負(fù)電荷的一層很薄的區(qū)域，稱為空間電荷區(qū)。這就是 p-n 結(jié)。在 p-n

6、結(jié)內(nèi)，由于兩邊分別積聚了負(fù)電荷和正電荷，會產(chǎn)生一個由正電荷指向負(fù)電荷的電場，因此在 p-n 結(jié)內(nèi)，存在一個由n區(qū)指向p區(qū)的電場，稱為內(nèi)建電場（或稱勢壘電場)。 太陽電池在光照下，能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子，使得半導(dǎo)體中原子的價電子受到激發(fā)，在p區(qū)、空間電荷區(qū)和n區(qū)都會產(chǎn)生光生電子-空穴對，也稱光生載流子。這樣形成的電子-空穴對由于熱運(yùn)動，向各個方向遷移。 光生電子-空穴對在空間電荷區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場分離，光生電子被推進(jìn)n區(qū)，光生空穴被推進(jìn)p區(qū)。在空間電荷區(qū)邊界處總的載流子濃度近似為0。 在n區(qū)，光生電子-空穴產(chǎn)生后，光生空穴便向 p-n 結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá) p-n 結(jié)邊界，便立即受

7、到內(nèi)建電場的作用，在電場力作用下作漂移運(yùn)動，越過空間電荷區(qū)進(jìn)入p區(qū)，而光生電子（多數(shù)載流子）則被留在n區(qū)。 p區(qū)中的光生電子也會向 p-n 結(jié)邊界擴(kuò)散，并在到達(dá) p-n 結(jié)邊界后，同樣由于受到內(nèi)建電場的作用而在電場力作用下作漂移運(yùn)動，進(jìn)入n區(qū)，而光生空穴（多數(shù)載流子）則被留在p區(qū)。 因此在 p-n 結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。這個電場除了一部分抵消內(nèi)建電場以外，還使p型層帶正電，n型層帶負(fù)電，因此產(chǎn)生了光生電動勢。這就是“光生伏打效應(yīng)”（簡稱光伏）。 如果使太陽電池開路，即負(fù)載電阻， RL = ，則被 p-n 結(jié)分開的全部過剩載流子就會積累在 p-n 結(jié)附近

8、，于是產(chǎn)生了等于開路電壓VOC的最大光生電動勢。 如果把太陽電池短路，即RL = 0，則所有可以到達(dá) p-n 結(jié)的過剩載流子都可以穿過結(jié)，并因外電路閉合而產(chǎn)生了最大可能的電流，即短路電流ISC。 如果把太陽電池接上負(fù)載RL，則被結(jié)分開的過剩載流子中就有一部分把能量消耗于降低 p-n 結(jié)勢壘，即用于建立工作電壓Vm，而剩余部分的光生載流子則用來產(chǎn)生光生電流Im。太陽電池的極性 太陽電池一般制成p+/n型結(jié)構(gòu)或n+/p型結(jié)構(gòu)，其中第一個符號，即p+和n+表示太陽電池正面光照半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型；第二個符號，即n和 p表示太陽電池背面襯底半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型。 下圖為在p型半導(dǎo)體材料上擴(kuò)散磷元素，形

9、成n+/p型結(jié)構(gòu)的太陽電池。上表面為負(fù)極；下表面為正極。三. 太陽電池的結(jié)構(gòu)四. 太陽電池基本參數(shù)1.標(biāo)準(zhǔn)測試條件光源輻照度：1000W/m2 ； 測試溫度： 2520C ； AM1.5地面太陽光譜輻照度分布。太陽光譜分布2.太陽電池等效電路(1)理想太陽電池等效電路： 相當(dāng)于一個電流為Iph的恒流電源與一只正向二極管并聯(lián)。流過二極管的正向電流稱為暗電流ID.流過負(fù)載的電流為I負(fù)載兩端的電壓為V 理想的太陽電池等效電路 Iph ID V R I(2)實(shí)際太陽電池等效電路： 由于漏電流等產(chǎn)生的旁路電阻Rsh由于體電阻和電極的歐姆電阻產(chǎn)生的串聯(lián)電阻Rs在Rsh兩端的電壓為： Vj =(V+IRS)

10、因此流過旁路電阻Rsh的電流為： ISh= (V+IRS) / Rsh流過負(fù)載的電流： I= Iph ID ISh 實(shí)際的太陽電池等效電路 Rs Iph ID Rsh Ish V R I 暗電流ID是注入電流和復(fù)合電流之和，可以簡化為單指數(shù)形式： ID=Iooexp(qVj/A0kT)-1其中： Ioo為太陽電池在無光照時的飽和電 流； A0為結(jié)構(gòu)因子，它反映了p-n結(jié)的 結(jié)構(gòu)完整性對性能的影響； K是玻爾茲曼恒量 因此得出: 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)特性曲線。在理想情況下： Rsh ， Rs0 由此得到： I= Iph ID = Iph Iooex

