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1、光伏基本知识,主要内容,光电效应简介太阳能电池的开发背景光伏效应的基本原理,1.光电效应简介,光电效应和外光电效应,光电效应(photoelectric)：物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。1887年Heinrich Hertz在实验中发现了光电效应，爱因斯坦因采用光量子(photon)的概念成功的解释了光电效应而获得了1921年诺贝尔物理奖。根据电子吸收光子能量后的不同行为，光电效应可分为外光电效应和内光电效应。外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。其主要应用有光电管和光电倍增管。,1.光电效应简介,内光电效应及其应用,内光电效应：光照射
2、到半导体材料上激发出电子-空穴对而使半导体产了产生的电效应。内光电效应可分为光电导效应、光生伏特效应 光电导效应是指光照射下半导体材料的电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电阻率的变化。其应用为光敏电阻。光生伏特效应是指光照射下物体内产生一定方向的电动势的现象。其应用主要有光伏电池、光(电)敏二极管、光(电)敏三极管等。,2.太阳电池的开发背景,人类未来50年面临的十大难题,Energy&Nanotechnology Conference,Rice Iniversity,May 3,2003,2.太阳电池的开发背景,2011-2020年我国能源科学学科发展战略报告,全人类共同
3、的挑战,化石能源的大量使用导致了全球气候变化。政府间气候变化专门委员会(IPCC)的综合评估结果表明：近50年全球大部分增暖，非常可能(90%以上)是人类活动的结果，特别是源于化石燃料使用导致的人为温室气体排放。,化石能源的开发利用造成环境污染。我国每年排入大气的污染物中，有约80%的烟尘、87%的SO2和67%的NOx来源于煤的燃烧。这些污染物会形成硫酸烟雾、酸雨以及其它光化学烟雾等。,化石能源行将枯竭带给人类巨大的挑战。按照2008年的开采速度计算，全球石油剩余探明储量可供开采42年，天然气和煤炭分别可供应60年和122年。2008年我国煤炭储采比约为41年，天然气和石油储采比分别约为32
4、年和11年。,必须加强替代能源包括核能、风能、太阳能、水能、地热和海洋能等的开发利用。,2.太阳电池的开发背景,太阳能的优点和缺点,太阳能的优点：太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源，它分布广阔，获取方便；不会污染环境，没有废水、废渣、废气的排放；可以就地开发利用，不存在运输问题。太阳表面释放的能量换算成电能的功率约为3.81023KW左右，其中约22亿分之一到达地球，约1.21014KW(1.35KW/m2,太阳常数)，这相当于现在地球上消耗能量的约1万倍。根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是取自不尽，用之不
5、竭的。太阳能的缺点：能源密度较低，并且具有间歇性，使其大规模使用的成本和技术难度均很高，目前太阳能所提供的能源占世界商业能源总量不足1%。,3.光伏效应的基本原理,金属、导体和绝缘体,金属,半导体,绝缘体,金属的价带是半满的，所以金属能够导电；绝缘体的价带是全满的，并且具有较大的禁带宽度，所以不能导电；半导体的价带也是全满的，但由于其具有较窄的禁带宽度，所以在一定的条件下能够导电。其电导率在10-4到1010欧姆厘米之间。,3.光伏效应的基本原理,本征半导体和掺杂半导体,本征半导体：没有杂质和缺陷的半导体。其原子的排列处于非常整齐的状态，在一定条件下少数电子可能挣脱束缚而形成电子载流子n0，同
6、时留下带正电的空位(空穴hole)p0，且浓度n0=p0。在本征半导体中载流子的总数仍然不能满足导电性的需要，所以本征半导体实际用处不大。常见的本征半导体有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等。掺杂半导体：为了提高半导体的导电性能，可以通过添加杂质的办法降低其电阻率，提高其导电性。例如对本征半导体硅掺入百万分之一的杂质，其电阻率就会从105下降到只有几个欧姆厘米。p-型半导体：positive,通过掺杂增加半导体内的空穴载流子的浓度，使空穴(正电子)成为多数载流子(多子)；n-型半导体：negative,通过掺杂增加半导体内的电子载流子的浓度，是电子称为多数载流子。,3.光伏效应的基本
7、原理,p-型半导体和n-型半导体,以硅为例，理想的硅原子结构示意图：添加3价元素硼后的示意图：黄色表示B元素，蓝色点表示空穴。空穴容易吸收电子而中和，就像空穴在流动一样。掺杂5价元素磷后的示意图：黄色表示P元素，红色点表示多余的电子，它非常活跃，容易流动形成电流。,3.光伏效应的基本原理,p-n结和内建电场,当p-型和n-型半导体结合在一起时，由于p-型半导体多空穴，n-型半导体多自由电子，在界面处出现了浓度差。n-区的电子会扩散到p-区，p-区的空穴会扩散到n-区，这样会在交界面区域形成一个特殊的薄层，即空间电荷区。空间电荷区存在一个从n-区指向p-区的内建电场阻止扩散进行，内建电场与半导体
