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1、第三章 晶体硅太阳能电池的基本原理,3.1 太阳电池的分类,按基体材料分,1.硅太阳电池,单晶硅太阳电池,多晶硅太阳电池,非晶硅太阳电池,微晶硅太阳电池,2.化合物太阳电池,砷化镓太阳能电池,碲化镉太阳能电池,铜铟镓硒太阳能电池,3.2 太阳电池的分类工作原理,太阳电池基本构造：半导体的PN结,导体：铜（106/(cm)）绝缘体:石英（SiO2(10-16/(cm)）半导体:10-4104/(cm),半导体,元素：硅（SiO2）、锗（Ge）、硒（Se）等,化合物：硫化镉（CdS）、砷化镓（GaAs）等,合金：GaxAl1-xAs(x为0-1之间的任意数),有机半导体,3.2.1 半导体,硅是四
2、价元素，每个原子的最外层上有4个电子。这4个电子又被称为价电子硅晶体中，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。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量升高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，称为自由电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现一个空位，称为空穴。,自由电子,空穴,3.2.2 能带结构,量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互影响，原来各原子中能量相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新能级。这些新能级基本上连成一片，形成能带,当N个原子靠近形成晶体时，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的一个能级，就分裂成N条靠得很
3、近的能级。使原来处于相同能级上的电子，不再有相同的能量，而处于N个很接近的新能级上。,由于晶体中原子的周期性排列，价电子不再为单个原子所有的现象。共有化的电子可以在不同原子中的相似轨道上转移，可以在整个固体中运动。,原子能级 能带,N条能级,E,禁带,满带：排满电子的能带空带：未排电子的能带未满带：排了电子但未排满的能带禁带：不能排电子的区域1满带不导电2未满能带才有导电性导带：最高的满带价带：最低的空带电子可以从价带激发到导带，价带中产生空穴，导带中出现电子，空穴和电子都参与导电成为载流子,导体，在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流。绝缘体：在外电场的作用下，共
4、有化电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（Eg 约36 eV），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。半导体：的能带结构,满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄（Eg 约3 eV以下)。,导体 半导体 绝缘体,Eg,价带,导带,最高的满带,最低的空带,导带,价带,满带,部分填充能带,在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成的半导体,2 掺杂半导体,3.2.3 杂质半导体,1 本征半导体无杂质，无缺陷的半导体本证载流子：电子、空穴均参与导电本征半导体中正负载流子数目相等，数目很少,根据掺杂的不同，杂质半导体分为,
5、N型半导体：掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体,P型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。,空 带,施主能级,ED,空 带,Ea,受主能级,掺入少量五价杂质元素磷,多出一个电子,出现了一个正离子,电子是多数载流子，简称多子;空穴是少数载流子，简称少子。施主杂质半导体整体呈电中性,掺入少量三价杂质元素硼,B,空穴,负离子,空穴是多数载流子，简称多子;电子是少数载流子，简称少子。受主杂质半导体整体呈电中性,3.2.5 PN结,半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动.在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高
