《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-1

中国科学院半导体研究所张兴旺2第四章太阳电池基础光生载流子的浓度和电流4.2太阳电池的测试技术4.4光生伏特效应34.1太阳电池的伏安特性34.34.5太阳电池的效率分析太阳电池的性能表征4.6中国科学院半导体研究所张兴旺3以晶体硅太阳电池为例。（1）以p型晶体硅半导体材料为衬底；（2）为了减少光的反射损失，常制作绒面减反结构（3）采用扩散法在硅衬底上制作重掺杂的n型层（4）PECVD生长SiO2减反层（5）在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极（6）在衬底背面制作金属膜，作为背面欧姆接触电极4.1光生伏特效应太阳电池基本结构中国科学院半导体研究所张兴旺4半导体吸收光子产生电子空穴对，电子空穴对在p-n结内建电场作用下分离，从而在p-n结两端产生电动势。p-n结是太阳电池的核心4.1光生伏特效应光生载流子形成一个与热平衡结电场方向相反的电场，使得势垒降低；光生电流与正向结电流相等时，pn结建立稳定的电势差，即光生电压ElectricField中国科学院半导体研究所张兴旺5太阳电池工作原理：当太阳光照射到太阳电池上并被吸收时，其中能量大于禁带宽度Eg的光子能把价带中电子激发到导带上去，形成自由电子，价带中留下带正电的自由空穴，即电子—空穴对，通常称它们为光生载流子。自由电子和空穴在不停的运动中扩散到p-n结的空间电荷区，被该区的内建电场分离，电子被扫到电池的n型一例，空穴被扫到电池的p型一侧，从而在电池上下两面（两极）分别形成了正负电荷积累，产生“光生电压”，即“光伏效应”。如果在电池的两端接上负载，在持续的太阳光照下，就会不断有电流经过负载。这就是太阳电池的基本工作原理。载流子运动的角度4.1光生伏特效应中国科学院半导体研究所张兴旺6能带的角度持续光照条件下，大量的光生载流子产生，光生电子和空穴被源源不断地分别扫到n型和p型一两侧，致使n区和p区费米能级的分裂，若太阳电池断路，光生电压V即为开路电压Voc。若外电路短路，pn结正向电流为零，外电路电流为短路电流，理想情况下也就是光电流。4.1光生伏特效应中国科学院半导体研究所张兴旺7黑体极限AM0AM1.5AM0T=300k0.51.01.52.02.55101520253035SiCU2SGaAsCdS一般太阳电池最常用的半导体材料的带隙在1～2eV之间。而在1.4eV左右可获得最高的光电转换效率。材料带隙4.1光生伏特效应中国科学院半导体研究所张兴旺8直接带隙半导体，带隙在1.1eV到1.7eV之间组成的材料无毒性，在地球上丰度高便于制备，并可大面积、薄膜化生产有较高的光电转换效率较好的力学性能，便于加工性能稳定，耐候性好，具有长期稳定性理想太阳能电池材料特性4.1光生伏特效应中国科学院半导体研究所张兴旺9太阳电池是恒流源，普通电池是恒压源4.2太阳电池的性能表征中国科学院半导体研究所张兴旺10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，在正向电压下会产生暗电流，如果太阳电池处于热平衡状态，暗电流满足肖克莱方程。dp2ihAe2ie0qV/k0darkNLnqDNLnqDJ1)-(eJ(V)JBaTJ0V4.2太阳电池的性能表征所谓暗电流指的是光伏电池在无光照时，由外电压作用下P-N结内流过的单向电流。反向饱和电流J0是pn结在反向电压下、还没有达到击穿时的电流中国科学院半导体研究所张兴旺114.2太阳电池的性能表征不考虑寄生电阻时太阳电池等效电路1)-(eJ(V)JBqV/k0darkT与光生电流Jph方向相反。不考虑寄生电阻时太阳电池=恒流源+二极管光照下，存在光吸收，产生光电流Jsc；另一方面，光生电压对于二极管相当于正向偏压，正向偏压下通过二极管的电流如太阳电池与负载接成通路，通过负载（外电路）的电流为(V)J-JJ(V)darkphJph1)-(eJJJBqV/k0phT中国科学院半导体研究所张兴旺12Iph暗特性ImpVmpVOCIscVIO输出功率太阳电池伏安特性中的电流，是方向相反的光生电流Jph(Jph=Jsc)和暗电流Jdark的叠加。4.2太阳电池的性能表征伏安特性是光生电流Jph和暗电流Jdark的叠加(V)J-JJ(V)darkph1)-(eJJJBqV/k0phT中国科学院半导体研究所张兴旺13VocVmImIscIVRm1开路电压短路电流最大功率输出点JscJmJ开路电压Vocpn结开路情况下(RL=∞)，此时pn结两端的电压即为开路电压Voc（与光谱辐照强度有关，与电池面积大小无关，随温度升高，开路电压下降）pn结开路，则J=01)-(eJJJBqV/k0phTJph载流子运动/能带的角度如何理解4.2太阳电池的性能表征电池能提供的最大电压，与？？？有关，包括：中国科学院半导体研究所张兴旺14短路电流Isc如将p-n结短路（V=0），这时所得的电流为短路电流Isc，短路电流等于光生电流（与太阳能电池的面积大小有关，面积越大，Isc越大）VocVmImIscIVRm1开路电压短路电流最大功率输出点JscJmJ4.2太阳电池的性能表征pn结短路，则V=0Jsc=Jph1)-(eJJJBqV/k0phT载流子运动/能带的角度如何理解电池能提供的最大电流，与载流子的产生与收集有关，包括：中国科学院半导体研究所张兴旺15Isc=Iph=qGA(Lp+W+Ln)JphVocIsc随光强的变化关系聚光太阳电池效率)/ln(0IxIVVSCToc)(jdSCVIxII4.2太阳电池的性能表征VocVmaxpn结势垒消失VD，与Eg相当实际的I-V曲线？