1-太阳能电池概论

第一章太阳电池概论•1.1太阳电池发展简史•1.2器件分类和典型结构•1.3工作原理•1.4基本电性能参数1839年，法国物理学家A.E.贝克勒尔(Becqurel)用两片金属浸入溶液构成伏打电池，光照时会产生额外的光电势，即所谓的“光生伏打效应（photovoltaiceffect）”。1873年英国科学家WiloughB.Smith观察到了对光敏感的硒材料，并推断出在光照射下硒导电能力的增加正比于光通量。1880年CharlesFritts开发出以硒为基础的光伏电池。随后人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件”。其中，半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高，通常称这光伏器件为“光伏电池”或“太阳能电池”。1.1太阳电池发展简史硒（Se）1954年，美国贝尔实验室为远程通信系统寻找可靠电源时，发现掺杂硅对光敏感，可产生稳定的电压。第一次做出了光电转换效率为6％的实用单晶硅光伏电池。1958年，首颗以太阳电池作为信号系统电源的人造卫星美国先锋I（Vanguard-I，效率为9%）卫星发射上天，从此开始了太阳电池作为空间电源应用的新纪元。1.1太阳电池发展简史1961年到1971年：研究重点放在提高抗辐射能力及降低成本方面。1972年到1976年：研制出各种空间用单晶硅光伏电池。20世纪70年代中期，研制出超薄单晶硅光伏电池。1976年，诺贝尔物理奖授予莫特教授－在非晶态固体中的电子过程，随后探索出非晶硅光伏电池。1997年京都协议的签订，更是将光伏发电的应用推向另一个高峰。太阳电池在地面的应用非常广泛，主要集中在照明、通信、交通等领域。而光伏发电与建筑物的结合（BuildingIntegrated/AttachedPhotovoltaic）以及并网发电是当今光伏应用新的趋势。1.1太阳电池发展简史太阳能电池（Solarcell）：1.1太阳电池发展简史1.2太阳电池分类和典型结构按光活性材料种类分类1.2太阳电池分类和典型结构按太阳电池发展历程分类1.2太阳电池分类和典型结构NationalRenewableEnergyLaboratory（美国国家可再生能源实验室）太阳电池分类和典型结构晶硅太阳电池CIGS太阳电池碲化镉太阳电池太阳电池一般制成p+/n型结构、n+/p型结构及n-i-p/p-i-n型结构等，其中第一个符号，即p+和n+表示太阳电池正面光照半导体材料的导电类型；第二个符号，即n和p表示太阳电池背面衬底半导体材料的导电类型。虽然太阳电池器件的结构五花八门，但商业化的太阳电池产品仍然都依赖于“PN结”结构。“体异质结”有机太阳电池1.3.1光电效应光电效应（Photoelectriceffect）：特定频率的电磁波照射下到物质上，引起物质的电性质发生变化的现象。光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种又称外光电效应。后两种现象称为内光电效应。1.3太阳电池工作原理外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。光电导效应（Photoconductiveeffects），又称为光敏效应，是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。光生伏特效应（Photovoltaiceffect）：简称“光伏效应”，即半导体在受到光照射时，由于光生载流子在不同位置具有不均一性，或者由于PN结产生了内部载流子，就会因扩散或者漂移效应而引起电子和空穴密度分布不均匀，从而产生电动势的现象。光伏效应首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压，实现功率输出的过程。