光伏电池及其特性

第二章光伏电池及其特性1.PrincipleofSolarCells2.硅型光伏电池的电特性3.光伏电池的外特性4.光伏电池性能的检测5.光伏电池的结构和分类2.1PrincipleofSolarCells2.1.1半导体的基础知识半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。掺杂半导体--photovoltaiccellsWhatareSemiconductors?入门导带性界于导体与绝缘体之间的材料中阶电阻系数约为10-3~108.cm的材料进阶能隙约在4eV以下之的材料能带理论（补充内容）E2E3E5E4E6E7E1aa2a3a3aa20kEE~k曲线的表达图式能带理论的基本要点量子力学计算表明,固体中若有N个原子,由于各原子间的相互作用,对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了N条靠得很近的能级,称为能带。能带宽度E,量级为E～eV，若N~1023,两能级的间距约10-23eV。•越是外层电子，E越大。•点阵间距越小，E越大。•两个能带有可能重叠。Li原子电子构型是1s22s12s1s能量2s带半充满（导带）1s带全满（满带）Li能带示意图禁带能带中的电子分布满带：能带中所有能级（轨道）均有电子占据，为由充满电子的原子轨道能级所形成的低能量能带。空带：能带中所有能级（轨道）均无电子占据。禁带：不允许有电子占据的能量范围。禁带宽度（满带与空带的能量间隔）称为带隙。能带中的电子分布价带：依据轨道能量高低顺序填充电子时，最后由价电子填充的（轨道）能带称为价带。导带：部分被价电子（可自由移动）占据的能带可称为导带。导带可以是由未充满电子的原子轨道组合而成的能带（价带），或（与满带重叠或能量相近）空带。导体、半导体和绝缘体导体价电子能带是半满的(如Li,Na)，或价电子能带是全满但有空的能带(Be,Mg)，而且两个能带能量间隔很小，彼此发生部分重叠。Eg导体、半导体和绝缘体导体金属钠金属镁导体、半导体和绝缘体绝缘体价电子都在满带，导带是空的，而且满带顶与导带底之间的能量间隔（即禁带宽度）大。在外电场作用下，满带中的电子不能越过禁带跃迁到导带中，故不能导电。Eg禁带宽度≥5eV导体、半导体和绝缘体半导体满带被电子充满，导带是空的，便禁带宽度很窄。由于禁带宽度小，因此当光照或在外电场作用下，使满带上的电子，很容易跃迁到导带上，使原来空的导带充填电子，同时在满带上留下空穴。Eg禁带宽度≤3eVElementsemiconductor（元素半导体）Compoundsemiconductor（化合物半导体）Intrinsicsemiconductor（本征半导体）Extrinsicsemiconductor（掺杂半导体）Directsemiconductor（直接半导体）Indirectsemiconductor（间接半导体）Degeneratesemiconductor（简并半导体）Non-degeneratesemiconductor（非简并半导体）Compensatedsemiconductor（补偿半导体）Non-compensatedsemiconductor（非补偿半导体）（1）Intrinsicsemiconductor完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。硅（锗）的原子结构Si284Ge28184简化模型+4惯性核价电子(a)Diamondlattice.(b)Zincblendelattice.CovalenceBondsAtetrahedronbond(a)3-D.(b)2-D共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子本征激发Formationofintrinsiccarriers在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位（空穴）的过程。复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。结论:1.本征半导体的电子空穴成对出现,且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。本征激发的特点（2）ExtrinsicSemiconductor在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。SiPSiSi硅原子磷原子多余电子自由电子浓度大于空穴浓度——多数载流子（多子）N型半導體+N型硅表示P-typeSemiconductor(P型半導體)空穴硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动。N型半导体和P型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子数空穴数电子为多数载流子(多子)空穴为少数载流子(少子)载流子数=电子数+空穴数电子数P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴数电子数空穴—多子电子—少子载流子数空穴数施主离子施主原子受主离子受主原子半导体掺杂技术热扩散技术离子注入技术浓度差使多子产生扩散运动当参与扩散运动的多子数目和参与漂移运动的少子数目相同时，达到动态平衡，就形成了PN结。内电场使少子产生漂移运动内电场无光照时,PN结的形成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硅片上，在它们的交界面处就会形成PN结太阳电池发电原理示意图PN结受光照后，光伏效应半导体吸收光能产生带正电和负电的粒子（空穴和电子），在内建电场作用下，电子（－）朝N型半导体汇集，而空穴（＋）则朝P型半导体汇集。如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势。