中国科学院半导体研究所张兴旺16不考虑寄生电阻的太阳电池等效电路1e1e1JJ(V)1eJJT/KqVTqV/KscT/KqVph0BocBBoc伏安特性方程4.2太阳电池的性能表征JphJphJsc=Jph中国科学院半导体研究所张兴旺17传输到负载上的功率为：通过令P的导数为零，可得负载上最大功率时的电流电压值1e1e1JJ(V))(aBocaBT/KqVTqV/KscVVVP01e）1/(qe-eJ)(一阶导数为零，有极值0)(aBocaBmaBocT/KqVT/KqVT/KqVscmaBmTkVdVVdPPdVVdP得到关于最佳工作电压Vm的方程ocaBmaBmVTkqVqTkV1ln4.2太阳电池的性能表征中国科学院半导体研究所张兴旺18太阳电池的伏安（电流I---电压V）特性曲线是指在一定光照和环境温度为300K的条件下，电流和电压的函数关系。VocVmImIscIVRm1开路电压短路电流最大功率输出点Pm由于电流I与与太阳电池面积A成正比，所以也常常用电流密度J取代电流I，来描述伏安特性。J=I/A4.2太阳电池的性能表征太阳电池的用途是将太阳光能转换为电能，往往用功率密度P=IV；来衡量电能的大小负载R可以从零到无穷大。当负载Rm使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率Pm为式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压。mmmVIP太阳电池最大功率输出中国科学院半导体研究所张兴旺19填充因子FF在伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vm和最佳工作电流Im。FF表示最大输出功率点所对应的矩形面积在Voc和Isc所组成的矩形面积中所占的百分比。特性好的太阳能电池就是能获得较大功率输出的太阳能电池，也就是Voc，Isc和FF乘积较大的电池。对于有合适效率的电池，该值应在0.70-0.85范围之内。scocmmscocmIVIVIVPFF4.2太阳电池的性能表征中国科学院半导体研究所张兴旺20%100)/(入射光的功率太阳电池功率输出太阳电池的光电转换效率η：太阳电池的有效功率输出与入射光功率之比。表示入射的太阳光能量有多少能够转化为有效的电能。%100%100%100inSCOCinmminmPFFIVPIVPP其中Pin是入射光的能量密度Vm是最大功率点对应的工作电压VOC是开路电压Im是最大输出点对应的工作电流ISC是短路电流FF是填充因子4.2太阳电池的性能表征中国科学院半导体研究所张兴旺21寄生电阻实际太阳电池能量的消耗主要在：（1）接触电阻（2）太阳电池边缘的漏电流。其效果相当于两种寄生电阻：（1）串联电阻Rs表示；由引线，前、背表面接触电阻，基区和顶层电阻以及材料的电阻。（2）并联电阻Rsh；由太阳电池边缘漏电流和太阳电池本身的裂纹、划痕等形成的金属桥漏电。4.2太阳电池的性能表征中国科学院半导体研究所张兴旺22由等效电路可知：shsARRVAJVeaTBksRVAJVq)(1JJJ(V)1eJJ/])([aBoc0scT/kqVsc0sshAJRVVshdarkscshshshJJJJ(V)ARVJ考虑了寄生电阻后太阳电池的I-V关系寄生电阻4.2太阳电池的性能表征J=Jph-Jdark-JshV=Vph-AJRs中国科学院半导体研究所张兴旺23这两种寄生电阻都会减小填充因子，很高的RS和很低的RSH值会分别导致ISC和VOC降低，电流寄生电阻4.2太阳电池的性能表征电压寄生电阻对太阳能电池输出特性的影响J=Jph-Jdark-JshV=Vph-AJRs中国科学院半导体研究所张兴旺24Rs和Rsh的值可从电池在光照条件下的J-V曲线得到。具体方法为：在J-V曲线的VOC处做曲线的切线，计算该切线的斜率，斜率的倒数即为电池的Rs；同样Rsh通过计算JSC处J-V曲线的斜率，并求其倒数得到。VocVmImIscIVRm1寄生电阻RsRsh4.2太阳电池的性能表征中国科学院半导体研究所张兴旺25肖克莱方程描述的是理想二极管太阳电池的电流电压关系，二而实际二极管暗电流Jdark对电压V的依赖较弱，所以采用理想因子来修正肖克莱方程。理想的肖克莱方程理想因子4.2太阳电池的性能表征修正后的肖克莱方程（未考虑寄生电阻）Jdark(V)=理想因子的数值一般在1～2之间。理想因子m反映p-n结中扩散电流(m=1)与复合电流(m=2)的比例关系中国科学院半导体研究所张兴旺264.2太阳电池的性能表征中国科学院半导体研究所张兴旺27修正后的肖克莱方程（未考虑寄生电阻）1e1e1JJ(V)aBocaBT/mKqVTqV/mKsc理想的肖克莱方程1e1e1JJ(V)aBocaBT/KqVTqV/KscshsARRVAJVeaTBmksRVAJVq)(1JJJ(V)/])([0sc修正后的肖克莱方程（考虑寄生电阻）4.2太阳电池的性能表征中国科学院半导体研究所张兴旺28谢谢您的聆听！