2.2-太阳能电池原理

2.2太阳能电池基本原理一、本章的教学目的和要求：了解太阳能电池实质，太阳能电池发电原理、制造流程。熟悉影响太阳能电池转化效率因素，以及转化效率极限。掌握太阳能电池表征参数，太阳能电池等效电路。二、教学内容及要求：光电效应，光伏效应，丹伯效应，肖特基效应，太阳能电池发电原理，太阳能电池表征参数，太阳能电池电路模型，太阳能电池转化效率影响因素，太阳能电池转化效率极限，太阳能电池制造流程。三、教学重点：太阳能电池表征参数，太阳能电池等效电路，电池能效率影响因素及效率极限。四、教学难点：太阳能电池光源，光伏效应、光电效应、丹伯效应、肖特基效应区别2020/3/18光伏材料22.2.1太阳能电池基本原理光电效应（Photoelectriceffect）由德国物理学家赫兹于1887年研究麦克斯韦电磁理论时发现，而直到1905年爱因斯坦利用光量子理论进行全面的解释光电效应指光照射到金属材料表面，金属内的自由电子吸收了光子的能量，脱离金属束缚，成为真空中自由电子脱离金属束缚的自由电子在外加电压的作用下移动到金属阳极，形成光电流一、光电效应太阳能电池（SolarCells）是指能够把太阳光辐射能量直接转化为电能的器件。从理论上来说金属光电效应是可以做太阳电池的。太阳电池工业生产中一个重要考虑是转换效率。光电效应电池的转换效率理论值为1%，实验室仅为0.001%；晶体硅太阳电池转换效率的理论值为27%，工业生产产品转换效率18%。光电效应是没法应用到现实中的2020/3/18光伏材料3光电效应太阳电池不可用的原因金属中电子吸收光子的能量从费米能级跃迁到真空能级，需要吸收能量为3-5ev。可见光的能量范围为0.4-4ev。半导体光伏效应中电子吸收1-2ev就可以完成从价带到导带的跃迁金属光电效应导电的仅为电子，而半导体光伏效应中参与导电的载流子包括电子和空穴。光电效应光电流要远小于光伏效应光电流，因此目前太阳电池材料仍然是半导体，而非金属材料。光电效应主要应用到光电倍增管中。2020/3/18光伏材料42020/3/18光伏材料5光伏效应是指光照射到半导体P-N结上产生可输出功率的电势差的现象过程包括：电子吸收光子能量产生电子空穴对，内建电场作用下电子空穴对分离，电子空穴相向运动到端电极输送到负载。光电流：漂移电流，扩散电流二、光伏效应实质2020/3/18光伏材料6丹伯效应（Dembereffect）也成为光扩散效应（photodiffusioneffect）。当入射光照射到半导体表面时，光子被吸收产生电子与空穴。由于表面电子和空穴浓度的增大，会产生向内部扩散的运动，但是由于两者扩散系数不同，故会在空间产生电子和空穴相对分离的区域，也就产生了内建电场。该电场两端电压即为丹伯电压，影响Dember效应的一个原因是肖特基效应（Schottkyeffect）。该效应是电池片电极制作过程中金属和半导体接触产生的，肖特基电压远大于丹伯电压，因此，实际中我们测量的丹伯电压应该是金属-半导体间肖特基效应电压。三、丹伯效应与肖特基效应火力发电系统是通过燃烧能把水加热成蒸汽，推动发电机发电；水力发电则是通过水的重力势能来发电；核裂变发电系统则是通过裂变能来发电；聚变能发电前景很好;太阳能发电系统与以上所述完全不同，既没有马达旋转噪音，也没有污染物排除。是一种清洁长久的发电方式，而且现在已经实现了商业化2020/3/18光伏材料7太阳能电池发电原理2020/3/18光伏材料8一、太阳能电池基本结构Ag阳极Ag阴极抗反射膜N型硅P型硅Al背阴极太阳光照射到太阳电池表面时，光子透过抗反射膜，然后照射到N型硅表面，导带电子吸收光子能量跃迁成为自由电子。