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1、太阳电池工作原理,第一部分,目录,引言太阳能辐射太阳电池结构和工作过程太阳电池的电性能,引言,太阳能电池的历史1839年法国实验物理学家 Edmund Bacquerel（贝克勒尔）发现了光生伏特效应。1941年奥尔在硅上发现了光伏效应。1954年Chaipin（恰宾）和Carlson(卡尔松)等人在贝尔实验室制成了光电转换效率达6%的世界上第一块实用的硅太阳电池，标志着太阳电池研制工作的重大进展。,引言,1959年第一个光电转换效率为5的多晶硅太阳电池问世。1960年硅太阳电池发电首次并入常规电网。1975年，美国科学家制作出非晶硅太阳电池。80年代初，太阳电池开始规模化生产。,引言,太阳电
2、池将太阳光能直接转换为电能的半导体器件 种类 硅太阳电池 1)Si太阳电池 1)单晶硅片 2)GaAs太阳电池 2)多晶硅片 3)染料敏化电池 3)非晶硅薄膜 4)Cu2S电池 4)多晶硅薄膜,大气层对太阳辐射的影响,大气质量太阳光线通过大气层的路程对到达地球表面的太阳辐射的影响 AM0地球大气层外的太阳辐射 AM1穿过1个大气层的太阳辐射（太阳入射角为0）AM1.5太阳入射角为45的太阳辐射,太阳辐射穿过大气层的情况,AM0AM1.5,太阳电池结构,正电极,铝背场,负电极主栅线,负电极子栅线,Junction,太阳电池的工作过程 光生伏特效应,太阳电池的工作过程 光生伏特效应,Scell,吸
3、收光子，产生电子空穴对。电子空穴对被内建电场分离，在PN结两端产生电势。将PN结用导线连接，形成电流。在太阳电池两端连接负载，实现了将光能向电能的转换。,太阳电池等效电路,太阳电池电性能参数,Isc,Voc,Eff,FF,Isc：电池面积、光强、温度,Voc:光强、温度,FF：串联电阻、并 联电阻,太阳电池电性能参数,开路电压 Voc短路电流 Isc串联电阻 Rs并联电阻 Rsh填充因子 FF,开路电压,对理想的P-N结电池最小饱和电流密度与禁带宽度的关系,开路电压,对于硅，禁带宽度约为1.1ev，所得到最大Voc约为700mV，相应的最高FF为0.84。禁带宽度约为1.41.6ev，转化率会
4、出现个峰值，砷化镓具有接近最佳值的禁带宽度。Voc的损失主要在于体内复合。,短路电流 损失途径,表面的减反射程度，通过制绒和镀减反射膜使反射率在10%以下。正面电极的印刷遮掉10%左右的入射光。电池片比较薄，部分光线会直接穿透电池片。不过现采用全背面印刷铝浆对这损失有很大削弱。半导体体内和表面的复合。,串联电阻,硅材料体电阻,金属电极电阻,金属与硅的接触电阻,串联电阻,串联电阻表达式：是正面电极金属栅线电阻，rc1、rc2 分别是正面、背面金属半导体接触电阻，rt是正面扩散层的电阻，rb是基区体电阻，rmb是背面电极金属层的电阻,串联电阻,金属体电阻：其中rsq为厚膜金属导体层的方块电阻，厚膜
5、印刷银电极通常为0.003/0.005/；l为栅线长度；w为栅线宽度。对于铝背场形式的背面电极，rsq通常为0.0100.020/。、即可算出结果。,串联电阻,金属半导体接触电阻：s是硅的介电常数，ND是掺杂浓度。大致上ND 1019/cm3时，RC将主要表现为隧道效应，并随着ND的增加迅速地下降。对于势垒高度在0.6V左右的金属材料，当硅的掺杂浓度在1020/cm3附近时，RC的数值大约为10-310-4cm2,串联电阻,扩散薄层电阻引起的串联电阻：为扩散层方块电阻；L为电池主焊接电极方向尺寸；W为电池细栅线方向尺寸；m为细栅线条数,串联电阻,基区体电阻：d为基区厚度，约等于硅基片厚度；地面
6、用太阳电池基片材料电阻率通常使用范围为0.5.cm,并联电阻,边缘漏电（刻蚀未完全、印刷漏浆）体内杂质和微观缺陷PN结局部短路（扩散结过浅、制绒角锥体 颗粒过大）,填充因子,FF和其他关键参数的关系：,其中,填充因子,填充因子还可定义为：填充因子FF与入射光谱光强、短路电流、开路电压、串联及并联电阻密切相关。,电池效率,输出功率与入射光功率之比为效率式中 包括栅线图形面积在内的太阳 能电池的总面积 单位面积入射光功率,温度对太阳电池的影响,电流温度系数：0.1%电压温度系数：-0.4%（-2.3mV/),曲线125曲线235,12,温度对太阳电池的影响,短路电流对温度变化的敏感度不大。开路电压会随温度显著变化，一般温度每升高1，Voc下降约0.4%。填充因子FF因Voc的关系，也会随着温度的上升而减小。输出功率和效率随温度升高而下降。对硅而言，温度高1，输出功率减少0.4%0.5%,光强对太阳电池的影响,1,2,曲线11个太阳曲线20.5个太阳,光强对太阳电池的影响,不同日照量下太阳能电池片的I-V曲线,电性能测试,光强：1000W/m2光谱分布：AM1.5电池温度：25,