1.3太阳电池工作原理如果在纯净的硅晶体中掺入少量的5价杂质磷（或砷，锑等），由于磷原子具有5个价电子，所以1个磷原子同相邻的4个硅原子结成共价键时，还多余1个价电子，这个价电子很容易挣脱磷原子核的吸引而变成自由电子。所以一个掺入5价杂质的4价半导体，就成了电子导电类型的半导体，也称为n型半导体。在N型半导体材料中，空穴数目很少,称为少数载流子;而电子数目很多,称为多数载流子1.3.1PN结的形成1.3太阳电池工作原理同样如果在纯净的硅晶体中掺入3价杂质，如硼（或鋁、镓或铟等），这些3价杂质原子的最外层只有3个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少1个价电子，因而在一个共价键上要出现一个空穴，因此掺入3价杂质的4价半导体，也称为p型半导体。对于P型半导体，空穴是多数载流子，而电子为少数载流子。1.3.1PN结的形成1.3太阳电池工作原理p型、n型半导体接触时，多数载流子由于浓度的差异产生扩散运动，扩散运动的结果使空间电荷区不断加宽，从而使n型半导体一侧形成空穴的积累，而p型一侧形成电子的积累，产生一个由n指向p的内建电场。内建电场随着扩散运动的继续而逐渐增强，内建电场又阻碍多子扩散，促进少子的漂移，即阻碍空间电荷区变宽。最后当这两种运动达到平衡态时，内建电场不再变化，空间电荷区的宽度稳定了，便形成了pn结。1.3.1PN结的形成1.3太阳电池工作原理1.3.1PN结的电学特性扩散与漂移作用平衡，流过热平衡PN结的竟电流为零PN结的结区厚度一定内建电场方向由N区指向P区接触电位一定（约零点几伏）1.3太阳电池工作原理（1）自由载流子产生。当太阳光照射在太阳能电池上时，太阳光将会被P型或N型光活性半导体材料吸收产生激子，并进一步分离得到自由电子空穴对。只有光子能量范围为hvEg的才能够被吸收；载流子产生过程的主要能量损失来源于电池表面光反射。①②③1.3.1太阳电池工作原理1.3太阳电池工作原理（2）载流子定向传输。由于没有外加电源，因此所产生的自由电子和空穴收到PN结的内建电场影响而分离并定向移动，其中自由电子移向N区的电极，而空穴移向P区的电极。传输过程的主要能量损失为载流子复合，即光激发的自由电子和空穴相互作用放出能量（如荧光、晶格振动等）而消失。①②③1.3太阳电池工作原理（3）电流的形成。移向N区电极的自由电子流向负载，同时移向P区的空穴沿着反方向流向负载，形成流经外电路的电流，实现能量输出。①②③1.3太阳电池工作原理三.太阳电池的结构MaterialsResearchLaboratories工業技術研究院工業材料研究所IndustrialTechnologyResearchInstitute何謂AM0、AM1、AM1.5？Wavelength(m)SpectralIrradiance(Wm-2m-1)AM0AM1.5AM即AirMass，(不同AirMass代表不同太陽光光譜)•AM0(AirMass0)~1,400Wm-2•AM1(AirMass1)~1,000Wm-2•AM1.5(AirMass1.5)~844Wm-2AM1.51,000Wm-2(IEC891、IEC904-1)EarthAM0AM1AM1.5大氣層45o空气质量（Airmass,AM）：大气对地球表面接收太阳光的影响程度，在太阳光入射光线与地面法线间的夹角为θ时，大气质量为AM=1/cosθAM0：地球外空间接收太阳光的情况，辐照度为1367W/m2AM1.5：θ=48.2°时，是指典型晴天时太阳光照射到一般地面的情，辐照度为1000W/m2；测试温度：25±2oC；1.4基本电性能参数1.4.1器件测试条件1.4基本电性能参数1.4.1理想太阳电池等效电路理想PN结电池的结构可以等效为一个理想PN结二极管并联一个电流源Iph。工作条件下，这个二极管的存在正向的暗电流Id，其电流电压特性可以用肖克来方程表示。光照产生的电流源Iph，该电流源的输出并非恒定值，主要与光照强度有关。