太阳能电池原理及分类

第二章太阳能电池原理及分类2主要内容•半导体基本知识•太阳能电池原理•太阳能电池的几个基本参数•太阳能电池的分类3光生伏特效应(Photovoltaiceffect)：半导体在受到光照射时产生电动势的现象太阳能电池是以光伏效应为原理进行能量转换的光电元件，它经太阳光照射后，可以将光的能量转换成电能。4半导体:电阻率界于金属与绝缘材料之间，室温时电阻率约在10-5～107欧·米之间，温度升高时电阻率指数则减小；元素半导体：锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体：包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物(硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物)，以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体(SiC)等。2.1半导体基础知识5晶体硅的结构沿对角线平移1/4对角线套构而成硅的晶体结构：金刚石结构6半导体的导电特性低温下，共价键完好，硅材料显示出缘体的特性；高温时，一些共价键就被坏，以下两种过程使硅材料导电：1）电子从被破坏掉的共价键中释放出来自由运动2)电子也能从相邻的共价键中移动到由被破坏的共价键所产生的空穴里，而那个相邻的共价键遭到破坏。如此就能使得遭破坏的共价键或称空穴得到传播，相当于正电荷移动。7能带模型电子在共价键中的能量对应于其在价带的能量。电子在导带中是自由运动的。带隙的能量差反映了使电子脱离价带跃迁到导带所需的最小能量，只有电子进入导带才能产生电流，同时空穴在价带以相反于电子的方向运动，产生电流。半导体的导电特性8本征半导体9本征半导体10杂质半导体11杂质半导体12以能级的观点而言，五价的磷原子占据了能级带隙中比较靠近导带的一个能级，因此只要微小的能量，就可使磷原子释放出电子到硅的导带上。N型半导体杂质半导体13杂质半导体14杂质半导体15以能级的观点而言，三价的硼原子占据了能级带隙中比较靠近价带的一个能级，因此只要微小的能量，就可使硼原子释放出空穴到硅的价带上。P型半导体杂质半导体16杂质半导体17P-N结是由P型半导体材料和N型半导体材料连接而成。在P-N结中不同区域的载流子分布存在浓度梯度，P型半导体材料中过剩的空穴通过扩散作用流动至N型半导体材料，同理，N型半导体材料中过剩的电子通过扩散作用流动至P型半导体材料。因此在结区周围建立起了一个电场，即内建电场，从而阻止电子和空穴的上述扩散流动，该电场所在区域就是所谓的耗尽区。P-N结PN结是太阳能电池中最核心的部分18光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。当光照射到P-N结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区；受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。2.2太阳能电池原理基本原理-光生伏特效应19太阳能电池结构示意图基本原理-光生伏特效应20由上面分析可以看出，为使半导体光电器件能产生光生电动势（或光生积累电荷），它们应该满足以下两个条件：1、半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数α，即要求入射光子的能量hν大于或等于半导体材料的带隙Eg，使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。光照时电子-空穴对产生，光子能量Eph=hf,EphEg常见半导体的能隙分布产生光生电动势条件——光吸收21光子能量超出禁带宽度Eg的部分迅速以热量形式散失。太阳能电池能够响应的最大波长被半导体材料的禁带宽度限制，当禁带宽度在1.0-1.6ev范围内，入射光的能量才有可能被最大限度地利用。产生光生电动势条件——光吸收2、具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子，在p区内积累了非平衡空穴，而在n区内积累起非平衡电子。产生了一个与平衡pn结内建电反的光生电场，于是在p区和n区间建立了光生电动势（或称光生压）。产生光生电动势条件——载流子分离23在P-N结电场E的作用下，电子受力向N型一侧移动，空穴受力向P型一侧移动。一部电子空穴对在被收集前就已经消失了。在P-N结区域电子与空穴的理想短路情况下的流动电子空穴对复合的一些可能模式，同时表示了未复合的载流子被收集的情况。总体来说，在P-N结越近的地方产生的电子空穴对越容易被收集。当V=0时，那些被收集的载流子将会产生一定大小的电流。