清潔能源概論4太陽能光伏發(fā)電

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:光照射時(shí)，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13太陽能電池的基本原理太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽的輻射光通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過程通常叫做“光生伏打效應(yīng)”，因此太陽能電池又稱為“光伏電池”。14太陽能電池的物理基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體電子和空穴的輸運(yùn)P-N結(jié)的光伏效應(yīng)太陽能電池的工作原理151.固體的能帶理論能帶理論是解釋金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種理論。能級（EnegyLevel）：在孤立原子中，原子核外的電子按照一定的殼層排列，每一殼層容納一定數(shù)量的電子。每個(gè)殼層上的電子具有分立的能量值，也就是電子按能級分布。一、太陽能電池的物理基礎(chǔ)161.固體的能帶理論電子的共有化運(yùn)動(dòng)：晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，致使離原子核較遠(yuǎn)的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個(gè)原子上，有可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這種現(xiàn)象稱為電子的共有化運(yùn)動(dòng)。一、太陽能電池的物理基礎(chǔ)171.固體的能帶理論能帶（EnegyBand）：電子的共有化運(yùn)動(dòng)使本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對應(yīng)的能級擴(kuò)展為能帶。每一條能帶有許多極其相近的能級組成。一、太陽能電池的物理基礎(chǔ)181.固體的能帶理論禁帶（ForbiddenBand）：能帶允許被電子占據(jù)的稱為允帶，允帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶。一、太陽能電池的物理基礎(chǔ)191.固體的能帶理論原子殼層中的內(nèi)層允帶總是被電子先占滿，然后再占據(jù)能量更高的外面一層的允帶。被電子占滿的允帶稱為滿帶或者價(jià)帶。每一個(gè)能級上都沒有電子的能帶稱為空帶。未被電子填滿的能帶或者空帶稱為導(dǎo)帶。一、太陽能電池的物理基礎(chǔ)201.固體的能帶理論實(shí)際晶體的能帶和孤立原子能級間的關(guān)系非常復(fù)雜。有時(shí)，兩個(gè)分立的能級會(huì)相互交雜，或變?yōu)榛ハ喁B合的能帶而禁帶消失；或分裂為另外兩組能帶。這種過程稱為軌道的雜化。硅原子的導(dǎo)帶和價(jià)帶就是軌道雜化而成。一、太陽能電池的物理基礎(chǔ)212.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體：導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶相鄰或者重疊，禁帶消失。價(jià)帶中的電子在電場作用下可以自由地進(jìn)入導(dǎo)帶，表現(xiàn)為良好的導(dǎo)電能力。一、太陽能電池的物理基礎(chǔ)222.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體絕緣體：絕緣體的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的禁帶很寬，Eg達(dá)5～7eV(1eV為1.602×10-19J或96.48kJ·mol-1)

