晶体硅太阳能电池的基本原理课件

,#,confidential,3.2,太阳电池的分类工作原理,太阳电池基本构造：,半导体的,PN,结,导体：铜（,10,6,/(,cm),）,绝缘体,:,石英（,SiO,2,(10,-16,/(,cm),）,半导体,:10,-4,10,4,/(,cm),半导体,元素：硅（,SiO,2,）、锗（,Ge,）、硒（,Se,）等,化合物：硫化镉（,CdS,）、砷化镓（,GaAs,）等,合金：,Ga,x,Al,1-x,As(x,为,0-1,之间的任意数,),有机半导体,3.2.1,半导体,3.2 太阳电池的分类工作原理太阳电池基本构造：半导体的P,1,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,硅是四价元素，每个原子的,最外层上有,4,个电子。,这,4,个电子又被称为,价电子,硅晶体中，每个原子有,4,个,相邻原子，并和每一个相邻,原子共有,2,个价电子，形成,稳定的,8,原子壳层。,+4+4+4+4+4+4+4+4+4硅是四价元素，每个原子的,2,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量升高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，称为,自由电子,。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现一个空位，称为,空穴,。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由,电子,空穴,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量升高，有的电子可以挣,3,3.2.2,能带结构,量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互影响，原来各原子中能量相近的,能级,将分裂成一系列和原能级接近的新能级。这些新能级基本上连成一片，形成,能带,当,N,个原子靠近形成晶体时，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的一个能级，就分裂成,N,条靠得很近的能级。使原来处于相同能级上的电子，不再有相同的能量，而处于,N,个很接近的新能级上。,由于晶体中原子的周期性排列，价电子不再为单个原子所有的现象。,共有化的电子,可以在不同原子中的相似轨道上转移，可以在整个固体中运动。,3.2.2 能带结构量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互,4,n=3,n=2,原子能级 能带,N,条能级,E,禁带,n=3n=2 原子能级 能带N条,5,满带,：排满电子的能带,空带,：未排电子的能带,未满带,：排了电子但未排满的能带,禁带,：不能排电子的区域,1,满带不导电,2,未满能带才有导电性,导带,：最高的满带,价带,：最低的空带,电子可以从价带激发到导带，价带中产生空穴，导带中出现电子，空穴和电子都参与导电成为,载流子,满带：排满电子的能带,6,导体,，在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流。,绝缘体,：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（,E,g,约,3,6 eV,），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。,半导体,：的能带结构,满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄（,E,g,约,3 eV,以下,),。,导体，在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向,7,导体,半导体,绝缘体,Eg,价带,导带,最高的满带,最低的空带,导带,价带,满带,部分,填充,能带,导体 半导体,8,在,本征半导体,硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成的半导体,2,掺杂半导体,3.2.3,杂质半导体,1,本征半导体,无杂质，无缺陷的半导体,本证载流子：电子、空穴均参与导电,本征半导体中正负载流子数目相等，数目很少,在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成的半导体2,9,根据掺杂的不同，杂质半导体分为,N,型半导体,P,型半导体,N,型半导体：掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体,P,型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。,根据掺杂的不同，杂质半导体分为N型半导体P型半导体N型半导体,10,空 带,满 带,施主能级,E,D,Eg,空 带,E,a,满 带,受主能级,E,g,空 带满 带施主能级EDEg空 带Ea满 带受主能级Eg,11,掺入少量五价杂质元素磷,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,P,多出一个电子,出现了一个正离子,电子是多数载流子，简称,多子,;,空穴是少数载流子，简称,少子,。,施主杂质,半导体整体呈电中性,掺入少量五价杂质元素磷+4+4+4+4+4+4+4+4P多出,12,掺入少量三价杂质元素硼,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,B,空穴,负离子,空穴是多数载流子，,简称,多子,;,电子是少数载流子，,简称,少子,。,受主杂质,半导体整体呈电中性,掺入少量三价杂质元素硼+4+4+4+4+4+4+4+4B空穴,13,3.2.5 PN,结,半导体中载流子有,扩散运动,和,漂移运动,两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为,漂移运动,.,在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为,扩散运动,。,将一块半导体的一侧掺杂成,P,型半导体，另一侧掺杂成,N,型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层,PN,结,3.2.5 PN结半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运,14,多子扩散运动形成空间电荷区,由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向,扩散的结果，交界面,P,区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，,N,区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子，这样在交界面处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区，并产生由,N,区指向,P,区的内电场,E,IN,。