16-赖俊-孙秀晶-太阳能电池的工作原理论述

太阳能电池的工作原理论述太阳能电池的工作原理论述华侨大学工学院专业：光电子年级：2011级姓名：赖俊学号：1195121016摘要当适当波长的光照射到非均匀半导体(如PN结)时，由于内建电场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势(光生电压)；若将PN结短路，则出现光生电流。这种由于内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。晶硅太阳能电池就是利用PN结的光伏效应来发电的。关键词太阳能电池发射极PN结太阳能电池的工作原理论述引言随着社会经济的发展，对能源的需求不断增加，有限的传统燃料能源正在一天天减少，且在燃烧过程中对全球气候和环境造成了重大影响。作为21世纪最重要的能源，太阳能资源总量相当于人类现在所利用的能源的一万多倍，且具有安全、无污染、资源永不枯竭等特点，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源。本文主要探究太阳能电池的工作原理，并且根据各种实验论述总结太阳能电池的电性能参数模型等。太阳能电池的工作原理论述第一章太阳能电池的分类如图1.1所示，按材料分，可以将太阳能电池分成硅系太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池及其他新型高效太阳能电池三大类。表1是标准测试条件下(AM1.5}辐照强度1000W/cm2，温度2_50C)报道的各类典型的太阳能电池的最高效率。结合表1，相对于硅系太阳能电池，化合物薄膜太阳能电池虽然转换效率较高，成本较低，但容易对环境造成污染，福、砷等有剧毒，且锢、硒都是比较稀有的元素，材料来源有限，不可能占主导地位;新型的太阳能电池如有机太阳能电池，虽然其材料来源广、柔性好、成本低，但研究刚开始，转换效率和使用寿命都无法和晶硅太阳能电池相比。异质结太阳能电池具有较高的转换效率，但是由于专利技术的原因，尚无法实现大范围商业应用。表1不同类型太阳能电池的转换效率图1.1太阳能电池的分类根据产业化对太阳能电池的一般要求:(1)半导体材料的禁带不能太宽;(2)要有较高的光电转换效率;(3)材料本身对环境不造成污染;(4)材料便于工业化生产且材料性能稳定。因此，硅系太阳能电池是目前较为理想的产业化太阳能电池，这其中又以单晶硅和多晶硅太阳能电池最为成熟。太阳能电池的工作原理论述第二章太阳能电池的基本原理一、基本原理：当适当波长的光照射到非均匀半导体(如PN结)时，由于内建电场的作用(不加外电场)，半导体内部产生电动势(光生电压)；若将PN结短路，则出现光生电流。这种由于内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。晶硅太阳能电池就是利用PN结的光伏效应来发电的。通过扩散形成PN结后，由于载流子存在浓度差，P型区中的多子(空穴)向N型区中扩散，N型区中的多子(电子)向P型区中扩散，从而在P区和N区的交界处产生空间电荷区，并形成一个由N区指向P区的内建电场。内建电场的存在又产生载流子的定向运动(漂移运动)，它阻止多子扩散，促进少子漂移；当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，PN结处于平衡态。当入射光照射到太阳能电池表面时，入射光将进入PN结区，及太阳能电池内部。若光子的能量hf等于或大于硅的禁带宽度Eg(硅的禁带宽度为1.12eV)时，由于本征吸收，价带内的电子吸收足够能量的光子使电子激发，越过禁带跃迁入空的导带，而在价带中留下一个空穴，形成电子一空穴对。如图2.1PN结光照前后的能带变化。由于PN结空间电荷区存在着较强的从N区指向P区的内建电场，光生载流子在该场的作用下各自向相反的方向运动:P区的电子穿过PN结进入N区，N区的空穴穿过PN结进入P区，形成了从N型区到P型区的光生电流Ir，使P端电势升高，N端电势降低，于是在PN结两端形成了光生电动势。光生电动势的产生类似于在PN结两端加上了正向电压，使得内建电场的强度降低，空间电荷区宽度变窄，势垒降低为qVD-qV，导致载流子扩散流大于漂移流，产生了电子从N区指向P区，以及空穴从P区指向N区的净扩散流，从而产生了净的P区到N区的正向电流。此时若使太阳能电池与外电路连通，就会产生电流，进行发电。太阳能电池的工作原理论述图2.1PN结光照前后的能带示意图(a)无光照(b)有光照二、器件结构：如图2.2所示，是太阳能电池的主要结构。图2.2太阳能电池的结构从下到上依次包括:(1)下电极，主要为铝背场和作为物理正极的背电极，铝背场有一定的钝化效果，背电极的主要功能为引出电流；(2)在铝背场与P型硅衬底之间，有一个烧结融合区域(即铝硅合金层)，往上就是P型基体，即预掺硼的基区层；（3)P型层上面是N型层，通过磷扩散方式获得;(4)在N型层的上表面部分，是凹凸不平的织构化处理层，它总结是N型层的一部分，而在织构化表面，有一层氮化硅减反膜，以增加电池片对光的吸收;(5)减反膜上是通过丝网印刷、烧结工艺制得的正电极部分，主要功能是收集电子并导出电流。三、电学模型通过对太阳能电池原理和结构的分析，其本质上是由一个大面积的PN结组成(经过扩散后的硅片便形成了PN结)，当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，形成了空间电荷区。此时，可以将不受光照的太阳能电池看成是一个普通二极管，一旦内建电场不够大而无法阻止电子和空穴的流动，则会产生电流。