Aydavz新能源發(fā)電技術(shù)2 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)2

1、Aydavz2008 新能源發(fā)電技術(shù) 2_太陽能光伏發(fā)電 技術(shù) 2泰戈爾本文由 cipxjc0031 奉獻(xiàn)本文由 startingsky 奉獻(xiàn)ppt 文檔可能在 WAP 端掃瞄體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇 TXT ，或 下載源文件到本機查看。第 2章 章(2)2.2 太陽能電池工作原理 太陽能電池工作原理 2.2.1太陽能電池 太陽能電池 的物理基礎(chǔ) (1) 的物理基礎(chǔ) 固體能帶理論 * 固體能帶理論 * 能帶的形成 單個原子的 能級North China Electric Power University電力工程系Department of Electrical Engineering12.2.

2、1 太陽能電池的物理基礎(chǔ) 太陽能電池的物理基礎(chǔ) (2) 太陽能電 池的物理基礎(chǔ)固體能帶理論 * 固體能帶理論 *能帶的形成 晶體原子共有 化運動North China Electric Power University電力工程系Department of Electrical Engineering22.2.1 太陽能電池的物理基礎(chǔ) 太陽能電池的物理基礎(chǔ) (3) 太陽能電 池的物理基礎(chǔ)固體能帶理論 * 固體能帶理論 *能帶的形成N個原子形成 個能級 個原子形成2N個能級 個原子 形成 能帶 允帶 禁帶又稱能隙North China Electric Power University電力工程系D

3、epartment of Electrical Engineering32.2.1太陽能電池的物理基礎(chǔ) 太陽能電池的物理基礎(chǔ) (4) 太陽能電 池的物理基礎(chǔ)固體能帶理論 * 固體能帶理論 *能帶的形成 導(dǎo)帶: 導(dǎo)帶:未被電子填滿的能帶或空能帶滿帶或價帶: 滿帶或價帶 :已被電子填滿的能帶 滿帶中的電子在外界電場作用下不 能移動 , 滿帶中的電子在外界電場作用下不能移動 , 不起導(dǎo)電作用North China Electric Power University電力工程系Department of Electrical Engineering42.2.1太陽能電池的物理基礎(chǔ) 太陽能電池的物理基礎(chǔ)

4、(5) 太陽能電 池的物理基礎(chǔ)固體能帶理論 * 固體能帶理論 *金屬, 金屬 ,絕緣體和半導(dǎo)體 導(dǎo)體能帶分布圖 絕緣體能帶分布除 非外電場相當(dāng)強 , 絕緣體能帶分布除非外電場相當(dāng)強 , 否則不 能使電子 獲得足夠能量從滿帶躍遷到空帶 . 能使電子獲得足夠能量從滿帶躍遷到空 帶 . 在常溫下 , 在常溫下 , 滿帶中少數(shù)電子在熱激發(fā)下能夠 越過禁帶躍遷 到空帶中去 , 越過禁帶躍遷到空帶中去 , 這時半導(dǎo)體具有 一定的導(dǎo)電性 . 一定的導(dǎo)電性 .North China Electric Power University金屬Department of Electrical Engineering電

5、 力 工 絕緣體程系半導(dǎo)體52.2.1 太陽能電池的物理基礎(chǔ) 太陽能電池的物理基礎(chǔ) (6) 太陽能電 池的物理基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體和參雜半導(dǎo)體 * 本征半導(dǎo)體和參雜半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體 : 元素半導(dǎo)體 :由同一種原子組成的半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體 : 化合物半導(dǎo)體 :由兩種以上原子組成的半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 : 本征半導(dǎo)體 :絕對純的沒有缺陷的半導(dǎo)體本征載流子濃度 n 本征硅中的電子濃度本征硅中的電子濃度 n 等于空 本征載流子濃度 i: 本征硅中的電子濃度 等 于空穴濃度p,稱為本征載流子濃度n穴濃度，稱為本征載流子濃度i. ni 隨溫度升高而增加 ,室溫時硅的 i 為 1010/cm3 隨溫度升高而增加 ,室

6、溫時硅 的nNorth China Electric Power University電力工程系Department of Electrical Engineering62.2.1太陽能電池的物理基礎(chǔ) 太陽能電池的物理基礎(chǔ) (7) 太陽能電 池的物理基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體和參雜半導(dǎo)體 * 本征半導(dǎo)體和參雜半導(dǎo)體n 型半導(dǎo)體 :硅晶體中摻入少量 型半導(dǎo)體 : 型半導(dǎo)體 五價元素磷 或砷原子 或砷原子 . 五價元素磷 或砷原子 . 磷或砷 原子稱為施主 . 原子 稱為施主 . 這種雜質(zhì)半導(dǎo) 體要緊靠施主能級激發(fā)到導(dǎo)帶 中去的電子來導(dǎo) 電, 中去的電子來導(dǎo)電 , 稱為電子 型半導(dǎo)體或 n 型半導(dǎo)體 型半導(dǎo)體

