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1、太阳能电池基本原理太阳能电池基本原理基本原理 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，即一些半导体材料受到光照时，载流子数量会剧增，导电能力随之增强，这就是半导体的光敏特性。第1页/共42页基本原理当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子空穴对。这样，光能就以产生电子空穴对的形式转变为电能。第2页/共42页基本原理如果半导体内存在PN结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在PN结附近形成与势
2、垒电场方向相反光的生电场。第3页/共42页基本原理若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。第4页/共42页基本原理第5页/共42页基本原理制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例，详细介绍太阳能电池的工作原理。第6页/共42页一、太阳能电池的物理基础1、本征半导体 物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作
3、用下产生定向移动，形成电流。高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧，因而其导电性介于二者之间。第7页/共42页1、本征半导体 定义：将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，相邻的原子 形成共价键。共价键第8页/共42页1、本征半导体 晶体中的共价键具有极强的结合力，因此，在常温下，仅有极少数的价电子由于热运动（
4、热激发）获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子。与此同时，在共价键中留下一个空穴。原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。在本征半导体中，自由电子与空穴是成对出现的，即自由电子与空穴数目相等。第9页/共42页1、本征半导体本征激发:半导体在光照或热辐射激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。空穴自由电子第10页/共42页1、本征半导体 复合:自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子和空穴对数目相等，故达到动态平衡。第11页/共42页1、本征半导体能带
5、理论：单个原子中的电子在绕核运动时，在各个轨道上的电子都各自具有特定的能量；越靠近核的轨道，电子能量越低；根据能量最小原理电子总是优先占有最低能级；能带理论解释本征激发第12页/共42页1、本征半导体能带理论：价电子所占据的能带称为价带；价带的上面有一个禁带，禁带中不存在为电子所占据的能级；禁带之上则为导带，导带中的能级就是价电子挣脱共价键束缚而成为自由电子所能占据的能级；禁带宽度用Eg表示，其值与半导体的材料及其所处的温度等因素有关。(ev电子伏特）T=300K时，硅的Eg=1.1eV；锗的Eg=0.72eV。第13页/共42页 晶体中大量电子能级分布组成密集的能级带，称为能带。其中“价带”
6、能级最低，“导带”能级最高。处于导电状态的能级区域称为导带。导带与价带之间区域称为禁带。能带理论：P4第14页/共42页光生伏特效应（光伏效应）指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。工作原理：当太阳光照射到半导体表面时，半导体内部N区和P区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，通过光辐射获取到超过禁带Eg的能量，脱离共价键的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子-空穴对。这些被光激发的电子空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态。第15页/共42页2、杂质半导体 杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量杂质元素，便可
7、得到杂质半导体。按掺入的杂质元素不用，可形成N型半导体和P型半导体；控制掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半导体的导电性能。第16页/共42页2、杂质半导体 N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。自由电子施主原子第17页/共42页2、杂质半导体 由于杂质原子的最外层有五个价电子，所以除了与其周围硅原子形成共价键外，还多出一个电子。多出的电子不受共价键的束缚，成为自由电子。N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。由于杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子。第18页/共42页2、杂质半导体 P
8、型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。空位受主原子空穴第19页/共42页2、杂质半导体 由于杂质原子的最外层有三个价电子，所以当它们与其周围硅原子形成共价键时，就产生了一个“空位”当硅原子的最外层电子填补此空位时，其共价键中便产生一个空穴。因而P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。因杂质原子中的空位吸收电子，故称之为受主原子。第20页/共42页3、PN结 PN结：采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。正离子负离子空穴自由电子空间电荷区P区N区N区P区第21页/共42页3、PN结
9、扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。当把P型半导体和N型半导体制作在一起时，在它们的交界面，两种载流子的浓度差很大，因而P区的空穴必然向N区扩散，与此同时，N区的自由电子也必然向P区扩散，如图示。第22页/共42页3、PN结 由于扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的，称为空间电荷区，从而形成内建电场。随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内建电场增强，其方向由N区指向P区，正好阻止扩散运动的进行。第23页/共42页3、PN结 漂