在光照情况下，太阳能电池的空间电荷区(耗尽区)边缘的少子浓度分布为，N区边界，少数载流子的浓度:𝑃n=𝑛𝑖2𝑁𝐷𝑒qV𝑘𝑇⁄(2-1)P区边界，少数载流子的浓度:𝑛𝑝=𝑛𝑖2𝑁𝐴𝑒qV𝑘𝑇⁄(2-2)由式2-1和2-2可以看出，随着外加电压的增加，耗尽区边缘的少子浓度呈指数式增大。经分析可知，少数载流子在耗尽区的运动以扩散方式为主。在N型一边，空穴形成的扩散电流密度为Jℎ=−𝑞𝐷ℎ𝑑𝑃𝑛𝑑𝑥(2-3)同理，P型边电子扩散电流密度为J𝑒=−𝑞𝐷𝑒𝑑𝑛𝑝𝑑𝑥(2-4)耗尽区的电流可认为是由N型边和P型边扩散电流叠加组成的。结合式2-1,1-2可得J=𝐽ℎ+𝐽𝑒=(𝑞𝐷ℎ𝑝𝑛0𝐿ℎ+𝑞𝐷𝑒𝑛𝑝0𝐿𝑒)(𝑒𝑞𝑉𝑘𝑇⁄−1)(2-5)故可以得到理想二极管条件下，暗电流为I=𝐼0(exp(𝑞𝑉𝑘𝑇)−1)(2-6)𝐼0=𝐴(𝑞𝐷ℎ𝑛𝑖2𝐿ℎ𝑁𝐷+𝑞𝐷𝑒𝑛𝑖2𝐿𝑒𝑁𝐴)(2-7)其中，I0是饱和暗电流(即无光照情况下的漏电流)，q是电子的电荷量，V是所施电压，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，A为二极管的面积。对于实际的二极管，I=𝐼0(exp(𝑞𝑉n𝑘𝑇)−1)(2-8)n是理想因子，在1-2之间变动，并随着电流的减小而增加。如图2.3所示为太阳能电池的I-V特性曲线，与二极管的I-V曲线相似。在光照情况下，I-V曲线由第一象限下移到第四象限，故产生了正的功率输出，太阳能电池发电。总结另一方面，太阳能电池在非理想情况下存在着寄生电阻，其中串联电阻示意图如图2.4所示，主要由基区体电阻，N型层薄层电阻(即发射极方块电阻)，栅线电阻，金半接触电阻等组成。而并联电阻是由于PN结非理想性和结附近的杂质造成的，引起结的局部短路，尤其是在电池边缘。图2.3太阳能电池的1-V特性曲线图2.4太阳能电池的串联电阻故光源稳定的情况下，用二极管-寄生电阻模型对太阳能电池进行电路等效，把太阳能电池看成稳定产生光电流Ir的电流源，其等效电路图如图2.5所示。图2.5太阳能电池的等效电路四、电学参数总结当受到光照的情况下，太阳能电池内部激发出电子-空穴对，被收集的载流子就会产生一定大小的电流，即光生电流IL。接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端产生端压。此时，I=𝐼0(exp(𝑞𝑉n𝑘𝑇)−1)−𝐼𝐿（2-9）光照使太阳能电池的I-V曲线向下平移到第四象限(如图2.3所示)，此时电池的能量就可以被获取。为方便讨论，将I-V特性曲线翻转，置于第一象限，如图2.6所示。图2.6太阳能电池I-V特性曲线则I=𝐼𝐿−𝐼0(exp(𝑞𝑉n𝑘𝑇)−1)（2-10）当负载短路时，短路电流ISC=IL当负载断开时，开路电压VOC为V𝑂𝐶≈𝑛𝑘𝑇𝑞ln(𝐼𝐿𝐼0+1)(2-11)对于I-V曲线上的每一点，都可取该点上电流与电压的乘积来表征输出功率。则存在最大功率点，在最大功率点，Vmp*ImP达到最大值。即令d(IV)𝑑𝑉=0(2-12)得𝑉mp=𝑉𝑂𝐶−𝑛𝑘𝑇𝑞ln(𝑉𝑚𝑝(𝑛𝑘𝑇𝑞⁄))+1(2-13)在AM1.5时，即光照强度为1000W/m2时，最大功率点的输出功率被称为太阳能电池的峰值功率。填充因子是衡量太阳能电池质量及串联电阻的参数，填充因子越接近1，输出特性曲线方形的程度越好，太阳能电池的质量就越好。FF=𝑉mp∗𝐼𝑚𝑝𝑉OC∗𝐼𝑆𝐶=𝑝𝑚𝑝𝑉oc∗𝐼𝑠𝑐(2-14)总结总结当适当波长的光照射到非均匀半导体(如PN结)时，由于内建电场的作用(不加外电场)，半导体内部产生电动势(光生电压);若将PN结短路，则出现光生电流。这种由于内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。晶硅太阳能电池就是利用PN结的光伏效应来发电的。开路电压VOC：即将太阳能电池置于100mW/cm2的光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。短路电流ISC：就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。大输出功率：太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号Pm表示。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号Um和Im表示。填充因子太阳能电池的另一个重要参数是填充因子FF，他是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。参考文献参考文献[1][2]2010-2015年中国太阳能光伏发电产业调研及投资前景预测报告.中国报告咨询网[3]Thehistoryofsolar.U.S.DepartmentofEnergy.[4]张锐.非晶硅叠层太阳能电池制备技术研究:「硕士学位论文].湖北武汉:华中科技大学，20081-2[5]D.M.Chapin,C.S.Fuller,G.L.Pearson.J.Appl.Phys.25(1954)676[6]H.Tabor,SelectiveRadiation:WavelengthDiscrimination.Bull.Res.Counc.ofIsr.Sect.A:Chem.5,1956,119一134[7]M.A.Green,A.W.Blakers,S.R.Wenham,etal.Improvementsinsiliconsolarcellefficiency.18thIEEEPhotovoltaicSpecialistsConference.1985,pp39-42