太陽能電池的研究與開發(fā)

太陽能電池的研究與開發(fā)

太陽能電池是利用半導(dǎo)體器的光譜電泳效應(yīng)（光學(xué)效應(yīng)）制成的半導(dǎo)體器，也是利用電離輻射效應(yīng)的應(yīng)用。太陽能電池(solarcell)在太空中及地球上的應(yīng)用均非常廣泛,他提供了人造衛(wèi)星長時期的動力供應(yīng),并且是地球能量來源的一個重要選擇,因為他能以高轉(zhuǎn)換效率將日光直接轉(zhuǎn)換成電能,能提供低成本而近乎永恒的動力,且?guī)缀鯖]有污染。1太陽能電池生產(chǎn)電路硅太陽能電池的一般制成P+/N型結(jié)構(gòu)或N+/P型結(jié)構(gòu),如圖1所示。其中,第一個符號,即P+和N+,表示太陽能電池正面光照層半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型;第二個符號,即N和P,表示太陽能電池背面襯底半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型。太陽能電池的電性能與制造電池所用半導(dǎo)體材料的特性有關(guān)。在太陽光或其他照射時,太陽能電池輸出電壓的極性,P型一側(cè)電極為正,N型一側(cè)電極為負(fù)。當(dāng)太陽能電池作為電源與外電路連接時,太陽能電池在正向狀態(tài)下工作。當(dāng)太陽能電池與其他電源聯(lián)合使用時,如果外電路的正極與電池的P電極連接,負(fù)極與電池的N電極連接,則外電源向太陽能電池提供正向偏壓;如果外電源的正極與電池的N電極連接,負(fù)極與P電極連接,則外電源向太陽能電池提供反向偏壓。2太陽電池的性能參數(shù)(1)太陽能電池輸出電壓開路電壓UOC,即將太陽能電池置于100mW/cm2的光源照射下,在兩端開路時,太陽能電池的輸出電壓值?？捎酶邇?nèi)阻的直流毫伏計測量電池的開路電壓。(2)太陽能電池兩端電流短路電流ISC,就是將太陽能電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下,在輸出端短路時,流過太陽能電池兩端的電流。測量短路電流的方法,是用內(nèi)阻小于1Ω的電流表接在太陽能電池的兩端。(3)太陽能電池伏安特性太陽能電池的工作電壓和電流是隨負(fù)載電阻而變化的,將不同阻值所對應(yīng)的工作電壓和電流值做成曲線就得到太陽能電池的伏安特性曲線。如果選擇的負(fù)載電阻值能使輸出電壓和電流的乘積最大,即可獲得最大輸出功率,用符號Pm表示。此時的工作電壓和工作電流稱為最佳工作電壓和最佳工作電流,分別用符號Um和Im表示,Pm=UmIm。(4)ffvoc的測試方法太陽能電池的另一個重要參數(shù)是填充因子FF,他是最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比:FF=PmUOCISC=UmImUOCISC(1)FF=ΡmUΟCΙSC=UmΙmUΟCΙSC(1)FF是衡量太陽能電池輸出特性的重要指標(biāo),是代表太陽能電池在帶最佳負(fù)載時,能輸出的最大功率的特性,其值越大表示太陽能電池的輸出功率越大。FF的值始終小于l。FF可由下列經(jīng)驗公式給出:FF=VOC?ln(VOC+0.72)VOC+1(2)FF=VΟC-ln(VΟC+0.72)VΟC+1(2)式(2)中VOC是歸一化的開路電壓,即UOC/(nKT/q)。當(dāng)VOC>15時,該公式的精度可達(dá)4位有效數(shù)字。實際上,由于受串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的影響,實際太陽能電池填充因子的值要低于上式所給出的理想值。串、并聯(lián)電阻對填充因子有較大影響,如圖2所示。串聯(lián)電阻越大,短路電流下降越多,填充因子也隨之減少的越多;并聯(lián)電阻越小,這部分電流就越大,開路電壓就下降的越多,填充因子隨之也下降的越多。(5)太陽能電池透照厚度與材料禁帶寬度太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率指在外部回路上連接最佳負(fù)載電阻時的最大能量轉(zhuǎn)換效率,等于太陽能電池的輸出功率與入射到太陽能電池表面的能量之比:η=PmPin?FF?UOC?ISCPin(3)η=ΡmΡin?FF?UΟC?ΙSCΡin(3)地面用太陽能電池的測試標(biāo)準(zhǔn)為:大氣質(zhì)量為AM1.5時的光譜分布(具體規(guī)定可參見有關(guān)我國國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)),入射的太陽輻照度為1000W/m2,溫度為25℃。在此條件下太陽能電池的輸出功率定義為太陽能電池的峰瓦數(shù),用符號表示為WP(peakwatt)。太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是衡量電池質(zhì)量和技術(shù)水平的重要參數(shù),他與電池的結(jié)構(gòu)、結(jié)特性、材料性質(zhì)、工作溫度、放射性粒子輻射損傷和環(huán)境變化等有關(guān)。