用导线将电池片正负极通过负载相连接，此时就会有光电流流过负载2020/3/18光伏材料9短路电流（ShortCircuitCurrent）：通过导线把电池的阴阳极直接相连，此时流过导线的电流即为短路电流，用ISC表示开路电压（OpenCircuitVoltage）：太阳电池阴阳极两端无导线相连，光生载流子只能聚集在P-N结两端产生光生电动势，这时在电池两端测量所得电势差即为开路电压，用VOC表示最大输出功率：Pm=Vm×Im二、太阳电池表征参数传统的电池输出电压和输出功率是固定的，然而太阳电池输出电压、电流及其功率与光照条件和负载都有很大关系2020/3/18光伏材料10IVmVocVImIsc填充因子（FillFactor）：衡量太阳电池整体性能的一个重要参数，代表太阳电池在最佳负载时能输出的最大功率的特性。转换效率：mImmocscocscPVFFVIVI100%100%mocscininPFFVIPP2020/3/18光伏材料11空间用太阳电池转换效率测定标准大气质量为AM0时的光谱分布，入射太阳辐照度为1367W/m2，温度为25℃。地面用太阳电池转换效率测定标准为：大气质量AM1.5时的光谱分布，入射的太阳辐照度为1000W/m2，温度为25℃。在此条件下太阳电池输出功率定义为太阳电池的峰瓦数，表示为Wp（peakwatt）。比如，一个1m2、转换效率为18%的太阳电池，在赤道附近它的输出功率为180Wp（1000W/m2×1m2×18%）三、太阳能电池电路模型没有光照的情况下，太阳电池看做一个P-N结二极管理想二极管电流电压关系：电流从P型半导体指向N型半导体在光照的情况下，P-N结内会产生光电流，即光生电流，其方向有N型半导体指向P型半导体太阳电池电流电压关系可以表示为：2020/3/18光伏材料12(1)qVkTDOIIeLI(1)qVkTLOIIIe1）理想太阳能电池2020/3/18光伏材料13没有光照的时候，，太阳电池为一个理想二极管在短路状态下，，则短路电流为，即短路时电流为入射光产生光电流在开路状态下，，则开路电压为太阳电池输出功率则为：根据分别求得最大输出功率时的输出电压。(1)qVkTLOIIIe0LI0VscLII0Iln(1)LocOIkTVqI(1)qVkTLOPVIVIVIe0,0dPdPdVdI2020/3/18光伏材料142）实际的太阳能电池等效电路要复杂得多，必须考虑P-N结的品质和实际存在的串联电阻Rs（Seriesresistance）和并联电阻Rsh(Shuntresistace)。串联电阻：半导体材料的体电阻、电极与半导体接触电阻，电极金属的电阻并联电阻是由于P-N结漏电产生的，包括绕过电池边缘漏电和由于P-N结区域存在晶体缺陷和杂质所引起的内部漏电流（leakagecurrent）实际太阳电池电流电压关系：()(1)sqVIRsAkTLOshIRVIIIeR2020/3/18光伏材料15太阳能电池可以看做一个恒流源与理想二极管的并联。在光照的时候，太阳电池产生一定的光生电流，其中一部分流过P-N结作为暗电流，另一部分为供给负载的电流3）太阳能电池等效电路LIDII2020/3/18光伏材料16太阳能电池转换效率影响因素半导体材料都对应一个确定的禁带宽度，禁带宽度的大小决定了吸收太阳光谱中某一范围的光.除材料本身影响外，其他影响主要包括：光损失，少数载流子复合，串联、并联电阻，1）光损失：抗反射膜：SiO2、TiO2及Si3N4其中Si3N4的使用可使反射光损失从30%降到10%表面织构化能使入射光线在其表面多次反射，从而增加了太阳能电池对光的吸收反射损失2020/3/18光伏材料17遮光损失2020/3/18光伏材料18微电极技术是解决此问题的一个方法，第二个方法是使用点接触式方法把太阳电池正负电极全部放到背面电池正面银电极及其金属栅线的存在也会遮掉5-10%的太阳光透光损失半导体材料最小厚度极限，且间接带隙半导体比直接带隙半导体需要更厚一些串叠型电池（tandemcell）：把吸收较高能量光谱的电池片放在上层，吸收较低能量光谱的电池片放在下层2020/3/18光伏材料192）载流子复合损失内部复合：当太阳能电池材料内部缺陷的情况下，光生电子发生复合损失称为内部复合损失（bulkrecombinationloss）选择适当的掺杂浓度，提高晶体的纯度，减少缺陷和杂质。