太阳能电池介绍课件

第3章太阳能光伏电池何道清编制2011.12第3章太阳能光伏电池太阳能光伏电池——太阳能电能3.1太阳能光伏发电原理3.1.1半导体基础知识1.导体、绝缘体和半导体（1）自由电子与自由电子浓度物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成，电子受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。能在晶体中自由运动的电子，称为“自由电子”，它是导体导电的电荷粒子。自由电子浓度：单位体积中自由电子的数量，称为自由电子浓度，用n表示，它是决定物体导电能力的主要因素之一。（2）晶体中自由电子的运动由于晶体内原子的振动，自由电子在晶体中做杂乱无章的运动。电流：导体中的自由电子在电场力作用下的定向运动形成电流。迁移率：在单位电场强度（1V/cm）下，定向运动的自由电子的“直线速度”，称为自由电子的迁移率，用表示，这也是决定物体导电能力的主要因素。电导率：表征物体导电能力的物理量，用表示,=en电阻：导体中的自由电子定向运动形成电流所受到的“阻力”，它也表征表征物体导电能力。导体的电阻特性用电阻率表示（=1/）。导体电阻SlR3.1太阳能光伏发电原理3.1太阳能光伏发电原理（3）导体、绝缘体和半导体导体，导电能力强的物体，电阻率为10-9~l0-6cm；绝缘体，不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的物体，电阻率为108~l020cm；半导体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，电阻率为10-5~l07cm。导电机理：金属导体导电是自由电子（n恒定）在电场力作用下的定向运动，电导率基本恒定；半导体导电是电子和空穴在电场力作用下的定向运动。电子和空穴的浓度随温度、杂质含量、光照等变化较大，影响其导电能力。3.1太阳能光伏发电原理2.硅的晶体结构（1）硅的原子结构硅(Si)原子，原子序数14，原子核外14个电子，绕核运动，分层排列：内层2个电子(满)，第二层8个电子(满)，第三层4个电子(不满)，如图3-1所示。图3-1硅的原子结构及其原子能级3.1太阳能光伏发电原理（2）硅的晶体结构硅晶体中的硅原子在空间按面心立方晶格结构无限排列，长程有序。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个硅原子间有一对电子与这两个原子的原子核都有相互作用，称为共价键。基于共价键作用，是硅原子紧密地结合在一起，构成晶体。图3-2硅的晶胞结构3.1太阳能光伏发电原理硅晶体和所有的晶体都是由原子(或离子、分子)在空间按一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体的晶格。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列，即长程有序，就称其为单晶体。在硅晶体中，每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个相邻原子核都有相互作用，称为共价键。正是靠共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。由许多小颗粒单晶杂乱无章地排列在一起的固体称为多晶体。非晶体没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式，如一个硅原子仍有四个共价键，短程看是有序的，长程无序，这样的材料称为非晶体，也叫做无定形材料。3.1太阳能光伏发电原理3.能级和能带图电子在原子中的轨道运动状态具有不同的能量—能级(E),单一的电子能级，分裂成能量非常接近但又大小不同的许多电子能级，形成一个“能带”。图3-3单原子的电子能级对应的固体能带3.1太阳能光伏发电原理4.禁带、价带和导带电子只能在各能带内运动，能带之间的区域没有电子态,这个区域叫做“禁带”，用Eg表示。完全被电子填满的能带称为“满带”，最高的满带容纳价电子，称为“价带”,价带上面完全没有电子的称为“空带”。有的能带只有部分能级上有电子,一部分能级是空的。