，導(dǎo)帶幾乎是空的，若電場既不能使位于價(jià)帶的電子移動(dòng)，也不能使其躍遷到導(dǎo)帶，因此不能導(dǎo)電。一、太陽能電池的物理基礎(chǔ)232.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體半導(dǎo)體：半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間禁帶的寬度較小，一般Eg≤3eV。在一定能量（例如外電場）的激發(fā)下，價(jià)帶中的電子總會(huì)被激發(fā)到空帶中，使之成為導(dǎo)帶，而在價(jià)帶中留下空穴。半導(dǎo)體就是利用這種方式傳導(dǎo)電流的。一、太陽能電池的物理基礎(chǔ)241.本征半導(dǎo)體由同一種原子組成的半導(dǎo)體稱元素半導(dǎo)體，兩種以上原子組成的半導(dǎo)體稱化合物半導(dǎo)體。完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體，是共價(jià)鍵晶體。二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體251.本征半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體以硅為例，如圖中每個(gè)硅原子最外層有四個(gè)價(jià)電子，這些價(jià)電子的軌道通過適當(dāng)?shù)碾s化，恰好與最近鄰的四個(gè)硅原于形成四面體型共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。當(dāng)共價(jià)鍵中的電子因熱、光、電場等因素的作用獲得足夠的能量時(shí)，能夠克服共價(jià)鍵的束縛從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶而成為自由電子。261.本征半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體這時(shí)在原來的共價(jià)鍵位置上就留下一個(gè)空位，而周圍近鄰鍵上的電子隨時(shí)可能跳過來填補(bǔ)這個(gè)空位，因而使空位又轉(zhuǎn)移到了鄰近的鍵上去，這種可移動(dòng)的空位稱為空穴。271.本征半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體半導(dǎo)體就是這樣靠著電子和空穴的移動(dòng)來導(dǎo)電的，所以電子（電子濃度n）和空穴（空穴濃度p）皆為半導(dǎo)體的載流子。本征載流子濃度隨溫度升高而增加，隨禁帶寬度的增加而減小。282.摻雜半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體根據(jù)需要在本征半導(dǎo)體中摻入其它雜質(zhì)以后就得到摻雜半導(dǎo)體。292.摻雜半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體在晶體硅中加進(jìn)Ⅴ族元素磷后，磷原子除了拿出4個(gè)價(jià)電子和周圍最鄰近的4個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵外，還多余一個(gè)價(jià)電子，使磷原子電離成正離子。302.摻雜半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體只要很小的能量，就可以使多余的價(jià)電子跳到導(dǎo)帶上，因此，其禁帶要比純硅晶體窄得多。摻雜硅中的磷元素全部電離時(shí)可提供同等數(shù)量的導(dǎo)電電子。這種提供電子的雜質(zhì)稱為施主，對應(yīng)的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。312.摻雜半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體在晶體硅中加進(jìn)Ⅲ族元素硼后，硼原子在和周圍最鄰近的4個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，還缺少一個(gè)價(jià)電子，因而很容易從別處奪來一個(gè)價(jià)電子，自身電離成負(fù)離子?？梢哉J(rèn)為硼原子帶著一個(gè)容易電離的空穴。322.摻雜半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體只要很小的能量，就可以使空穴跳至價(jià)帶上，因此，其禁帶要比純硅晶體也要窄得多。摻雜硅中的硼元素全部電離時(shí)可向價(jià)帶提供同等數(shù)量的空穴。這種從半導(dǎo)體接受電子的雜質(zhì)稱為受主，對應(yīng)的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。332.摻雜半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體摻有施主的硅稱為N型硅。在N型半導(dǎo)體中，由于n>p，一般把電子稱為多數(shù)載流子，而空穴稱為少數(shù)載流子。摻有受主的硅稱為P型硅。在P型半導(dǎo)體中，由于n<p，一般把電子稱為少數(shù)載流子，而空穴稱為多數(shù)載流子。34三、電子和空穴的輸運(yùn)常態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體中的電子和空穴始終在進(jìn)行無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)沒有方向性，不引起靜位移，對電流沒有貢獻(xiàn)。有兩種原因可引起電子和空穴的靜位移，產(chǎn)生電子和空穴的輸運(yùn)，即漂移和擴(kuò)散。外電場引起漂移，載流子濃度差引起擴(kuò)散。35三、電子和空穴的輸運(yùn)半導(dǎo)體受外電場作用，在載流子的熱運(yùn)動(dòng)上疊加一個(gè)附加速度，稱為漂移速度。對于電子，漂移速度與電場反向；對于空穴，漂移速度與電場同向。漂移速度使電子和空穴有一個(gè)靜位移，從而形成電流。1.漂移36三、電子和空穴的輸運(yùn)在半導(dǎo)體中電子（或空穴）的濃度不均勻，則電子（或空穴）將在濃度梯度的影響下擴(kuò)散，從而使電子（或空穴）有一個(gè)靜位移，形成電流。濃度梯度越大，擴(kuò)散越快。2.擴(kuò)散37三、電子和空穴的輸運(yùn)平衡狀態(tài)下，受到光照時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下等量空穴。這些多余平衡濃度的光生電子和空穴，稱為非平衡載流子或過剩載流子。3.過剩載流子38三、電子和空穴的輸運(yùn)這種由外界條件改變使半導(dǎo)體產(chǎn)生過剩載流子的過程稱為載流子的注入（簡稱注入或激發(fā)）。反之，半導(dǎo)體中載流子濃度小于平衡載流子濃度的情況，稱為載流子的抽取（簡稱抽?。?。太陽能電池一般只研究注入。3.過剩載流子39三、電子和空穴的輸運(yùn)由光照而產(chǎn)生光注入或光激發(fā)；由熱運(yùn)動(dòng)引起熱注入或熱激發(fā)；由電場則引起電注入或電激發(fā)。當(dāng)載流子濃度偏離其平衡值時(shí)，它們有恢復(fù)平衡的傾向。在注入情況，恢復(fù)平衡是靠復(fù)合來實(shí)現(xiàn)；在抽取情況，則靠載流子的產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)。3.過剩載流子40三、電子和空穴的輸運(yùn)產(chǎn)生和復(fù)合互為逆過程。產(chǎn)生時(shí)價(jià)帶中的電子躍遷至導(dǎo)帶要吸收能量，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴復(fù)合時(shí)也要以各種方式釋放能量。4.產(chǎn)生與復(fù)合41四、P-N結(jié)的光伏效應(yīng)常溫下，N型半導(dǎo)體的施主雜質(zhì)將電離成帶負(fù)電的電子和帶正電的施主雜質(zhì)離子；P型半導(dǎo)體的受主雜質(zhì)也將電離成帶正電的空穴和帶負(fù)電的受主雜質(zhì)離子。1.P-N結(jié)的形成42四、P-N結(jié)的光伏效應(yīng)當(dāng)兩塊不同導(dǎo)電類型的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體緊密接觸時(shí)，其交界面稱為形成P-N結(jié)。交界面上存在電子和空穴的濃度差，N區(qū)的電子濃度比較高，P區(qū)的空穴濃度比較高，電子和空穴都要從濃度高的