太阳电池工业中常用来减少体内复合的技术有吸杂和钝化，吸杂能有效地提高半导体材料质量，而钝化能减少晶体缺陷对载流子寿命的影响太阳能电池是一种少数载流子工作的器件，少数载流子在电池内寿命决定了电池的转换效率。载流子复合分为体内复合，表面复合以及电极内复合2020/3/18光伏材料20减少电极区复合可采用电极区掺杂浓度提高，降低少数载流子在电极区浓度，从而降低了在此区域复合的几率电池半导体材料表面产生电子空穴对没来得及参与导电就复合的过程为表面复合（surfacerecombination）硅表面生长一层介质膜（SiO2，Si3N4）或氢原子钝化等。其效果是消除掉材料表面的悬挂键，减少载流子在表面发生复合的几率。2020/3/18光伏材料213）串并联电阻损失太阳能电池内电阻的存在会产生焦耳热损失。串联电阻以及漏电流的存在都会降低填充因子FF，而太阳能电池转化效率正比于FF，所以串并联电阻对太阳能电池转化效率有影响。研究发现，较大的串联电阻和较小的并联电阻还会分别造成Isc和Voc减小，加剧了转化效率降低。2020/3/18光伏材料22极限100%100%mocscininPFFVIPP1)短路电流极限scI一个足够能量的光子产生一对电子空穴对的情况对于能量低于禁带宽度的光子不产生电子空穴对光生少子全部被收集。2020/3/18光伏材料23对于硅半导体，，因此长波极限：()1.24/()EeVm()1.1EeVeV1.13m太阳光长波极限与半导体材料禁带宽度之间的关系满足：对于更长的波长则不会产生电子空穴对。随着禁带宽度的减小，短路电流增加。在确定的太阳光照的情况下，参与产生电子空穴的光子增多。2020/3/18光伏材料242）开路电压极限ocVln(1)LocOIkTVqI在温度一定的情况下，IL最大，IO最小时，Voc最大。IL最大为短路电流，IO可表示为以上个参数选择最佳的取值时，对于硅太阳电池最大的2()ehOieAhDDDIAqnLNLN2exp()gicVEnNNkT521.510(/)gEkTOIeAcm700ocVmV2020/3/18光伏材料25VOC随着禁带宽度的减小而减小；ISC随着随着禁带宽度的减小而增大存在一个最佳的禁带宽度能够使太阳电池转换效率最高2020/3/18光伏材料263）填充因子极限FF在理想情况下，填充因子FF仅是开路电压函数开路电压Voc=700mV0.84FFmImmocscocscPVFFVIVI根据极限计算出太阳电池转换效率理论极限是：单晶硅27%，多晶硅20%，非晶硅15%，砷化镓28.5%。但是目前研究结果为：单晶硅24%，砷化镓25%。2020/3/18光伏材料274）极限,,scocIVFF太阳电池串并联电阻会产生漏电流、降低短路电流和开路电压硅半导体而言，有23%太阳光能量小于禁带宽度；超过禁带宽度那部分能量会以热的形式被浪费，43%。光生载流子输出电压仅为相当于禁带宽度对应电压的一部分，例如硅的输出电压仅占0.763.6%1.1ocgVE100%100%mocscininPFFVIPP2020/3/18光伏材料285）温度对太阳电池转换效率影响一般而言，随着温度的升高，太阳电池短路电流略有增加，但是其增加幅度要小于开路电压的减小；通常情况下，半导体材料禁带宽度随着温度的升高会出现减小的现象，禁带宽度的减小将有利于增加光的吸收；太阳电池转换效率及填充因子随其工作环境温度的升高而减小；不同半导体材料太阳电池，转化效率对温度响应不