太阳能电池工作原理

第二章太阳电池工作原理一.太阳电池分类•1.按照基体材料分类：•晶硅太阳电池，包括：单晶硅和多晶硅太阳电池•非晶硅太阳电池•薄膜太阳电池•化合物太阳电池，包括：砷化镓电池；硫化镉电池；碲化镉电池；硒铟铜电池等•有机半导体太阳电池等太阳电池种类单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池非晶硅太阳电池•2.按照结构分类：•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•液结太阳电池等•3.按照用途分类：•空间太阳电池:在人造卫星、宇宙飞船等航天器上应用的太阳电池。由于使用环境特殊，要求太阳电池具有效率高、重量轻、耐辐照等性能。•地面太阳电池:在地面上应用的太阳电池。•光敏传感器:光照射时，太阳电池两极之间就能产生电压。连成回路，就有电流流过，光照强度不同，电流的大小也不一样，因此可以作为传感器使用。•航天器上的光伏•系统火星车•4.按照工作方式分类：•平板太阳电池•聚光太阳电池聚光太阳电池聚光电池二.硅太阳电池的工作原理•硅原子的外层电子壳层中有4个电子。受到原子核的束缚比较小，如果得到足够的能量，会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。电子带负电；空穴带正电。•在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。硅原子示意图•在硅晶体中每个原子有4个相邻原子，并和每一个相邻原子共有2个价电子，形成稳定的8原子壳层。•从硅的原子中分离出一个电子需要1.12eV的能量，该能量称为硅的禁带宽度。被分离出来的电子是自由的传导电子，它能自由移动并传送电流。硅原子的共价键结构•如果在纯净的硅晶体中掺入少量的5价杂质磷（或砷，锑等），由于磷原子具有5个价电子，所以1个磷原子同相邻的4个硅原子结成共价键时，还多余1个价电子，这个价电子很容易挣脱磷原子核的吸引而变成自由电子。•所以一个掺入5价杂质的4价半导体，就成了电子导电类型的半导体，也称为n型半导体。•在n型半导体中，除了由于掺入杂质而产生大量的自由电子以外，还有由于热激发而产生少量的电子-空穴对。然而空穴的数目相对于电子的数目是极少的，•所以在n型半导体材料中，空穴数目很少,称为少数载流子;而电子数目很多,称为多数载流子。n型半导体•同样如果在纯净的硅晶体中掺入3价杂质，如硼（或鋁、镓或铟等），这些3价杂质原子的最外层只有3个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少1个价电子，因而在一个共价键上要出现一个空穴，因此掺入3价杂质的4价半导体，也称为p型半导体。•对于p型半导体，空穴是多数载流子，而电子为少数载流子。P型半导体•若将p型半导体和n型半导体两者紧密结合，联成一体时，由导电类型相反的两块半导体之间的过渡区域，称为p-n结。在p-n结两边，由于在p型区内，空穴很多，电子很少；而在n型区内，则电子很多，空穴很少。由于交界面两边，电子和空穴的浓度不相等，因此会产生多数载流子的扩散运动。•在靠近交界面附近的p区中，空穴要由浓度大的p区向浓度小的n区扩散，并与那里的电子复合，从而使那里出现一批带正电荷的搀入杂质的离子。•同时在p型区内，由于跑掉了一批空穴而呈现带负电荷的搀入杂质的离子。•同样在靠近交界面附近的n区中，电子要由浓度大的n区向浓度小的p区扩散，而电子则由浓度大的n区要向浓度小的p区扩散，并与那里的空穴复合，从而使那里出现一批带负电荷的搀入杂质的离子。•同时在n型区内，由于跑掉了一批电子而呈现带正电荷的搀入杂质的离子。•于是，扩散的结果是在交界面的两边形成一边带正电荷而另一边带负电荷的一层很薄的区域，称为空间电荷区。这就是p-n结。在p-n结内，由于两边分别积聚了负电荷和正电荷，会产生一个由正电荷指向负电荷的电场，因此在p-n结内，存在一个由n区指向p区的电场，称为内建电场（或称势垒电场)。•太阳电池在光照下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。这样形成的电子-空穴对由于热运动，向各个方向迁移。•光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n区，光生空穴被推进p区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。•在n区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向p-n结边界扩散，一旦到达p-n结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入p区，而光生电子（多数载流子）则被留在n区。•p区中的光生电子也会向p-n结边界扩散，并在到达p-n结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动，进入n区，而光生空穴（多数载流子）则被留在p区。•因此在p-n结两侧形成了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n型层带负电，因此产生了光生电动势。这就是“光生伏打效应”（简称光伏）。•如果使太阳电池开路，即负载电阻，RL=∞，则被p-n结分开的全部过剩载流子就会积累在p-n结附近，于是产生了等于开路电压VOC的最大光生电动势。•如果把太阳电池短路，即RL=0，则所有可以到达p-n结的过剩载流子都可以穿过结，并因外电路闭合而产生了最大可能的电流，即短路电流ISC。•如果把太阳电池接上负载RL，则被结分开的过剩载流子中就有一部分把能量消耗于降低p-n结势垒，即用于建立工作电压Vm，而剩余部分的光生载流子则用来产生光生电流Im。太阳电池的极性•太阳电池一般制成p+/n型结构或n+/p型结构，其中第一个符号，即p+和n+表示太阳电池正面光照半导体材料的导电类型；第二个符号，即n和p表示太阳电池背面衬底半导体材料的导电类型。