,PN,结,多子扩散运动形成空间电荷区由于浓度差，电子和空穴都要从,15,16,内电场,E,IN,阻止多子扩散，促使少子漂移,多子扩散,空间电荷区加宽内电场,E,IN,增强,少子漂移,促使,阻止,E,IN,E,IN,空间电荷区变窄内电场,E,IN,削弱,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的,PN,结,16 内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移多子扩散空间,16,3.2.6,光生伏特效应,当光照射,p-n,结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区激发电子,-,空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆着电场运动，,最后在,n,区边界积累光生电子，在,p,区边界积累光生空穴,，,产生一个与内建电场方向相反的光生电场,，即在,p,区和,n,区之间产生了光生电压,U,OC,，这就是,p-n,结的光生伏特效应。只要光照不停止，这个光生电压将永远存在。,3.2.6 光生伏特效应当光照射p-n结，只要入射光子能量,17,3.2.7,太阳电池的基本工作原理,光电转换的物理过程：,（,1,）光子被吸收，使,PN,结的,P,侧和,N,侧两边产生电子,-,空穴对,（,2,）在离开,PN,结一个扩散长度以内产生的电子和空穴通过扩散到达空,间电荷区,（,3,）电子,-,空穴对被电场分离，,P,侧的电子从高电位滑落至,N,侧，空穴沿着相反的方向移动,（,4,）若,PN,结开路，则在结两边积累的电子和空穴产生开路电压,3.2.7 太阳电池的基本工作原理光电转换的物理过程：,18,3.2.8,晶硅太阳电池的结构,3.2.8 晶硅太阳电池的结构,19,晶体硅太阳能电池的基本原理课件,20,由于半导体不是电的良导体，电子在通过,p,n,结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖,p,n,结（如图,栅状电极,），以增加入射光的面积。,另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射损失减小到,5,甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是,36,个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。,由于半导体不是电的良导体，电子在通过pn结后如果在半导体中,21,3.3,太阳能电池的电学性能,3.3.1,标准测试条件,光源辐照度：,1000W/m,2,测试温度：,25,0,C,AM1.5,太阳光谱辐照度分布,3.3 太阳能电池的电学性能3.3.1 标准测试条件光源,22,3.3.2,太阳电池等效电路,R,se,表示来自电极接触、基体材料等欧姆损耗的串联电阻,R,sh,表示来自泄漏电流的旁路电阻,R,L,表示负载电阻,I,D,表示二极管电流,I,L,表示光生电流,晶体硅太阳电池的等效电路,3.3.2 太阳电池等效电路Rse表示来自电极接触、基体材,23,根据等效电路,将,p,-,n,结二极管电流方程,代入上式的输出电流,式中,q,为电子电量，,k,为波尔兹曼常数，,T,为绝对温度，,n,为二极管质量因子。,理想情况下，,R,sh,R,se,0,根据等效电路将p-n结二极管电流方程代入上式的输出电流式中q,24,3.3.3,太阳电池的主要技术参数,伏安特性曲线（,I-V,曲线）,当负载,R,L,从,0,变化到无穷大时，输出电压,V,则从,0,变到,V,OC,，同时输出电流便从,I,SC,变到,0,，由此得到电池的输出特性曲线,太阳能电池的伏安曲线,电池产生,的电能,M,v,m,I,m,0,3.3.3 太阳电池的主要技术参数伏安特性曲线（I-V曲线,25,最大功率点,M,点为改太阳电池的最佳工作点,太阳能电池的伏安曲线,电池产生,的电能,M,v,m,I,m,0,最大功率点M点为改太阳电池的最佳工作点太阳能电池的伏安曲线电,26,短路电流,是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流（或者说电池被短路时的电流）。通常记作,I,SC,。,短路电流源于光生载流子的产生和收集。对于电阻阻抗最小的理想太阳能电池来说，短路电流就等于光生电流。因此短路电流是电池能输出的最大电流。,在,AM1.5,大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电流为,46,mA,/,cm,2,。实验室测得的数据已经达到,42,mA,/,cm,2,，而商业用太阳能电池的短路电流在,28,到,35,mA,/,cm,2,之间。,短路电流是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流（或者说电池,27,开路电压,V,OC,是太阳能电池能输出的最大电压，此时输出电流为零。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的正向偏压。开路电压如下图伏安曲线所示。,开路电压是太阳能电池的最大电压，即净电流为零时的电压。,开路电压VOC是太阳能电池能输出的最大电压，此时输出电流为零,28,上述方程显示了,V,OC,取决于太阳能电池的饱和电流和光生电流。由于短路电流的变化很小，而饱和电流的大小可以改变几个数量级，所以主要影响是饱和电流。饱和电流,I,0,主要取决于电池的复合效应。即可以通过测量开路电压来算出电池的复合效应。实验室测得的硅太阳能电池在,AM1.5,光谱下的最大开路电压能达到,720,mV,，而商业用太阳能电池通常为,600,mV,。,通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路电压方程：,上述方程显示了VOC取决于太阳能电池的饱和电流和光生电流。由,29,填充因子,被定义为电池的最大输出功率与开路,V,OC,和,I,SC,的乘积的比值。,短路电流和开路电压分别是太阳能电池能输出的最大电流和最大电压。然而，当电池输出状态在这两点时，电池的输出功率都为零。“,填充因子,”，通常使用它的简写“,FF,”，是由开路电压,V,OC,和短路电流,I,SC,共同决定的参数，它,决定,了太阳能电池的,输出效率,。从图形上看，,FF,就是能够占据,IV,曲线区域最大的面积。如下图所示。,填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路VOC和ISC的乘积,30,晶体硅太阳能电池的基本原理课件,31,太阳能电池的转换：,太阳电池接受的最大功率与入射到该电池上的全部辐射功率的百分比。,U,m,、,I,m,分别为最大功率点的电压,A,t,为包括栅线面积在内的太阳电池总面积,P,in,为单位面积入射光的功率。,太阳能电池的转换：太阳电池接受的最大功率与入射到该电池上