11、p(qV/A0kT)-1在負(fù)載短路時，即Vj=0(忽略串聯(lián)電阻)，便得到短路電流，其值恰好與光電流相等 Isc= Iph因此得出： I= Iph ID = Isc Iooexp(qV/A0kT)-1 在負(fù)載R時,輸出電流0,便得到開路電壓Voc其值由下式確定： 3. 伏安(I-V)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)載的電流I和電池端電壓V的關(guān)系曲線。下圖為某個太陽電池組件的(I-V)特性曲線示意圖。不同輻照度下電池的I-V特性曲線4. 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(開路)情況下的端電壓，通常用Voc來表示。 太陽電池的開路電

12、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450-600mV，最高可達(dá)690mV 。 太陽電池的開路電壓與入射光譜輻照度的對數(shù)成正比。5. 短路電流 在一定的溫度和輻照條件下，光伏發(fā)電器在端電壓為零時的輸出電流，通常用Isc來表示。 Isc與太陽電池的面積大小有關(guān)，面積越大， Isc越大。一般1cm2的太陽電池Isc值約為16-30mA。 Isc與入射光的輻照度成正比。6. 最大功率點(diǎn) 在太陽電池的伏安特性曲線上對應(yīng)最大功率的點(diǎn)，又稱最佳工作點(diǎn)。7. 最佳工作電壓 太陽電池伏安特性曲線上最大功率點(diǎn)所對應(yīng)的電壓。通常用Vm表示8. 最佳工作電流 太陽電池伏安特性曲線上最大功率點(diǎn)所對應(yīng)

13、的電流。通常用Im表示9. 轉(zhuǎn)換效率 受光照太陽電池的最大功率與入射到該太陽電池上的全部輻射功率的百分比。 = Vm Im / At Pin其中Vm和Im分別為最大輸出功率點(diǎn)的電壓和電流，At為太陽電池的總面積， Pin為單位面積太陽入射光的功率。 世界主要太陽電池新記錄電池種類轉(zhuǎn)換效率(%)研制單位備注單晶硅電池24.70.5澳大利亞新南威爾士大學(xué)4 cm2面積GaAs多結(jié)電池34.71.7Spectro lab333倍聚光多晶硅電池20.30.5德國弗朗霍夫研究所1.002 cm2面積InGaP/GaAs30.81.0日本能源公司4 cm2面積非晶硅電池12.80.7美國USSC公司 0.

14、27 cm2面積CIGS電池19.50.6美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室0.41 cm2面積CdTe電池16.50.5美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室1.032 cm2面積多晶硅薄膜電池16.60.4德國斯圖加特大學(xué)4.017 cm2面積納米硅電池10.10.2日本鐘淵公司2微米膜(玻璃襯底)氧化鈦有機(jī)納米電池11.00.5EPFL0.25 cm2面積GaInP/GaAs/Ge37.31.9Spectro lab175 倍聚光背接觸聚光硅電池26.80.8美國SunPower公司96倍聚光中國太陽電池實(shí)驗(yàn)室最高效率最高效率面積(cm2)單晶硅電池20.422多晶硅電池14.5322GaAs電池20.111聚光硅電池

15、1722CdS/CuxS電池12幾個mm2CuInSe2電池8.5711CdTe電池73mm2多晶硅薄膜電池13.611非晶硅電池11.2(單結(jié))8.66.2幾個mm210103030二氧化鈦納米有機(jī)電池101110. 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FF(或CF)表示： FF = ImVm/ IscVoc IscVoc是太陽電池的極限輸出功率 ImVm是太陽電池的最大輸出功率 填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。 11. 電流溫度系數(shù) 在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，被測太陽電池溫度每變化10C ，太陽電池短路電流的變化值，通常用表示。 對于一般晶體

16、硅電池 = + 0.1%/0C12. 電壓溫度系數(shù) 在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，被測太陽電池溫度每變化10C ，太陽電池開路電壓的變化值，通常用表示。 對于一般晶體硅電池 = - 0.38%/0C五.提高晶體硅電池效率的方法1. 紫光電池 采用淺結(jié)(如0.1-0.15m),和密柵(如30條/cm),克服了“死層”,增加了電池的蘭紫光響應(yīng),提高了電池的效率。 2. 背電場(BSF)電池 在常規(guī)電池n+/p或p+/n的硅電池背面增加一層p+或n+層,即形成背電場,可以使電池性能提高,并且不受電阻率和一定范圍內(nèi)單晶片厚度變化的影響。 3. 絨面電池 采用選擇性腐蝕溶液,使(100)硅片表面形成微小的金字塔型的小丘,小丘密度大約為108-109個/厘米2。 依靠表面金字塔形的方錐結(jié)構(gòu),對光進(jìn)