8、内的扩散达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层，这就是p-n结。,3.光伏效应的基本原理,光伏效应photovoltaic,当光照射p-n结上时，如果入射电子的能量大于半导体材料的禁带宽度(Eg)，就会在半导体内产生大量的自由载流子-空穴和电子。它们在p-n结内建电场的作用下，空穴往p-区移动，使p-区获得附加正电荷；而电子往n-型区移动，n-区获得负电荷，产生一个光生电动势，这就是光伏效应(光生伏打效应)。当用导线连接p-型区和n-型区时，就会形成电流.,3.光伏效应的基本原理,光电效应与光伏效应,关于光电效应和光伏效应的关系，有以下两种观点：光伏效应是光电效应的一种：基于这种观点的光电效应
9、是指物体吸收光能后引起电性能变化的效应，包括内、外光电效应。光电效应和光伏效应是不同的两个概念：可以从两个方面理解：这种观点中的光电效应是狭义上的光电效应，仅指外光电效应。这种观点中的光电效应定义不同，即photoemission非photoelectric，其对应的材料仅指的是金属。“利用金属的光电效应也可以制备太阳电池，有光照的金属其化学势会稍微大于没有光照的金属的化学势，从而产生光伏电压”，而“光生伏特效应是指光子入射到半导体的 p-n 结后，从 p-n 结的二端电极产生可输出功率的电压伏特值”。这篇文章中还指出：并不是能够转换入射光子能量而直接产生输出电压的器件都叫光生伏特效应。例如D
10、ember效应，指半导体吸收光子后产生能自由移动的电子和空穴，由于电子和空穴的扩散系数不一样，因此会在分布不均的电子和空穴间产生内建电场。又如基于光电化学效应的染料敏化太阳电池，因为要用到电解质且涉及到了化学反应，也不属于光生伏特效应。,3.光伏效应的基本原理,光伏电池与光敏(电)二极管,光伏电池和光电二极管都是基于光伏效应的光电器件。其主要区别在于：光伏电池在零偏置下工作，而光电二极管在反向偏置下工作光伏电池的掺杂浓度较高1016-19从而具有较强的光伏效应，而光电二极管掺杂浓度较低1012-13光伏电池的电阻率较低0.1-0.01/cm，而光电二极管则为1000/cm光伏电池的光敏面积要比
11、光电二极管大得多，因此光电二极管的光电流小得多，一般在uA级。,3.光伏效应的基本原理,光伏电池与发光二极管(LED),发光二极管：Light Emitting Diode，在电场作用下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入，空穴和电子在发光层中相遇、复合形成激子，激子经过驰豫、扩散、迁移等过程复合而产生光子。,3.光伏效应的基本原理,光伏电池的性能参数,光伏电池的主要性能参数有开路电压VOC、短路电流ISC、最大输出功率Pm、填充因子FF、能量转换效率PCE等。开路电压open-circuit voltage：太阳电池处于开路状态时两端的电压，可用高内阻的直流毫伏计测量。短路电流short-cir
12、cuit current：太阳电池处于短路状态时流过的电流，常用短路电流密度JSC代替，用内阻小于1的电流表测量。最大输出功率：太阳电池的输出功率随负载电阻而变化，其最大值成为最大输出功率，Pm=VmIm。填充因子Fill Factor：最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比，始终小于1，代表太阳能电池在最佳负载时能输出的最大功率的特性。能量转换效率Power Conversion Efficiency：太阳电池的最大输出功率和入射光的功率之比。,3.光伏效应的基本原理,太阳电池的伏安曲线,太阳能电池输出特性测量电路示意图。当负载从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
13、从ISC变到0，由此得到电池的输出特性曲线。,除了以上5个主要参数，有些文献上还提到了其它参数，如光电转换效率IPCE(mono-chromatic incident photon-to-electron conversion efficiency)、外量子效率EQE(external quantum efficiency)及内量子效率IQE(Internal Quantum Efficiency)。,3.光伏效应的基本原理,光伏电池的等效电路,理想太阳电池的等效电路：在恒定光照下，光电流是恒定的，它一部分流经负载，在负载两端建立起端电压；另一部分作用于p-n结，形成正向偏置，引起一股与光电流方向相反的暗电流。,实际太阳电池的等效电路：实际工作的太阳电池由于电极的接触和材料本身的电阻率，存在着串联电阻的损耗；电池边沿的漏电和电池的微裂纹、划痕等造成的金属桥漏电，相当于并联电阻的损耗。,谢谢!,