如果电子空穴对在P-N结附近小于一个扩散长度范围内产生，收集的几率就比较大。产生光生电动势条件——载流子分离24太阳能电池的工作原理可以概括成以下几个主要过程：必须有光的照射，可以是单色光、太阳光、模拟太阳光源等；光子注入到半导体内后，激发出电子-空穴对，这些电子和空穴应有足够长的寿命，在它们被分离之前不会复合消失；必须有一个静电场，在静电场的作用下，电子-空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边。绝大部分太阳能电池利用P-N结势垒区的静电场实现分离电子-空穴对的目的。P-N结是太阳电池的“心脏”部分；被分离的电子和空穴，经由电极收集输出到电池体外，形成电流发电原理小结25光电池工作时共有三股电流：光生电流IL，在光生电压V作用下的pn结正向电流IF，流外电路的电流I。IL和IF都流经pn结内部，但方向相反。根据p-n结整流方程，在正向偏压下，通过结的正向电流为：IF=Is[exp(qV/kT)-1]其中：V是光生电压，Is是反向饱和电流。2.3太阳能电池的几个基本参数26１、开路电压Voc在p-n结开路情况下（R=∞），此时pn结端的电压即为开路电压Voc。这时，I=0，即：IL=IF。将I=0代入光电池的电流电压方程，得开路电压为：Voc＝kT/qln(IL/Is+1)2、短路电流Isc如将pn结短路（V=0），因而IF=0，这时所得的电流为短路电流Isc。显然，短路电流等于光生电流，即：Isc=IL太阳能电池的基本参数27３、填充因子FF在光电池的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Vop和最佳工作电流Iop。填充因子定义为：FF=VopIop/VocIsc=Pmax/VocIsc它表示了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。FF越接近于1，太阳能电池性能越好。太阳能电池的基本参数28４、太阳能电池的能量转化效率η其中Pin是入射光的能量密度，S为太阳能电池的面积，当S是整个太阳能电池面积时，η称为实际转换效率，当S是指电池中的有效发电面积时，η叫本征转换效率。表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。即：η=（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）x100%=（VopxIop/PinxS）X100%=Voc•Isc•FF/(Pin•S)太阳能电池的基本参数292.4太阳能电池的分类30国际太阳电池实验室效率电池种类转换效率（％）研制单位备注单晶硅太阳电池24.7±0.5澳大利亚新南威尔士大学4cm2面积背接触聚光26.8±0.8美国SunPower公司96倍聚光单晶硅电池GaAs多结电池42.7美国的Spectrolab(德国Fraunhofer研究所)聚光电池多晶硅太阳电池20.3±0.5德国弗朗霍夫（Fraunhofer）研究所1.002cm2面积InGaP/GaAs30.28±1.2日本能源公司4cm2面积非晶硅太阳电池14.5(初始)±0.7美国USSC公司0.27cm2面积12.8(稳定)±0.7CIGS19.5±0.6美国国家可再生能源实验室0.410cm2面积CdTe16.5±0.5美国国家可再生能源实验室1.032cm2面积多晶硅薄膜电池16.6±0.4德国斯图加特大学4.017cm2面积纳米硅太阳电池10.1±0.2日本钟渊公司2微米厚膜染料敏化电池11.0±0.5EPFL0.25cm2面积HIT21.5日本三洋公司　31第三代太阳电池的提出32第三代太阳电池的提出33各类电池的发展现状2010Capacity:Poly:300,000tons;Wafer:27GWp;Cell:27GWp.27.23GWp2010GlobalPVProduction34排序公司名称电池产量备注1Suntech(CN-ML)1584晶硅电池2JASolar(CN-ML)1464晶硅电池3FirstSolar(US)1400CdTe电池4Yingli(CN-ML)1117晶硅电池5TrinaSolar(CN-ML)1116晶硅电池6Q-Cells(DE)939晶硅电池7Gintech(CN-TW)800晶硅电池8Sharp(JP)745晶硅电池9Motech(CN-TW)715晶硅电池10Kycera(JP)650晶硅电池11Hanwha(CN-ML,原林洋新能源)532晶硅电池12NeoSolar(CN-TW)530晶硅电池13ATS(CN-ML)523晶硅电池14SunPower(US)520高效晶硅电池15REC517晶硅电池2010年太阳电池前15位厂商产量（MWp）及排序晶硅电池在太阳能电池市场中占绝对优势！各类电池的发展现状