这种部分填充的能带,在外电场的作用下,可以产生电流。而没有被电子填满、处于最高满带上的一个能带称为“导带”。3.1太阳能光伏发电原理4.禁带、价带和导带(a)金属(b)半导体(c)绝缘体图3-4金属、半导体、绝缘体的能带3.1太阳能光伏发电原理4.禁带、价带和导带图3-4晶体的能带3.1太阳能光伏发电原理4.禁带、价带和导带禁带宽度Eg价电子要从价带越过禁带跳跃到导带里去参与导电运动，必须从外界获得大于或等于Eg的附加能量，Eg的大小就是导带底部与价带顶部之间的能量差，称为“禁带宽度”或“带隙”表3-1半导体材料的禁带宽度材料SiGeGaAsCu(InGa)SeInPCdTeCdSEg/eV1.120.71.41.041.21.42.63.1太阳能光伏发电原理金属与半导体的区别：金属的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，在一切条件下具有良好的导电性。半导体有一定的禁带宽度，价电子必须获得一定的能量（Eg）“激发”到导带才具有导电能力。激发的能量可以是热或光的作用。常温下，每立方厘米的硅晶体，导带上约有l010个电子，每立方厘米的导体晶体的导带中约有1022个电子。绝缘体禁带宽度远大于半导体，常温下激发到导带上的电子非常少，固其电导率很低。3.1太阳能光伏发电原理5.电子和空穴电子从价带跃迁到导带（自由电子）后，在价带中留下一个空位，称为空穴，空穴移动也可形成电流。电子的这种跃迁形成电子-空穴对。电子和空穴都称为载流子。电子-空穴对不断产生，又不断复合。图3-5具有一个断键的硅晶体3.1太阳能光伏发电原理6.掺杂半导体晶格完整且不含杂质的半导体称为本征半导体。硅半导体掺杂少量的五价元素磷(P)—N型硅：自由电子数量多—多数载流子（多子）；空穴数量很少—少数载流子（少子）。电子型半导体或n型半导体。掺杂少量的三价元素硼(B)—P型硅：空穴数量多—多数载流子（多子）；自由电子数量很少—少数载流子(少子)。空穴型半导体或p型半导体。图3-6n型和p型硅晶体结构3.1太阳能光伏发电原理6.掺杂半导体-杂质能级在掺杂半导体中，杂质原子的能级处于禁带之中，形成杂质能级。五价杂质原子形成施主能级，位于导带的下面；三价杂质原子形成受主能级，位于价带的上面(图3-7)。施主（或受主）能级上的电子（或空穴）跳跃到导带（或价带）中去的过程称为电离。电离过程所需的能量就是电离能（很小0.04eV），掺杂杂质几乎全部电离。图3-7施主和受主能级3.1太阳能光伏发电原理7.载流子的产生与复合由于晶格的热振动，电子不断从价带被“激发”到导带，形成一对电子和空穴（即电子-空穴对），这就是载流子产生的过程。电子和空穴在晶格中的运动是无规则的导带中的电子落进价带的空能级，使一对电子和空穴消失。这种现象叫做电子和空穴的复合，即载流子复合。一定的温度下晶体内产生和复合的电子-空穴对数目达到相对平衡，晶体的总载流子浓度保持不变，热平衡状态。由于光照作用，产生光生电子-空穴对，电子和空穴的产生率就大于复合率，形成非平衡载流子，称为光生载流子。3.1太阳能光伏发电原理8.载流子的输运半导体中存在能够导电的自由电子和空穴，这些载流子有两种输运方式：漂移运动和扩散运动。载流子在热平衡时作不规则的热运动，与晶格、杂质、缺陷发生碰撞，运动方向不断改变，平均位移等于零，这种现象叫做散射。散射不会形成电流。半导体中载流子在外加电场的作用下，按照一定方向的运动称为漂移运动。外界电场的存在使载流子作定向的漂移运动，并形成电流。扩散运动是半导体在因外加因素使载流子浓度不均匀而引起的载流子从浓度高处向浓度低处的迁移运动。扩散运动和漂移运动不同，它不是由于电场力的作用产生的，而是由于载流子浓度差的引起的。3.1.2p-n结n型半导体和p型半导体紧密接触，在交界处n区中电子浓度高，要向p区扩散，在N区一侧就形成一个正电荷的区域；同样，p区中空穴浓度高，要向n区扩散，p区一侧就形成一个负电荷的区域。这个n区和p区交界面两侧的正、负电荷薄层区域称为“空间电荷区”，即p-n结—内建电场E—电势差UD—电势能电势能=电荷×电势=(q)(UD)=qUDqUD通常称作势垒高度。内建电场一方面阻止“多子”的扩散运动，另一方面增强“少子”漂移运动，最终达到平衡状态。