光伏电池的光照的详细情况1.电池表面被反射回去的光线2.刚进入电池表面被吸收生成电子-空穴对的光线，其中大部分是吸收系数较大的短波光线。它们产生的电子-空穴对来不及到达PN结就很快被复合还原。3.PN结附近被吸收生成电子-空穴对的那部分光线。光生少数载流子在电场作用下漂移能够产生光生电动势。4.进入电池深处，距离PN结较远的地方被吸收生成电子-空穴对的光线，与2类似，无用。5.被电池吸收，但能量较小不能产生电子-空穴对的那部分光线，只能使电池加热，温度上升。6.没有被吸收透射部分。-+-+-+-+下电极光生载流子形成电流的过程光伏电池的工作原理PN(不照光，平衡狀態)EfEvEcNPPNPNPNPN光子(Photon)-+-+-+-+-++++++------+-+-+太陽光發電(Photovoltaic)原理(II)-+Photon++----++EfEvEcPN(照光狀態)++---++--+-+Photon多數載子多數載子少數載子少數載子+-多數載子多數載子電子-電洞對(Electron-holepair)EvNTypeSemiconductorPTypeEfEcEfEvEc電子位能Ec:conductionbandEv:valancebandEf:Fermienergy作业•1.用能带理论解释导体和半导体的导电机理。•2.阐述PN结的形成过程，并画出示意图。2.2硅型光伏电池的电特性2.2.1等效电路2.2.2光伏电池伏安特性曲线2.2.3输出功率和输出因子2.2.4输出效率2.2.1光伏电池的等效电路PN少子的漂移，导致P区出现空穴的积聚，N区出现电子的积聚。反过来，这种电荷积聚会消弱内建电场，使得少子漂移效应减弱，光电流输出变小。相当于出现暗电流（Id）！等效电路中符号的说明L光伏电池的等效电路图2.Rs为串联电阻。一般小于1Ω.前面和背面的电极接触，以及材料本身具有一定的电阻率。3.Rsh为旁路电阻。由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻RSh来等效。1.RL为外负载电阻。4.Id为暗电流。等效电路图的理想形式由于电路中无电源，电压U=IR实际加在太阳电池的结上，即结处于正向偏置。一旦结处于正向偏置时，二极管电流Id=I0[exp(qU/nkT)-1]朝着与光激发产生的载流子形成的光电流Iph相反的方向流动。0exp1phdphIIIIIqUnkT(1)因而流入负载电阻的电流值为--------(1)式测试输出特性PNI0反映光生电池对光生载流子的最大复合能力问题1：为什么可把太阳能电池的内部看成一个电流源（光电池）和一个硅二极管的复合体：光伏电池无光照时就是一个PN结，有光照时，会产生光生电动势和光伏电流。（1）产生光伏电流的原因是：光照时，本征激发产生的电子聚集在N端，空穴汇聚在P端，破坏了光照前的平衡。电子通过外回路由NP,电流是PN。（2）载流子的汇聚会在PN结内产生一个与原内建电场方向相反的附加电场，在一定程度上降低了原内建电场。相当与PN节的正向偏置。（如果外回路断开内建电场和载流子汇聚产生的电场在内部抵消，达到平衡。）负载load光伏电池的等效电路图L等效电路中各变量之间的关系0(1)exp1ddIIqUAkT(2)LdphdshUIIIR0exp1LSdphshqUIRUIIAkTRseriesresistance串联电阻shuntresistance并联电阻反向饱和电流指给PN结加一反偏电压时，外加的电压使得PN结的耗尽层变宽，结电场（即内建电场）变大，电子的电势能增加，P区和N区的多数载流子（P区多子为空穴，N区多子为电子）就很难越过势垒，因此扩散电流趋近于零；但是由于结电场的增加，使得N区和P区中的少数载流子更容易产生漂移运动，因此在这种情况下，PN结内的电流由起支配作用的漂移电流决定。漂移电流的方向与扩散电流的方向相反，表现在外电路上有一个流入N区的反向电流，它是由少数载流子的漂移运动形成的。由于少数载流子是由本征激发而产生的，在温度一定的情况下，热激发产生的少子数量是一定的，电流趋于恒定。PN结正向偏置内电场减弱，使扩散加强，扩散飘移，形成正向电流，PN结导通正向电流PN结反向偏置内电场增强，抑制扩散、加剧漂移，形成反向电流，也称漂移电流，因为漂移电流是由少子运动引起的，而其数目极少，因此漂移电流很小，常可忽略不计，认为PN结处于截止状态。反向饱和电流很小，A级(a)开路电压当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大小产生电动势，这就是开路电压。理想情况下,流入负载电阻的电流值为0exp1phdphDIIIIIqUnkT…….(2)式设Ι=0（开路），Ιph＝ΙSC，则0ln1ocscnkTUIIq开路电压1ln0IIqnkTVscocshortcircuitn.短路在可以忽略串联、并联电阻的影响时，ISC为与入射光强度成正比的值，(a)在很弱的阳光下，ISCI0，因此00RIIIqnkTVLLoc…….(3)式其中00qInkTR(b)在很强的阳光下，ΙSCΙ0，0lnIIqnkTVscoc2.2.2光伏电池伏安特性曲线光伏电池伏安特性曲线的另外一种表达形式图4.硅太阳能电池在不同光照下的伏安特性曲线2.2.3输出功率和曲线因子伏安特性曲线I-V曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵横坐标，即为工作电流和工作电压,其乘积P=IV为电池的输出功率。最大功率如何确定呢？最大输出功率点的确定当太阳电池接上负载RL时，上图负载线与伏安特性曲线的交点处的IV乘积即为该负载下的输出功率。等功率线与伏安特性曲线的切点，即为最佳工作点。该点处输出功率最大，Um/Im为最佳负载电阻.为了精确计算最大功率点，可根据伏安特性曲线绘出P-U图，求极值即可。曲线因子又称填充因子将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm之比定义为填充因子FF，则scocmmscocmIVI