第三讲太阳电池原理及主要电池介绍.

1第三讲3太阳电池原理及主要太阳电池介绍11太阳电池分类2太阳电池工作原理3晶硅太阳电池4薄膜太阳电池5化合物太阳电池6染料敏化太阳电池7其它新型太阳电池12太阳电池分类(材料分类)单晶硅太阳电池晶体硅太阳电池多晶硅太阳电池(CrystalSiliconSolarCell)带状硅太阳电池按基体材料分类BasedonMaterials非晶硅太阳电微晶硅薄膜太阳电池多晶硅薄膜太阳电池纳米晶硅薄膜太阳电池硅薄膜太阳电池SiliconThinFilm硒光电池硫化镉太阳电池硒铟铜太阳电池碲化镉太阳电池砷化镓太阳电池磷化铟太阳电池染料敏化太阳电池(DyeSensitizedSolarcell)有机薄膜太阳电池(OrganicSolarCell)化合物太阳电池CompoundSolarcell223太阳电池分类(应用分类)空间太阳电池刚性衬底柔性衬底地面太阳电池光伏传感器用途分类刚性衬底柔性衬底同质结太阳电池异质结太阳电池肖特基结太阳电池复合结太阳电池分光太阳电池液结太阳电池结构分类平板太阳电池聚光太阳电池分光太阳电池使用状态分类334太阳电池分类（按照技术成熟程度）①晶硅电池：单晶硅，多晶硅，带硅等；②薄膜电池：a-Si，a-Si/c-Si，CIGS，CdTe，GaAs，poly-Si等；③新型电池及新概念电池：染料敏化电池－光电化学电池，有机电池，多结(带隙递变)电池，中间带（杂质带）电池，量子点、量子阱电池，上转换器（低能光子合并成高能光子）电池，下转换器（高能光子分解成低能光子），热载流子电池等。445电池光电化学电池其他新概念电池（第三代电池？）染料敏化电池（如有机电池等）多结电池（太阳光谱多级利用）光子的分离（下转换）和合并（上转换）中间带或杂质带电池％115～632～3结概念证明阶段电池晶硅电池薄膜电池（第二代电池？）太阳级硅硅基化合物Wafer(切片)Ribbon(带硅)多晶a-Si，c-SiPECVD多晶基RTCVD等CdTeCIGSGaAs迭层单晶多晶％2518-192216-181713-1613－155.5-9.51516.8～1019.88-10～4232.2产业化产业化部分产业化实验室产业化产业化聚光示范556太阳电池组件分类667太阳能电池发电原理•当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在Ｐ－Ｎ结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。•这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。•能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。778光伏效应•早在1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。••太阳电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。•即当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压，使PN结短路，就会产生电流。889太阳电池工作原理太阳电池是利用pn结内建电场作用，分离入射光产生的电子-空隙对，在正负电极形成电势。当入射太阳光能量大于吸收层半导体能隙时，入射光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的内建电场分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由金属导连接正负电极对外提供电能。99基本原理1011太阳能电池发电原理图1111121212131313141414151515太阳电池等效电路(1)理想太阳电池等效电路：•相当于一个电流为Isc的恒流电源与一只正向二极管并联。•流过二极管的正向电流称为暗电流ID.•流过负载的电流为I•负载两端的电压为V太阳电池性能参数16理想的太阳电池等效电路•一个理想的恒流源和2个二极管组成•恒流源的电流Isc与两个二极管电流方向相反，相当于二极管处于正向偏置•暂不考虑串联电阻（Rs）和并联电阻（Rsh）•ID2是与耗尽区复合相关的二极管，ID1是与n,p区复合相关的二极管ID2IscID1VRI17•I=Isc-ID1-ID2ID2很小（因为耗尽区电阻很大）→I=Isc-I01(eqv/kBT-1),I01是与n和p中性区复合相关的暗饱和电流•短路电流V=0时，光生电流是Isc(短路电流）•开路电压I=0时，电流的输出电压为开路电压Voc=kTq-1ln(Isc+Isc/I01)18•理想电池的输出功率：P=IV=IscV-I01(eqv/kBT-1)V求上式的极值，就得到最大输出电压（Vmp)和最大输出电流(Imp)，最大输出功率(Pmp)等于最大输出电流和最大输出电压的乘积。填充因子定义电池的填充因子FF（fillfactor)=ImpVmp/(IscVoc),填充因子小于等于1•电池转换效率（η）η=最大输出功率除以入射功率=Pmp/Pin1920实际的太阳电池等效电路IphIDRshIshVRIRs21(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–ISh22串联电阻串联电阻表达式：是正面电极金属栅线电阻，rc1、rc2分别是正面、背面金属半导体接触电阻，rt是正面扩散层的电阻，rb是基区体电阻，rmb是背面电极金属层的电阻12smfctbcmbRrrrrrrmfr2324电池转换效率Efficiency()Maximumpower(Pm)inWIrradianceofinputlight(E)measuredinW/m2Surfaceareaorsolarcell(Ac)inm2Fillfactor(FF)Opencircuitvoltage(Voc)Shortcircuitcurrent(Isc)mcPEAmcocscocscPAEFFVIVI242425ThedarkandlightIV-curve25IVDarkCharacteristicLightCharacteristicIVPowerGeneratingRegionPowerDissipatingRegionPowerDissipatingRegion26•光照能使电池的I-V曲线向下平移到第四象限，于是二极管的电能可以被获取。