第三章晶体硅太阳能电池的基本原理课件

,*,confidential,第三章 晶体硅太阳能电池的基本原理,3.1,太阳电池的分类,按基体材料分,1.,硅太阳电池,单晶硅太阳电池,多晶硅太阳电池,非晶硅太阳电池,微晶硅太阳电池,2.,化合物太阳电池,砷化镓,太阳能电池,碲化镉太阳能电池,铜铟镓硒太阳能电池,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,+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。,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,n=3,n=2,原子能级 能带,N,条能级,E,禁带,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,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,),。,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,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。,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,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,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,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。,3.2.7,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,3.2.8,晶硅太阳电池的结构,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。,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,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,0,3.3.3,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,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。,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。,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。,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。,在太阳能电池中，,受温度影响最大的参数是开路电压,。温度的改变对伏安曲线的影响如下图所示。,短路电流,I,SC,提高幅度很小,温度较高的电池,开路电压,V,oc,下降幅度大,太阳辐照度对太阳能电池的伏安特性的影响,短路电流,I,SC,随着聚光呈线性上升,开路电压随光强呈对数上升,3.3.4,影响太阳电池转换效率的因素,1.,禁带宽度,V,OC,随,E,g,的增大而增大，但另一方面，,I,SC,随,E,g,的增大而减小。结果是可期望在某一个确定的,E,g,随处出现太阳电池效率的峰值。,随温度的增加，效率,下降。,I,SC,对温度,T,不很敏感，温度主要对,V,OC,起作用。,对于,Si,，温度每增加,1,0,C,，,V,OC,下降室温值的,0.4%,，也因而降低约同样的百分数。例如，一个硅电池在,20,0,C,时的效率为,20%,，当温度升到,120,0,C,时，效率仅为,12,。又如,GaAs,电池，温度每升高,1,0,C,，,V,OC,降低,1.7mv,或降低,0.2%,。,2.,温度,希望载流子的复合寿命越长越好，这主要是因为这样做,I,SC,大。少子,长寿命也会减小暗电流并增大,V,OC,。,在间接带隙半导体材料如,Si,中，离结,100m,处也产生相当多的载流子，所以希望它们的寿命能大于,1s,。在直接带隙材料，如,GaAs,或,Gu,2,S,中，只要,10ns,的复合寿命就已足够长了。,达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中，要避免形成复合中心。在加工过程中，适当而且经常进行工艺处理，可以使复合中心移走，因而延长寿命。,将太阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。设想光强被浓缩了,X,倍，单位电池面积的输入功率和,J,SC,都将增加,X,倍，同时,V,OC,也随着增加,(kT/q)lnX,倍。因而输出功率的增加将大大超过,X,倍，而且聚光的结果也使转换效率提高了。,3.,复合寿命,4.,光强,5.,掺杂浓度及剖面分布,对,V,OC,有明显的影响的另一因素是掺杂浓度。虽然,N,d,和,N,a,出现在,V,oc,定义的对数项中，它们的数量级也是很容易改变的。掺杂浓度愈高，,V,oc,愈高。一种称为重掺杂效应的现象近年来已引起较多的关注，在高掺杂浓度下，由于能带结构变形及电子统计规律的变化，所有方程中的,N,d,和,N,a,都应以（,N,d,）,eff,和（,N,a,）,eff,代替。如图,2.18,。既然（,N,d,）,eff,和（,N,a,）,eff,显现出峰值，那么用很高的,N,d,和,N,a,不会再有好处，特别是在高掺杂浓度下寿命还会减小。,高掺杂效应。随掺杂浓度增加有效掺杂浓度饱和，甚至会下降,目前，在,Si,太阳电池中，掺杂浓度大约为,10,16,cm,-3,，在直接带隙材料制做的太阳电池中约为,10,17,cm,-3,，为了减小串联电阻，前扩散区的掺杂浓度经常高于,10,19,cm,-3,，因此重掺杂效应在扩散区是较为重要的。,当,N,d,和,N,a,或（,N,d,）,eff,和（,N,a,）,eff,不均匀且朝着结的方向降低时，就会建立起一个电场，其方向能有助于光生载流子的收集，因而也改善了,I,SC,。这种不均匀掺杂的剖面分布，在电池基区中通常是做不到的；而在扩散区中是很自然的。,6.,表面复合速率,低的表面复合速率有助于提高,I,SC,，并由于,I,0,的减小而使,V,OC,改善。前表面的复合速率测量起来很困难，经常被假设为无穷大。一种称为背表面场（,BSF,）电池设计为，在沉积金属接触之前，电池的背面先扩散一层,P,附加层。,背表面场电池。在,P/P+,结处的电场妨碍电子朝背表面流动,7.,串联电阻,在任何一个实际的太阳电池中，都存在着串联电阻，其来源可以是引线、金属接触栅或电池体电阻。不过通常情况下，串联电阻主要来自薄扩散层。,PN,结收集的电流必须经过表面薄层再流入最靠近的金属导线，这就是一条存在电阻的路线，显然通过金属线的密布可以使串联电阻减小。串联电阻,R,S,的影响是改变,I,V,曲线的位置。,8.,金属栅和光反射,在前表