•下图为在p型半导体材料上扩散磷元素，形成n+/p型结构的太阳电池。上表面为负极；下表面为正极。三.太阳电池的结构四.太阳电池基本参数•1.标准测试条件•光源辐照度：1000W/m2；•测试温度：25±20C；•AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。太阳光谱分布MaterialsResearchLaboratories工業技術研究院工業材料研究所IndustrialTechnologyResearchInstitute何謂AM0、AM1、AM1.5？Wavelength(m)SpectralIrradiance(Wm-2m-1)AM0AM1.5AM即AirMass，(不同AirMass代表不同太陽光光譜)•AM0(AirMass0)~1,400Wm-2•AM1(AirMass1)~1,000Wm-2•AM1.5(AirMass1.5)~844Wm-2AM1.51,000Wm-2(IEC891、IEC904-1)EarthAM0AM1AM1.5大氣層45o•2.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Iph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理想的太阳电池等效电路IphIDVRI•(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–ISh实际的太阳电池等效电路RsIphIDRshIshVRI•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•因此得出:•这就是光照情况下太阳电池的电流与电压的关系。画成图形，即为(I-V)特性曲线。shskTAIRVqphshDphRIRVeIIIIIIs)1(0/)(00•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=Iph•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IIqkTAVphoc•3.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。不同辐照度下电池的I-V特性曲线•4.开路电压在一定的温度和辐照度条件下，光伏发电器在空载(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。•5.短路电流•在一定的温度和辐照条件下，光伏发电器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。•6.最大功率点在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的点，又称最佳工作点。•7.最佳工作电压太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电压。通常用Vm表示•8.最佳工作电流太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电流。通常用Im表示•9.转换效率受光照太阳电池的最大功率与入射到该太阳电池上的全部辐射功率的百分比。η=VmIm/AtPin•其中Vm和Im分别为最大输出功率点的电压和电流，At为太阳电池的总面积，Pin为单位面积太阳入射光的功率。世界主要太阳电池新记录电池种类转换效率(%)研制单位备注单晶硅电池24.7±0.5澳大利亚新南威尔士大学4cm2面积GaAs多结电池34.7±1.7Spectrolab333倍聚光多晶硅电池20.3±0.5德国弗朗霍夫研究所1.002cm2面积InGaP/GaAs30.8±1.0日本能源公司4cm2面积非晶硅电池12.8±0.7美国USSC公司0.27cm2面积CIGS电池19.5±0.6美国可再生能源实验室0.41cm2面积CdTe电池16.5±0.5美国可再生能源实验室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面积纳米硅电池10.1±0.2日本钟渊公司2微米膜(玻璃衬底)氧化钛有机纳米电池11.0±0.5EPFL0.25cm2面积GaInP/GaAs/Ge37.3±1.9Spectrolab175倍聚光背接触聚光硅电池26.8±0.8美国SunPower公司96倍聚光中国太阳电池实验室最高效率最高效率面积(cm2)单晶硅电池20.42×2多晶硅电池14.532×2GaAs电池20.11×1聚光硅电池172×2CdS/CuxS电池12几个mm2CuInSe2电池8.571×1CdTe电池73mm2多晶硅薄膜电池13.61×1非晶硅电池11.2(单结)8.66.2几个mm210×1030×30二氧化钛纳米有机电池101×1•10.填充因子(曲线因子)太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比，通常用FF(或CF)表示：FF=ImVm/IscVoc•IscVoc是太阳电池的极限输出功率•ImVm是太阳电池的最大输出功率•填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数。•11.电流温度系数在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化10C，太阳电池短路电流的变化值，通常用α表示。•对于一般晶体硅电池α=+0.1%/0C•12.电压温度系数在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化10C，太阳电池开路电压的变化值，通常用β表示。•对于一般晶体硅电池β=-0.38%/0C五.提高晶体硅电池效率的方法•1.紫光电池采用浅结(如0.1-0.15μm),和密栅(如30条/cm),克服了“死层”,增加了电池的兰紫光响应,提高了电池的效率。•2.背电场(BSF)电池在常规电池n+/