10、移运动：在电场力作用下，载流子的 运动称为漂移运动。当空间电荷区形成后，在内建电场作用下，少子产生飘移运动，空穴从N区向P区运动，而自由电子从P区向N区运动。在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结，如图示。此时，空间电荷区具有一定的宽度，电位差为=Uho，电流为零。第24页/共42页二、太阳能电池工作原理 1、光生伏打效应:太阳能电池能量转换的基础是半导体PN结的光生伏打效应。如前所述，当光照射到半导体光伏器件上时，能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中，在N区、耗尽区和P区中激发出光生电子-空穴对。耗尽区：光生电子-空
11、穴对在耗尽区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被送进N区，光生空穴则被推进P区。根据耗尽近似条件，耗尽区边界处的载流子浓度近似为0，即p=n=0。第25页/共42页1、光生伏打效应 内建电场N区P区第26页/共42页1、光生伏打效应 在N区中：光生电子-空穴对产生以后，光生空穴便向P-N结边界扩散，一旦到达P-N结边界，便立即受到内建电场作用，被电场力牵引作漂移运动，越过耗尽区进入P区，光生电子（多子）则被留在N区。在P区中：的光生电子（少子）同样的先因为扩散、后因为漂移而进入N区，光生空穴（多子）留在P区。如此便在P-N结两侧形成了正、负电荷的积累，使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空
12、穴。从而形成与内建电场方向相反的光生电场。第27页/共42页1、光生伏打效应 P区光生电场N区内建电场第28页/共42页1、光生伏打效应 光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏打效应。当电池接上一负载后，光电流就从P区经负载流至N区，负载中即得到功率输出。如果将P-N结两端开路，可以测得这个电动势，称之为开路电压Uoc。对晶体硅电池来说，开路电压的典型值为0.50.6V。如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称为短路电流Isc。第29页/共42页1、光生伏打效应影响光电流的因素：通过光
13、照在界面层产生的电子-空穴对愈多，电流愈大。界面层吸收的光能愈多，界面层即电池面积愈大，在太阳电池中形成的电流也愈大。太阳能电池的N区、耗尽区和P区均能产生光生载流子；各区中的光生载流子必须在复合之前越过耗尽区，才能对光电流有贡献，所以求解实际的光生电流必须考虑到各区中的产生和复合、扩散和漂移等各种因素。第30页/共42页2、太阳能电池材料的光学性质太阳能电池的光学性质，常常决定着太阳能电池的极限效率，而且也是工艺设计的依据。吸收定律 当一束光谱辐照度为I0的光正交入射到半导体表面上时，扣除反射后，进入半导体的光谱辐照度为I0(1-R)，在半导体内离前表面距离为x处的光谱辐照度Ix由吸收定律决
14、定：第31页/共42页 太阳能电池的效率:在上式中，如果把At换为有效面积Aa（也称活性面积），即从总面积中扣除栅线图形面积，从而算出的效率要高一些，这一点在阅读国内外文献时应注意。美国的普林斯最早算出硅太阳能电池的理论效率为21.7%。20世纪70年代，华尔夫（M.Wolf）又做过详尽的讨论，也得到硅太阳能电池的理论效率在AM0光谱条件下为20%22%，以后又把它修改为25%（AM1.0光谱条件）。估计太阳能电池的理论效率，必须把从入射光能到输出电能之间所有可能发生的损耗都计算在内。其中有些是与材料及工艺有关的损耗，而另一些则是由基本物理原理所决定的。第32页/共42页 影响效率的因素 综上
15、所述，提高太阳能电池效率，必须提高开路电压Uoc、短路电流ISC和填充因子FF这三个基本参量。而这3个参量之间往往是互相牵制的，如果单方面提高其中一个，可能会因此而降低另一个，以至于总效率不仅没提高反而有所下降。因而在选择材料、设计工艺时必须全盘考虑，力求使3个参量的乘积最大。第33页/共42页 影响效率的因素u材料能带宽度:开路电压UOC随能带宽度Eg的增大而增大，但另一方面，短路电流密度随能带宽度Eg的增大而减小。结果可期望在某一个确定的Eg处出现太阳电池效率的峰值。用Eg值介于1.21.6eV的材料做成太阳电池，可望达到最高效率。薄膜电池用直接带隙半导体更为可取，因为它能在表面附近吸收光
16、子。第34页/共42页 影响效率的因素u温度 :少子的扩散长度随温度的升高稍有增大，因此光生电流也随温度的升高有所增加，但UOC随温度的升高急剧下降。填充因子下降，所以转换效率随温度的增加而降低。地面应用的硅太阳能电池一般工作在-40+70之间，空间应用的硅太阳能电池可在-135+125条件下工作。温度每升高1，电池的输出功率损失约为0.35%0.45%，也就是说，在20工作的硅太阳能电池的输出功率要比在70工作时高20%。第35页/共42页 影响效率的因素u辐照度:随辐照度的增加短路电流线性增加，最大功率不断增加。将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。第36页/共42
17、页 影响效率的因素u掺杂浓度:对UOC有明显影响的另一因素是半导体掺杂浓度。掺杂浓度越高，UOC越高。但当硅中杂质浓度高于1018/cm3时称为高掺杂，由于高掺杂而引起的禁带收缩、杂质不能全部电离和少子寿命下降等等现象统称为高掺杂效应，也应予以避免。第37页/共42页 影响效率的因素u光生载流子复合寿命:对于太阳电池的半导体而言，光生载流子的复合寿命越长，短路电流会越大。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，适当而且经常进行相关工艺处理，可以使复合中心移走，而且延长寿命。u表面复合速率:低的表面复合速率有助于提高Isc，前表面的复合速率测量起来很困难
18、，经常假设为无穷大。一种称为背电场（BSF）的电池设计为，在沉积金属接触前，电池的背面先扩散一层P+附加层。第38页/共42页 影响效率的因素u串联电阻和金属栅线:串联电阻来源于引线、金属接触栅或电池体电阻，而金属栅线不能透过阳光，为了使Isc最大，金属栅线占有的面积应最小。一般使金属栅线做成又密又细的形状，可以减少串联电阻，同时增大电池透光面积。u采用绒面电池设计和选择优质减反射膜:依靠表面金字塔形的方锥结构，对光进行多次反射，不仅减少了反射损失，而且改变了光在硅中的前进方向并延长了光程，增加了光生载流子产量；曲折的绒面又增加了PN结的面积，从而增加对光生载流子的收集率，使短路电流增加5%10%，并改善电池的红光响应。第39页/共42页 影响效率的因素u阴影对太阳电池的影响:太阳电池会由于阴影遮挡等造成不均匀照射，输出功率大大下降。第40页/共42页THE END第41页/共42页感谢您的观看。第42页/共42页