3.1太阳能光伏发电原理3.1太阳能光伏发电原理3.1.2p-n结(a)n区电子往P区(b)p区空穴往N区(c)p-n结电场扩散在n区形成带扩散在p区形成带正电的薄层A负电的薄层B图3-8p-n结电子与空穴的扩散3.1太阳能光伏发电原理3.1.2p-n结(a)形成p-n结前载流子的扩散过程(b)空间电荷区和内建电场图3-8p-n结3.1太阳能光伏发电原理3.1.2p-n结—单向导电性当p-n结加上正向偏压，外加电场的方向与内建电场的方向相反，打破了扩散运动和漂移运动的相对平衡，形成通过p-n结的电流（称为正向电流），较大；当p-n结加上反向偏压，构成p-n结的反向电流，很小。图3-9p-n结单向导电特性3.1太阳能光伏发电原理3.1.3光伏效应—太阳能电池1.光伏效应当太阳电池受到光照时，光在n区、空间电荷区和p区被吸收，分别产生电子-空穴对。由于入射光强度从表面到太阳电池体内成指数衰减，在各处产生光生载流子的数量有差别，沿光强衰减方向将形成光生载流子的浓度梯度，从而产生载流子的扩散运动。n区中产生的光生载流子到达p-n结区n侧边界时，由于内建电场的方向是从n区指向p区，静电力立即将光生空穴拉到p区，光生电子阻留在n区。p区中到达p-n结区p侧边界的光生电子立即被内建电场拉向n区，空穴被阻留在p区。空间电荷区中产生的光生电子-空穴对则自然被内建电场分别拉向n区和p区。3.1太阳能光伏发电原理1.光伏效应p-n结及两边产生的光生载流子就被内建电场所分离，在p区聚集光生空穴，在n区聚集光生电子，使p区带正电，n区带负电，在p-n结两边产生光生电动势。上述过程通常称作光生伏特效应或光伏效应。光生电动势的电场方向和平衡p-n结内建电场的方向相反。当太阳能电池的两端接上负载，这些分离的电荷就形成电流。图3-10光伏效应示意图3.1太阳能光伏发电原理1.光伏效应—太阳能电池当太阳能电池的两端接上负载，光伏电动势就形成电流。图3-11太阳电池的发电原理3.1太阳能光伏发电原理2.1.4太阳电池的结构和性能1.太阳电池的结构最简单的太阳电池是由p-n结构成的，如图3-142示，其上表面有栅线形状的上电极，背面为背电极，在太阳电池表面通常还镀有一层减反射膜。图3-12太阳电池的结构和符号3.1太阳能光伏发电原理1.太阳电池的结构硅太阳电池一般制成p/n型结构或n/p型结构。太阳电池输出电压的极性，p型一侧电极为正，n型一侧电极为负。根据太阳电池的材料和结构不同，分为许多种形式，如p型和n型材料均为相同材料的同质结太阳电池(如晶体硅太阳电池)；p型和n型材料为不同材料的异质结太阳电池[硫化镉/碲化镉(CdS/CdTe)，硫化镉/铜铟硒(CdS/CulnSe2)薄膜太阳电池]；金属-绝缘体-半导体(MIS)太阳电池；绒面硅太阳电池；激光刻槽掩埋电极硅太阳电池；钝化发射结太阳电池；背面点接触太阳电池；叠层太阳电池等。3.1太阳能光伏发电原理2.太阳电池的技术参数（1）开路电压（Uoc）受光照的太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累于p-n结两侧产生光生电动势，这时在太阳电池两端测得的电势差叫做开路电压，用符号Uoc表示。（2）短路电流（Isc）如果把太阳电池从外部短路测得的最大电流，称为短路电流，用符号Isc表示。图3-13硅光电池的开路电压和短路电流与光照度关系3.1太阳能光伏发电原理（3）最大输出功率（P）把太阳电池接上负载，负载电阻中便有电流流过，该电流称为太阳电池的工作电流（I），也称负载电流或输出电流。负载两端的电压称为太阳电池的工作电压(U)。太阳电池的输出功率P=UI。太阳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作成曲线，就得到太阳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（Pm）。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压（Um）和最佳工作电流（Im），Pm=UmIm。3.1太阳能光伏发电原理（4）填充因子（FF）太阳电池的另一个重要参数是填充因子FF，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