7、 . 型 半導(dǎo)體或 型半導(dǎo)體 . p 型半導(dǎo)體 :硅晶體中摻入少量 型半導(dǎo)體 : 型半導(dǎo)體 三價硼原子 原子. 三價硼原子 .硼原子稱為受主 .這種雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機 構(gòu) 要緊取決于滿帶空穴運動 , 要緊取決于滿帶空穴運動 , 故 稱空穴半導(dǎo)體 或 p 型半導(dǎo)體 型半導(dǎo)體 . 稱空穴半導(dǎo)體或 型半導(dǎo)體 .North China Electric Power University電力工程系Department of Electrical Engineering72.2.1 太陽能電池的物理基礎(chǔ) 太陽能電池的物理基礎(chǔ) (8) 太陽能電 池的物理基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體和參雜半導(dǎo)體 * 本征半導(dǎo)體和參雜半導(dǎo)體

8、n型半導(dǎo)體：施主濃度為D , nND ,電子濃度型半導(dǎo)體：施 主濃度為N型半導(dǎo)體 遠(yuǎn)大于空穴濃度，電子為多數(shù)載流子稱為多子，遠(yuǎn) 大于空穴濃度 ,電子為多數(shù)載流子稱為多子 , 空穴稱為少子 . 空穴稱為少子 .p型半導(dǎo)體：受主濃度為 A,pNA .電子少子 型半導(dǎo)體：電子少子，型半 導(dǎo)體 受主濃度為NA,空穴多子 同時存在施主和受主雜質(zhì)時 nnND- N A(NDNA) ppNA- ND(NAND)North China Electric Power University電 力 工 程 系Department of Electrical Engineering82.2.1 太陽能電池的物理基礎(chǔ)

9、太陽能電池的物理基礎(chǔ) (9) 太陽能電 池的物理基礎(chǔ)載流子濃度和費米能級半導(dǎo)體平穩(wěn)判據(jù)np = N c N v e( Ec Ev ) / kT= Nc N veE g / kT=n2 i溫度升高時 ,費米能級向本征費米能級靠近 , 溫度升高時 ,費米能級 向本征費米能級靠近 , 電子和空穴濃度持續(xù)增加 ,不論 P 型硅依舊 型硅依舊 N 型 電子和空穴濃度持續(xù)增加 ,不論 型硅依舊 型 在溫度專門高時都會變 成本征硅 , 硅,在溫度專門高時都會變成本征硅 , 電子濃度 n 等于空穴濃度. 等于空穴濃度 p. 等于空穴濃度North China Electric Power University

10、電力工程系Department of Electrical Engineering92.2.1 太陽能電池的物理基礎(chǔ) 太陽能電池的物理基礎(chǔ) (10) 太陽能 電池的物理基礎(chǔ)電子和空穴的運輸漂移和擴散 :引起電子和空穴發(fā)生凈位移 , 漂移和擴散 :引起電子和 空穴發(fā)生凈位移 ,即產(chǎn) 生電子和空穴的運輸 , 生電子和空穴的運輸 , 外電場 引起漂移 載流子濃度差引起擴散 引起漂移 , 外電場引起漂移 ,載流子濃度 差引起擴散 半導(dǎo)體在外電場的作用下 , 半導(dǎo)體在外電場的作用下 ,在載流 子的熱運動上 疊加的一個速度為漂移速度 在同一電場時 , 在同一電場時 , 電子漂移的速度比空穴快產(chǎn)生與復(fù)合產(chǎn)生

11、-輸運 -復(fù)合過程,反映了包括太陽能 產(chǎn)生-輸運-復(fù)合過程, 電池在內(nèi)的大多數(shù)半導(dǎo)體器件工作過程 , 電池在內(nèi)的大多數(shù)半導(dǎo)體器件工 作過程 ,關(guān)于分 析太陽能電池的工作性能專門重要 . 析太陽能電池的工作 性能專門重要 .North China Electric Power University電力工程系Department of Electrical Engineering102.2.1 太陽能電池的物理基礎(chǔ) 太陽能電池的物理基礎(chǔ) (11) 太陽能 電池的物理基礎(chǔ)產(chǎn)生與復(fù)合 * 產(chǎn)生與復(fù)合產(chǎn)生熱平穩(wěn)狀態(tài)下的 型半導(dǎo)體必須滿足 型半導(dǎo)體必須滿足 n 熱平穩(wěn) 狀態(tài)下的 N 型半導(dǎo)體必須滿足 n0