6、的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层,PN结,多子扩散运动形成空间电荷区,由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向扩散的结果，交界面P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子，这样在交界面处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区，并产生由N区指向P区的内电场EIN。,PN结,17,内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移,多子扩散,空间电荷区加宽内电场EIN增强,少子漂移,促使,阻止,EIN,EIN,空间电荷区变窄内电场EIN削弱,扩散与漂
7、移达到动态平衡形成一定宽度的PN结,3.2.6 光生伏特效应,当光照射p-n结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区激发电子-空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆着电场运动，最后在n区边界积累光生电子，在p区边界积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场，即在p区和n区之间产生了光生电压UOC，这就是p-n结的光生伏特效应。只要光照不停止，这个光生电压将永远存在。,3.2.7 太阳电池的基本工作原理,光电转换的物理过程：（1）光子被吸收，使PN结的P侧和N侧两边产生电子-空穴对（2）在离开PN结一个扩散长度以内产生的电子和空穴通过扩散到达空 间电
8、荷区（3）电子-空穴对被电场分离，P侧的电子从高电位滑落至N侧，空穴沿着相反的方向移动（4）若PN结开路，则在结两边积累的电子和空穴产生开路电压,3.2.8 晶硅太阳电池的结构,由于半导体不是电的良导体，电子在通过pn结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖pn结（如图栅状电极），以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射损失减小到5甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是3
9、6个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。,3.3 太阳能电池的电学性能,3.3.1 标准测试条件,光源辐照度：1000W/m2测试温度：250CAM1.5太阳光谱辐照度分布,3.3.2 太阳电池等效电路,Rse表示来自电极接触、基体材料等欧姆损耗的串联电阻Rsh表示来自泄漏电流的旁路电阻RL表示负载电阻ID表示二极管电流IL表示光生电流,晶体硅太阳电池的等效电路,根据等效电路,将p-n结二极管电流方程,代入上式的输出电流,式中q为电子电量，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，n为二极管质量因子。,理想情况下，Rsh,Rse0,3.3.3 太阳电池的主要技术参数,伏安特性曲线（I-V曲线）,当负
10、载RL从0 变化到无穷大时，输出电压V 则从0 变到VOC，同时输出电流便从ISC变到0，由此得到电池的输出特性曲线,M,vm,Im,0,最大功率点,M点为改太阳电池的最佳工作点,M,vm,Im,0,短路电流是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流（或者说电池被短路时的电流）。通常记作ISC。,短路电流源于光生载流子的产生和收集。对于电阻阻抗最小的理想太阳能电池来说，短路电流就等于光生电流。因此短路电流是电池能输出的最大电流。,在AM1.5大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电流为46mA/cm2。实验室测得的数据已经达到42mA/cm2，而商业用太阳能电池的短路电流在28到35mA/c
11、m2之间。,开路电压VOC是太阳能电池能输出的最大电压，此时输出电流为零。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的正向偏压。开路电压如下图伏安曲线所示。,开路电压是太阳能电池的最大电压，即净电流为零时的电压。,上述方程显示了VOC取决于太阳能电池的饱和电流和光生电流。由于短路电流的变化很小，而饱和电流的大小可以改变几个数量级，所以主要影响是饱和电流。饱和电流I0主要取决于电池的复合效应。即可以通过测量开路电压来算出电池的复合效应。实验室测得的硅太阳能电池在AM1.5光谱下的最大开路电压能达到720mV，而商业用太阳能电池通常为600mV。,通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路电压