流过负载的电流为I负载两端的电压为V黑暗条件下，太阳电池就是一个普通的二极管，具有整流特性，会产生暗电流，与光生电流Jph方向相反。如果太阳电池处于热平衡状态，暗电流满足肖克莱方程，1.4.1暗态下电流-电压特性1.4基本电性能参数暗态下太阳电池的电流-电压曲线（Currentdensity-voltagecurve）J0：反向饱和电流，指PN结在反向电压下，还没有达到击穿的电流。Kb:玻尔兹曼常数q:元电荷电量1.4太阳电池工作原理1.4.1光照下的电流-电压特性实际工作下，太阳电池伏安特性中的电流是方向相反的光生电流Jph和暗电流Jd的叠加，光照下太阳电池的电流-电压曲线随着外电路负载电阻R变大，即工作电压V增加，工作电流J减少1.4.3短路电流在没有外加偏压时，光电流流向PN结的反向偏压方向，而太阳能电池的净电流也流向反偏压方向。在未加负载时，即负载电阻为零时，太阳能电池处于短路状态，这种状态下的电流I成为短路电流（Shortcircuitcurrent,Isc），即Isc即为短路光电流，另一种常见写法是将Isc除以器件的有效面积得到短路电流密度Jsc。1.4.3光生电流和量子效率材料的量子效率QE是一个非常重要的太阳电池参数，它可以是光子能量的函数，也可以是波长的函数。=6.63×10-34J⋅s==h是普朗克常数Ehchνλ材料的量子效率QE取决于三个因素：（1）材料对光子的吸收率；（2）载流子的分离效率；（3）载流子的输运效率。太阳电池的光生电流由入射光强bs和太阳电池的性能共同决定。Jph=Jsc=q∫0∞QE(E)bs(E,Ts)dE1.4.3光生电流和量子效率能量在到范围内的太阳辐射光子数，与太阳温度有关是太阳光子通量或入射光强，描述单位时间内、单位面积上、描述能量为的光子，产生电子跃迁，并进入外部电路的概率；是电子电量；量子效率是光子能量的函数，1.4.3开路电压加上负载后，电流对负载器件施加电压，该电压同时对太阳能电池产生正向偏压的作用，此时空间电荷区的电场强度会下降，但不会为零或改变方向。此时，输出电流I等于光生电流Iph减去正向暗电流Id，负载无限大时，其静电流为零，所产生的电压即为开路电压（Open-circuitvoltage,Voc）由以上公式可以看出，在理想条件下，光/暗电流比值对器件的光生电压有着决定性作用。1.4.3光电转化效率工作条件下，太阳电池的输出功率P为，输出功率随着器件的输出电压变化，其中伏安曲线对应的最大功率Pm输出点为最佳工作点（maximumpowerpoint）,对应着其最佳工作电压Pm和最佳工作电流密度Jm。可得到最佳负载电阻Rm为,太阳电池的光电转化效率（powerconversionefficiency,PCE，%）为最大输出功率和太阳辐射到达地面的辐照度Ps的比值，1.4.3填充因子填充因子（Fillfactor,FF）是太阳能电池性能优劣的重要参数，定义为大输出功率时的电流和电压的乘积与短路电流和开路电压乘积的比值。填充因此代表着图中小正方形的面积，起数学意义为最大输出点的长方形面积与J-V曲线的封闭图形面积的比值。FF的典型值通常处于60~85%，并由太阳能电池的材料和器件结构决定。•(2)实际太阳电池等效电路：•由于漏电流等产生的旁路电阻Rsh•由于体电阻和电极的欧姆电阻产生的串联电阻Rs•在Rsh两端的电压为：Vj=(V+IRS)•因此流过旁路电阻Rsh的电流为：ISh=(V+IRS)/Rsh•流过负载的电流：I=Iph–ID–ISh实际的太阳电池等效电路RsIphIDRshIshVRI•暗电流ID是注入电流和复合电流之和，可以简化为单指数形式：ID=Ioo{exp(qVj/A0kT)-1}其中：•Ioo为太阳电池在无光照时的饱和电流；•A0为结构因子，它反映了p-n结的结构完整性对性能的影响；•K是玻尔兹曼恒量•因此得出:•这就是光照情况下太阳电池的电流与电压的关系。画成图形，即为(I-V)特性曲线。shskTAIRVqphshDphRIRVeIIIIIIs)1(0/)(00这两种寄生电阻都会减小填充因子，很高