地方向濃度低的地

方擴(kuò)散。1.P-N結(jié)的形成43四、P-N結(jié)的光伏效應(yīng)由于擴(kuò)散作用，必然有一部分電子從N區(qū)進(jìn)入P區(qū)，也有一部分空穴從P區(qū)進(jìn)入N區(qū)。擴(kuò)散的結(jié)果在交界面附近P區(qū)一邊失去了帶正電的空穴和接受了帶負(fù)電的電子，因而呈現(xiàn)負(fù)電；N區(qū)一邊失去帶負(fù)電的

電子，并接受了帶正電

的空穴因而呈現(xiàn)正電。1.P-N結(jié)的形成44四、P-N結(jié)的光伏效應(yīng)正負(fù)電荷集中在P區(qū)和N區(qū)的交界面附近，形成空間電荷區(qū)，并產(chǎn)生一個(gè)從帶正電荷的N區(qū)指向帶負(fù)電荷的P區(qū)的內(nèi)建電場，稱為勢壘電場。1.P-N結(jié)的形成45四、P-N結(jié)的光伏效應(yīng)1.P-N結(jié)的形成在內(nèi)建電場的作用下，空間電荷區(qū)內(nèi)的電子從P區(qū)向南N區(qū)漂移，空穴從N區(qū)向P區(qū)漂移。隨著載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的不斷進(jìn)行，空間電荷區(qū)不斷擴(kuò)大，內(nèi)建電場

也不斷增強(qiáng)，載流

子的漂移運(yùn)動(dòng)也不

斷增大。46四、P-N結(jié)的光伏效應(yīng)在無外電場的情況下，最終載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到平銜，電子和空穴的擴(kuò)散電流和漂移電流大小相等方向相反，所以無凈電流流過P-N結(jié)，這種狀態(tài)稱為平衡態(tài)P-N結(jié)。1.P-N結(jié)的形成47四、P-N結(jié)的光伏效應(yīng)空間電荷區(qū)的勢壘電場對電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻礙作用。必須指出，內(nèi)建電場一旦建立，它一方而阻礙擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)，另一方面又起漂移作用。P-N結(jié)的擴(kuò)散作用和阻礙作用使其具有單向?qū)щ娦浴?.P-N結(jié)的形成48四、P-N結(jié)的光伏效應(yīng)當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，一部分光將深入到半導(dǎo)體及P-N結(jié)內(nèi)部。半導(dǎo)體中的電子吸收了能量大于禁帶寬度的光子后，發(fā)生帶間躍遷，在勢壘區(qū)附近產(chǎn)生光生電子-空穴對。2.P-N結(jié)的光伏效應(yīng)49四、P-N結(jié)的光伏效應(yīng)在內(nèi)建電場的作用下，勢壘區(qū)內(nèi)及其附近擴(kuò)散到勢壘區(qū)的光生空穴被掃向P區(qū)，光生電子被掃向N區(qū)；從而在P區(qū)內(nèi)儲存大量過剩的空穴，形成空穴積累，在N區(qū)內(nèi)儲存大量過剩的電子，形成電子積累。2.P-N結(jié)的光伏效應(yīng)50四、P-N結(jié)的光伏效應(yīng)這種積累使P區(qū)端電勢升高，N區(qū)端電勢降低，其效果是中和了部分空間電荷，使P-N結(jié)內(nèi)建電場的作用減弱．勢壘高度降低，從而在P-N結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反的光生電場，產(chǎn)生光生電壓，這就是P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)。2.P-N結(jié)的光伏效應(yīng)