其中與制造電池半導(dǎo)體材料禁帶寬度的關(guān)系最為直接。首先,禁帶寬度直接影響最大光生電流即短路電流的大小。由于太陽光中光子能量有大有小,只有那些能量比禁帶寬度大的光子才能在半導(dǎo)體中產(chǎn)生光生電子——空穴對,從而形成光生電流。所以,材料禁帶寬度小,小于他的光子數(shù)量就多,獲得的短路電流就大;反之,禁帶寬度大,大于他的光子數(shù)量就少,獲得的短路電流就小。但禁帶寬度太小也不合適,因為能量大于禁帶寬度的光子在激發(fā)出電子-空穴對后剩余的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?從而降低了光子能量的利用率。其次,禁帶寬度又直接影響開路電壓的大小。開路電壓的大小和P-N結(jié)反向飽和電流的大小成反比。禁帶寬度越大,反向飽和電流越小,開路電壓越高。3太陽能電池特性圖3是P-N結(jié)太陽能電池的示意圖。他包含一個形成于表面的淺P-N結(jié)、一個條狀及指狀的正面歐姆接觸、一個涵蓋整個背部表面的背面歐姆接觸以及一層在正面的抗反射層。當(dāng)電池暴露于太陽光譜時,能量小于禁帶寬度Eg的光子對電池輸出并無貢獻(xiàn)。能量大于禁帶寬度Eg的光子才會對電池輸出貢獻(xiàn)能量Eg,大于Eg的能量則會以熱的形式消耗掉。因此,在太陽能電池的設(shè)計和制造過程中,必須考慮這部分熱量對電池穩(wěn)定性、壽命等的影響。太陽能電池的能帶、電路及等效電路如圖4所示。其中,RL為電池的外負(fù)載電阻。把太陽能電池接上負(fù)載,負(fù)載中便有電流流過,該電流稱為太陽能電池的工作電流,也稱負(fù)載電流或輸出電流。負(fù)載兩端的電壓稱為太陽能電池的工作電壓。一個理想的太陽能電池,串聯(lián)電阻RS很小,而并聯(lián)電阻Rsh很大。由于RS和Rsh是分別串聯(lián)和并聯(lián)在電路中的,所以在進(jìn)行理想的電路計算時,他們可以忽略不計。此時,流過負(fù)載的電流為IL為:IL=ISC?ID(4)ΙL=ΙSC-ΙD(4)采用單二極管模型,理想情況下太陽電池的電壓-電流特性(伏-安特性)可以寫為:IL=ISC?I0(eqU/AKT?1)(5)ΙL=ΙSC-Ι0(eqU/AΚΤ-1)(5)式(4),(5)中:ID為太陽電池的暗電流或漏電流,單位A;I0為P-N結(jié)的反向飽和暗電流,單位A;q為電子電荷,單位C;K為玻爾茲曼常數(shù);T為熱力學(xué)溫度,單位K;A為常數(shù)因子(正偏電壓大時A值為1,正偏電壓小時A值為2);e為自然對數(shù)的底。研究表明,決定I0大小的關(guān)鍵參數(shù)是半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg,以下的經(jīng)驗公式給出了I0的低限:I0≥1.5×105exp(?Eg/KT)(6)Ι0≥1.5×105exp(-Eg/ΚΤ)(6)在短路狀態(tài)下,U=0,由式(5)可得到:IL=ISC(7)ΙL=ΙSC(7)在開路狀態(tài)下,且IL=0時,電壓U即為UOC,用式(8)表示:UOC=AKTqln(ISCI0+1)(8)UΟC=AΚΤqln(ΙSCΙ0+1)(8)式(8)是開路電壓的表達(dá)式,表明要提高太陽電池的開路電壓,必須提高短路電流和反向飽和電流的比值。根據(jù)式(5)和式(8)做圖,可得到太陽能電池的伏-安關(guān)系曲線,如圖5所示。這個曲線,可簡稱為I-U曲線。圖5中,曲線1,是二極管的暗伏安關(guān)系曲線,即無光照時太陽能電池的I-U曲線;曲線2,是電池接受光照后的I-U曲線,他可由無光照時I-U曲線向第4象限位移ISC量得到。經(jīng)過坐標(biāo)變換,最后可得到常用的光照太陽能電池的伏安特性曲線,如圖6所示。太陽能電池的伏安特性曲線顯示了通過太陽能電池(組件)傳送的電流與電壓在特定的太陽輻照度下的關(guān)系。對于實際的太陽電池來說,必須考慮P-N結(jié)的品質(zhì)和實際存在的串聯(lián)電阻RS,并聯(lián)電阻Rsh。串聯(lián)電阻包括擴(kuò)散層的薄層電阻、基區(qū)材料本身的電阻、電極與半導(dǎo)體的接觸電阻、電極的電阻等;并聯(lián)電阻包括P-N結(jié)的漏電阻及電池邊緣的漏電阻等,他是由硅片的邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的。因此考慮串并聯(lián)電阻的影響后太陽電池的伏-安特性為:IL=ISC?I0(eq(U+ILRS/nKT?1)?U+ILRSRsh(9)ΙL=ΙSC-Ι0(eq(U+ΙLRS/nΚΤ-1)-U+ΙLRSRsh(9)式中,n稱為P-N結(jié)的品質(zhì)因子。在一定的光照下,太陽電池產(chǎn)生一定的電流ISC,其中一部分是流過P-N結(jié)的暗電流,另一部分是供給負(fù)載的電流。故可把光照P-N結(jié)看作是一個恒流源與理想二極管的并聯(lián)組合,恒流源的