12、方程：,填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路VOC和ISC的乘积的比值。短路电流和开路电压分别是太阳能电池能输出的最大电流和最大电压。然而，当电池输出状态在这两点时，电池的输出功率都为零。“填充因子”，通常使用它的简写“FF”，是由开路电压VOC和短路电流ISC共同决定的参数，它决定了太阳能电池的输出效率。从图形上看，FF就是能够占据IV曲线区域最大的面积。如下图所示。,太阳能电池的转换：太阳电池接受的最大功率与入射到该电池上的全部辐射功率的百分比。,Um、Im分别为最大功率点的电压At为包括栅线面积在内的太阳电池总面积Pin为单位面积入射光的功率。,在太阳能电池中，受温度影响最大的参数是
13、开路电压。温度的改变对伏安曲线的影响如下图所示。,短路电流ISC提高幅度很小,温度较高的电池,开路电压Voc下降幅度大,太阳辐照度对太阳能电池的伏安特性的影响,短路电流ISC随着聚光呈线性上升,开路电压随光强呈对数上升,3.3.4 影响太阳电池转换效率的因素,1.禁带宽度,VOC随Eg的增大而增大，但另一方面，ISC随Eg的增大而减小。结果是可期望在某一个确定的Eg随处出现太阳电池效率的峰值。,随温度的增加，效率下降。ISC对温度T不很敏感，温度主要对VOC起作用。对于Si，温度每增加10C，VOC下降室温值的0.4%，也因而降低约同样的百分数。例如，一个硅电池在200C时的效率为20%，当温
14、度升到1200C时，效率仅为12。又如GaAs电池，温度每升高10C，VOC降低1.7mv 或降低0.2%。,2.温度,希望载流子的复合寿命越长越好，这主要是因为这样做ISC大。少子长寿命也会减小暗电流并增大VOC。在间接带隙半导体材料如Si中，离结100m处也产生相当多的载流子，所以希望它们的寿命能大于1s。在直接带隙材料，如GaAs或Gu2S中，只要10ns的复合寿命就已足够长了。达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中，要避免形成复合中心。在加工过程中，适当而且经常进行工艺处理，可以使复合中心移走，因而延长寿命。,将太阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。设想
15、光强被浓缩了X倍，单位电池面积的输入功率和JSC都将增加X倍，同时VOC也随着增加(kT/q)lnX倍。因而输出功率的增加将大大超过X倍，而且聚光的结果也使转换效率提高了。,3.复合寿命,4.光强,5.掺杂浓度及剖面分布,对VOC有明显的影响的另一因素是掺杂浓度。虽然Nd和Na出现在Voc定义的对数项中，它们的数量级也是很容易改变的。掺杂浓度愈高，Voc愈高。一种称为重掺杂效应的现象近年来已引起较多的关注，在高掺杂浓度下，由于能带结构变形及电子统计规律的变化，所有方程中的Nd和Na都应以（Nd）eff和（Na）eff代替。如图2.18。既然（Nd）eff和（Na）eff显现出峰值，那么用很高的
16、Nd和Na不会再有好处，特别是在高掺杂浓度下寿命还会减小。,高掺杂效应。随掺杂浓度增加有效掺杂浓度饱和，甚至会下降,目前，在Si太阳电池中，掺杂浓度大约为1016cm-3，在直接带隙材料制做的太阳电池中约为1017 cm-3，为了减小串联电阻，前扩散区的掺杂浓度经常高于1019 cm-3，因此重掺杂效应在扩散区是较为重要的。当Nd和Na或（Nd）eff和（Na）eff不均匀且朝着结的方向降低时，就会建立起一个电场，其方向能有助于光生载流子的收集，因而也改善了ISC。这种不均匀掺杂的剖面分布，在电池基区中通常是做不到的；而在扩散区中是很自然的。,6.表面复合速率,低的表面复合速率有助于提高ISC
17、，并由于I0的减小而使VOC改善。前表面的复合速率测量起来很困难，经常被假设为无穷大。一种称为背表面场（BSF）电池设计为，在沉积金属接触之前，电池的背面先扩散一层P附加层。,背表面场电池。在P/P+结处的电场妨碍电子朝背表面流动,7.串联电阻,在任何一个实际的太阳电池中，都存在着串联电阻，其来源可以是引线、金属接触栅或电池体电阻。不过通常情况下，串联电阻主要来自薄扩散层。PN 结收集的电流必须经过表面薄层再流入最靠近的金属导线，这就是一条存在电阻的路线，显然通过金属线的密布可以使串联电阻减小。串联电阻RS 的影响是改变IV 曲线的位置。,8.金属栅和光反射,在前表面上的金属栅线不能透过阳光。为了使ISC最大，金属栅占有的面积应最小。为了使RS小，一般是使金属栅做成又密又细的形状。因为有太阳光反射的存在，不是全部光线都能进入Si 中。裸Si 表面的反射率约为40%。使用减反射膜可降低反射率。对于垂直地投射到电池上的单波长的光，用一种厚为1/4 波长、折射率等于n 1/2（n 为Si 的折射率）的涂层能使反射率降为零。对太阳光，采用多层涂层能得到更好的效果。,