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(jià)電子受到激發(fā)，在p區(qū)、空間電荷區(qū)和n區(qū)都會(huì)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(dòng)，向各個(gè)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，便立即受到內(nèi)建電場的作用，在電場力作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，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(huì)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(dòng)，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(gè)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(dòng)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(huì)積累在p-n結(jié)附近，于是產(chǎn)生了等于開路電壓VOC的最大光生電動(dòng)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。62四、P-N結(jié)的光伏效應(yīng)光生伏特效應(yīng)最重要的應(yīng)用之一是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?.P-N結(jié)的光伏效應(yīng)63四、P-N結(jié)的光伏效應(yīng)半導(dǎo)體中受光照電離產(chǎn)生的電子-空穴對，必須及時(shí)將電子和空穴分離開來，否則它們又將復(fù)合而還原，對外便不起導(dǎo)電作用，因此一般不能用純凈的半導(dǎo)體制成太陽能電池。2.P-N結(jié)的光伏效應(yīng)64五、太陽能電池的工作原理2-2太陽能電池的基本原理照射到太陽能電池表面的太陽光不可能全部轉(zhuǎn)變成電能，這是因?yàn)椴煌ㄩL的光線，具有不同的能量。只有能量大于禁帶寬度的光才能激發(fā)電子-空穴對。1.太陽能電池的效率分析65五、太陽能電池的工作原理已產(chǎn)生的電子-空穴對，有一部分將復(fù)合還原，對光生電流沒有什么作用，這也是光能的一部分損失。太陽能電池在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的過程中，主要的損失包括：反射損失、長波損失、短波損失、復(fù)合損失、結(jié)區(qū)損失、電阻損失等。1.太陽能電池的效率分析66五、太陽能電池的工作原理以硅太陽能電池為例，硅對光能的吸收，隨不同的光波波長而不同，它對短波的吸收系數(shù)較大，對長波的吸收系數(shù)則較小。不同波長的光線在硅中的穿透深度也不同，短波在硅的表面被吸收，而長波則可以穿透到硅的深處，甚至可以穿透硅片的厚度。1.太陽能電池的效率分析67五、太陽能電池的工作原理圖中光線①表示有一

部分光線在表面被反

射回去。光線②表示在接近電

池表面被吸收的光線，

它們可以產(chǎn)生電子-空穴對，但是這些少數(shù)載流子在達(dá)到P-N結(jié)之前又復(fù)合還原，對外不產(chǎn)生光生電壓，它們大部分是吸收系數(shù)較大的短波光線。1.太陽能電池的效率分析太陽能電池受光照的情況68五、太陽能電池的工作原理光線③表示在P-N結(jié)附近被吸收生成電子-空穴對的光線，這些電子-空穴對被P-N結(jié)的漂移作用分離而產(chǎn)生光生電壓，這是使太陽能電池能夠發(fā)電的有用光線。1.太陽能電池的效率分析太陽能電池受光照的情況69五、太陽能電池的工作原理光線④表示在電池片深處、離P-N結(jié)較遠(yuǎn)的地方被吸收的光線，也產(chǎn)生電子-空穴對，僅在到達(dá)P-N結(jié)之前又被復(fù)合，不產(chǎn)生光生電壓。1.太陽能電池的效率分析太陽能電池受光照的情況70五、太陽能電池的工作原理⑤表示被電池吸收，但是出于能量較小，不能產(chǎn)生電子-空穴對的光線，這部分能量加熱太陽能電池，使太陽能電池溫度上升。光線⑥表示未被電池吸收而透射過去的光線。1.太陽能電池的效率分析太陽能電池受光照的情況71五、太陽能電池的工作原理可以看出，能夠產(chǎn)少光生電壓的是光線③，必須盡可能增加它的數(shù)量，才能提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。1.太陽能電池的效率分析太陽能電池受光照的情況72五、太陽能電池的工作原理所謂光電轉(zhuǎn)換效率．是指受光照的單體太陽能電池所產(chǎn)生的最大輸出電功率與入射到該電池受光幾何平面面積上的全部光的輻射功率的百分比。1.太陽能電池的效率分析太陽能電池受光照的情況73五、太陽能電池的工作原理對于單晶硅太陽能電池，理論上限是27%，目前研究得到的最大值為24