•为便于讨论，太阳电池的I-V特性曲线通常被上下翻转，将输出曲线置于第一象限，并用下式表示：0[exp()1]LqVIIInkT27TheVIcharacteristicofasolarcellisusuallydisplayedlikethis:VIVIThecoordinatesystemisflippedaroundthevoltageaxis.2829最大转换效率为带隙Eg的函数定性结论：短路电流随Eg的增大而减小；开路电压随Eg的增大而增大；在Eg为1.4eV时出现太阳电池的最大转换效率mpocscPVIFF30串联电阻串联电阻表达式：是正面电极金属栅线电阻，rc1、rc2分别是正面、背面金属半导体接触电阻，rt是正面扩散层的电阻，rb是基区体电阻，rmb是背面电极金属层的电阻12smfctbcmbRrrrrrrmfr31串联电阻•金属体电阻：其中rsq为厚膜金属导体层的方块电阻，厚膜印刷银电极通常为0.003Ω/□～0.005Ω/□；l为栅线长度；w为栅线宽度。对于铝背场形式的背面电极，rsq通常为0.010～0.020Ω/□。、即可算出结果。(/)2sqmrlwrmnmfrmbr32串联电阻•金属半导体接触电阻：εs是硅的介电常数，ND是掺杂浓度。大致上ND≥1019/cm3时，RC将主要表现为隧道效应，并随着ND的增加迅速地下降。对于势垒高度在0.6V左右的金属材料，当硅的掺杂浓度在1020/cm3附近时，RC的数值大约为10-3～10-4Ωcm2*4expsBcDmrhN33串联电阻•扩散薄层电阻引起的串联电阻：为扩散层方块电阻；L为电池主焊接电极方向尺寸；W为电池细栅线方向尺寸；m为细栅线条数24sqtLRWrmsqR34串联电阻•基区体电阻：d为基区厚度，约等于硅基片厚度；地面用太阳电池基片材料电阻率通常使用范围为0.5～３Ω.cmbdrLW35并联电阻•边缘漏电（刻蚀未完全、印刷漏浆）•体内杂质和微观缺陷•PN结局部短路（扩散结过浅、制绒角锥体颗粒过大）36•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37•因此得出:这就是光照情况下太阳电池的电流-电压的关系。画成图形，即为(I-V)特性曲线。shskTAIRVqphshDphRIRVeIIIIIIs)1(0/)(0038•在理想情况下：Rsh→∞，Rs→0由此得到：•I=Iph–ID=Iph–Ioo{exp(qV/A0kT)-1}•在负载短路时，即Vj=0(忽略串联电阻)，便得到短路电流，其值恰好与光电流相等Isc=Iph39•因此得出：I=Iph–ID=Isc–Ioo{exp(qV/A0kT)-1}•在负载R→∞时,输出电流→0,便得到开路电压Voc其值由下式确定：)1/ln(000IIqkTAVphoc40伏安(I-V)特性曲线•受光照的太阳电池，在一定的温度和辐照度以及不同的外电路负载下，流入负载的电流I和电池端电压V的关系曲线。•下图为某个太阳电池组件的(I-V)特性曲线示意图。41不同辐照度下电池的I-V特性曲线42开路电压•在一定的温度和辐照度条件下，光伏电池在空载(开路)情况下的端电压，通常用Voc来表示•太阳电池的开路电压与电池面积大小无关，通常单晶硅太阳电池的开路电压约为450-600mV，最高可达690mV。•太阳电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。43短路电流•在一定的温度和辐照条件下，太阳电池在端电压为零时的输出电流，通常用Isc来表示。•Isc与太阳电池的面积大小有关，面积越大，Isc越大。一般1cm2的太阳电池Isc值约为16-30mA。•Isc与入射光的辐照度成正比。44量子效率（QE-quantumefficiency)•也称收集效率•用来表征光电流与入射光的关系•描述不同能量的光子对短路电流的贡献•量子效率是能量的函数，分为外量子效率和内量子效率45外量子效率(EQE)（externalquantumefficiency)•定义：对整个入射太阳光谱，每个波长为λ的入射光子能对外电路提供一个电子的概率•EQE(λ)=Isc(λ)/[qAQ(λ)],Q(λ)为入射光子流密度，A为电子面积，q为电荷电量•它反映的是对短路电流有贡献的光生载流子密度与入射光子密度之比•一般小于1•外量子效率低表明电池活性层对光子的利用率低，但也可能表明光的反射、透射比较多46内量子效率(IQE)（internalquantumefficiency)•定义：被电池吸收的波长为λ的一个入射光子能对外电路提供一个电子的概率•IQE(λ)=Isc(λ)/[qA（1-s)(q-R(λ))Q(λ)(e-a(λ)Wopt-1)],Q(λ)为入射光子流密度，A为电子面积，q为电荷电量,Wopt是电池的光学厚度，R(λ)是电池半球角反射•内量子效率低表明电池活性层对光子的利用率低47内外量子效率的关系•IQE(λ)=EQE(λ)/[1-R(λ)-T(λ)],T(λ)是电池半球投射•内量子效率通常大于外量子效率•量子效率可以从一个角度反映电池性能48