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

2、射時(shí)，太陽(yáng)電池兩極之間就能產(chǎn)生電壓。連成回路，就有電流流過(guò)，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(chē)4. 按照工作方式分類： 平板太陽(yáng)電池聚光太陽(yáng)電池聚光太陽(yáng)電池聚光電池二. 硅太陽(yáng)電池的工作原理 硅原子的外層 電子殼層中有4個(gè)電子。受到原子核的束縛比較小，如果得到足夠的能量，會(huì)擺脫原子核的束縛而成為自由電子，并同時(shí)在原來(lái)位置留出一個(gè)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(gè)原子有4個(gè)相鄰原子，并和每一個(gè)相鄰原子共有2個(gè)價(jià)電子，形成穩(wěn)定的8原子殼層。 從硅的原子中分離出一個(gè)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(lái)的電子是自由的傳導(dǎo)電子，它能自由移動(dòng)并傳送電流。硅原子的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 如果在純凈的硅晶體中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)磷（或砷，銻等），由于磷原子具有5個(gè)價(jià)電子，所以1個(gè)磷原子同相鄰的4個(gè)硅原子結(jié)成共價(jià)鍵時(shí)，還多余1個(gè)價(jià)電子，這個(gè)價(jià)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(gè)摻入5價(jià)雜質(zhì)的4價(jià)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(duì)。然而空穴的數(shù)目相對(duì)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(jià)雜質(zhì)，如硼（或鋁、鎵或銦等），這些3價(jià)雜質(zhì)原子的最外層只有3個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它與相鄰的硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，還缺少1個(gè)價(jià)電子，因而在一個(gè)共價(jià)鍵上要出現(xiàn)一個(gè)空穴，因此摻入3價(jià)雜質(zhì)的4價(jià)半導(dǎo)體，也稱為p型半導(dǎo)體。 對(duì)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(shí)，由導(dǎo)電類型相反的兩塊半導(dǎo)體之間的過(guò)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(huì)產(chǎn)生多

5、數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 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(shí)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(shí)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)由正電荷指向負(fù)電荷的電場(chǎng)，因此在 p-n 結(jié)內(nèi)，存在一個(gè)由n區(qū)指向p區(qū)的電場(chǎng)，稱為內(nèi)建電場(chǎng)（或稱勢(shì)壘電場(chǎng))。 太陽(yáng)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(duì)，也稱光生載流子。這樣形成的電子-空穴對(duì)由于熱運(yùn)動(dòng)，向各個(gè)方向遷移。 光生電子-空穴對(duì)在空間電荷區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場(chǎng)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(chǎng)的作用，在電場(chǎng)力作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，越過(guò)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(chǎng)的作用而在電場(chǎng)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(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)除了一部分抵消內(nèi)建電場(chǎng)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(shì)。這就是“光生伏打效應(yīng)”（簡(jiǎn)稱光伏）。 如果使太陽(yáng)電池開(kāi)路，即負(fù)載電阻， RL = ，則被 p-n 結(jié)分開(kāi)的全部過(guò)剩載流子就會(huì)積累在 p-n 結(jié)附近

8、，于是產(chǎn)生了等于開(kāi)路電壓VOC的最大光生電動(dòng)勢(shì)。 如果把太陽(yáng)電池短路，即RL = 0，則所有可以到達(dá) p-n 結(jié)的過(guò)剩載流子都可以穿過(guò)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(yáng)電池接上負(fù)載RL，則被結(jié)分開(kāi)的過(guò)剩載流子中就有一部分把能量消耗于降低 p-n 結(jié)勢(shì)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(lái)產(chǎn)生光生電流Im。太陽(yáng)電池的極性 太陽(yáng)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(gè)符號(hào)，即p+和n+表示太陽(yáng)電池正面光照半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型；第二個(gè)符號(hào)，即n和 p表示太陽(yáng)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(yáng)電池。上表面為負(fù)極；下表面為正極。三. 太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)四. 太陽(yáng)電池基本參數(shù)1.標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件光源輻照度：1000W/m2 ； 測(cè)試溫度： 2520C ； AM1.5地面太陽(yáng)光譜輻照度分布。太陽(yáng)光譜分布2.太陽(yáng)電池等效電路(1)理想太陽(yáng)電池等效電路： 相當(dāng)于一個(gè)電流為Iph的恒流電源與一只正向二極管并聯(lián)。流過(guò)二極管的正向電流稱為暗電流ID.流過(guò)負(fù)載的電流為I負(fù)載兩端的電壓為V 理想的太陽(yáng)電池等效電路 Iph ID V R I(2)實(shí)際太陽(yáng)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(guò)旁路電阻Rsh的電流為： ISh= (V+IRS) / Rsh流過(guò)負(fù)載的電流： I= Iph ID ISh 實(shí)際的太陽(yáng)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(jiǎn)化為單指數(shù)形式： ID=Iooexp(qVj/A0kT)-1其中： Ioo為太陽(yáng)電池在無(wú)光照時(shí)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(duì)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(yáng)電池的電流與電壓的關(guān)系。畫(huà)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(shí)，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(shí),輸出電流0,便得到開(kāi)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(yáng)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(gè)太陽(yáng)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(kāi)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(kāi)路)情況下的端電壓，通常用Voc來(lái)表示。 太陽(yáng)電池的開(kāi)路電

12、壓與電池面積大小無(wú)關(guān)，通常單晶硅太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓約為450-600mV，最高可達(dá)690mV 。 太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓與入射光譜輻照度的對(duì)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(shí)的輸出電流，通常用Isc來(lái)表示。 Isc與太陽(yáng)電池的面積大小有關(guān)，面積越大， Isc越大。一般1cm2的太陽(yáng)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(yáng)電池的伏安特性曲線上對(duì)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(yáng)電池伏安特性曲線上最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓。通常用Vm表示8. 最佳工作電流 太陽(yáng)電池伏安特性曲線上最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)

13、的電流。通常用Im表示9. 轉(zhuǎn)換效率 受光照太陽(yáng)電池的最大功率與入射到該太陽(yáng)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(yáng)電池的總面積， Pin為單位面積太陽(yáng)入射光的功率。 世界主要太陽(yáng)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(guó)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(guó)USSC公司 0.

14、27 cm2面積CIGS電池19.50.6美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室0.41 cm2面積CdTe電池16.50.5美國(guó)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(guó)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(guó)SunPower公司96倍聚光中國(guó)太陽(yáng)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(gè)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(gè)mm210103030二氧化鈦納米有機(jī)電池101110. 填充因子(曲線因子) 太陽(yáng)電池的最大功率與開(kāi)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(yáng)電池的極限輸出功率 ImVm是太陽(yáng)電池的最大輸出功率 填充因子是表征太陽(yáng)電池性能優(yōu)劣的一個(gè)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(cè)太陽(yáng)電池溫度每變化10C ，太陽(yáng)電池短路電流的變化值，通常用表示。 對(duì)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(cè)太陽(yáng)電池溫度每變化10C ，太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓的變化值，通常用表示。 對(duì)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(chǎng)(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(chǎng),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(gè)/厘米2。 依靠表面金字塔形的方錐結(jié)構(gòu),對(duì)光進(jìn)