12、pn0=ni2 非平穩(wěn)載流子或過剩載流子 :受 到光照時 , 非平穩(wěn)載流子或過剩載流子 :受到光照時 ,價帶中的 電子吸取光 子中的能量躍遷進入導(dǎo)帶 , 電子吸取光子中的能量躍遷進入導(dǎo)帶 ,在價帶中 留下 等兩空穴 .這些多于平穩(wěn)濃度的光生電子和空穴叫非 等兩空穴 .這些 多于平穩(wěn)濃度的光生電子和空穴叫非 平穩(wěn)載流子或過剩載流子 . 平穩(wěn)載流 子或過剩載流子 . 載流子的注入 : 載流子的注入 :這種由于外界條件的改變 而使半導(dǎo)體 產(chǎn)生非平穩(wěn)載流子的過程 ,稱為載流子的注入 載流子的注入 , 產(chǎn)生非平穩(wěn)載流子的過程 ,稱為載流子的注入 ,簡稱 注入或激發(fā) .有光注入 , 熱注入電注入等 . 注

13、入或激發(fā) .有光注入 ,熱注入電注入等 . 載流子的抽取 : 載流子的抽取 :半導(dǎo)體載流子濃度積小于平穩(wěn)載流子 濃度積的情形 . 濃度 積的情形.大注入 : 大注入 : nnpn nn0pn0=ni2 小注入: 小注入 :nnpn nn0 pn0=ni2North China Electric Power University電力工程系Department of Electrical Engineering112.2.1 太陽能電池的物理基礎(chǔ) 太陽能電池的物理基礎(chǔ) (12) 太陽能 電池的物理基礎(chǔ)產(chǎn)生與復(fù)合 * 產(chǎn)生與復(fù)合復(fù)合 載流子濃度偏離了其平穩(wěn)值時 , 載流子濃度偏離了其平穩(wěn)值 時 ,

14、它們就有恢 復(fù)平穩(wěn)的傾向 , 在注入的情形 , 復(fù)平穩(wěn)的傾向 , 在注入 的情形 , 復(fù)原平穩(wěn)是 靠復(fù)合來實現(xiàn)的 , 在抽取的情形 , 靠復(fù)合來實現(xiàn)的 , 在抽取的情形 , 則靠載流 子的產(chǎn)生來實現(xiàn) . 子的產(chǎn)生來實現(xiàn) . 復(fù)合與產(chǎn) 生互為逆過程 , 產(chǎn)生時吸取能量 , 復(fù)合與產(chǎn)生互為逆過程 , 產(chǎn)生時吸取能 量 , 復(fù)合時開釋能量 . 表現(xiàn)為放出光子 , 復(fù)合時開釋能量 . 表現(xiàn)為放出光 子 , 聲子和 傳遞能量給其它載流子 . 傳遞能量給其它載流子 . 3 種復(fù)合機 構(gòu) :直截了當(dāng)復(fù)合 ,通過復(fù)合中心復(fù)合 種復(fù)合機構(gòu) : 種復(fù)合機構(gòu) 直截了當(dāng)復(fù) 合 , ,表面復(fù)合North China E

15、lectric Power University電力工程系Department of Electrical Engineering122.2.2 太陽能電池材料的光學(xué)特性 太陽能電池材料的光學(xué)特性 （1） 太陽能電池材料的光學(xué)特性半導(dǎo)體對光的吸取吸取定律垂直入射光I反射率，垂直入射光0,反射率R,吸取系 數(shù)a距離前表面X處光譜輻照度：處光譜輻照度：I距離前表面處光譜輻 照度：x=l0（1-R）e- a x本征吸取和非本征吸取 本征吸?。河捎陔娮釉谀軒?間躍遷由價帶到導(dǎo) 本征吸取 ：由于電子在能帶間躍遷由價帶到導(dǎo) 帶而形成 導(dǎo)電的自由電子和空穴的吸取過程 , 帶而形成導(dǎo)電的自由電子和空穴的吸 取

16、過程,即 半導(dǎo)體本身原子對光的吸取 .產(chǎn)生電子 - 半導(dǎo)體本身原子對光的 吸取產(chǎn)生電子-空穴對 條件光子能量h .條件光子能量 V hv 0二Eg非本 征吸?。杭ぷ游?（電子空穴團 ） 非本征吸取 ：激子吸取 （電子空穴團 ）,自由 載 流子吸取 （多為紅外吸取 ） 載流子吸取 （多為紅外吸取 ）,雜質(zhì)吸取和晶格 振 動吸取. 振動吸取 .North China Electric Power University電 力 工 程 系Department of Electrical Engineering132.2.2 太陽能電池材料的光學(xué)特性 太陽能電池材料的光學(xué)特性 （2） 太陽能電池材料的

17、光學(xué)特性直截了當(dāng)材料和間接材料直截了當(dāng)躍遷 ：保持能量守恒和動量守恒 的躍遷 , 直截了當(dāng)躍遷 保持能量守恒和動量守恒的躍遷 , 例 ：保持 能量守恒和動量守恒的躍遷如砷化鎵,只有直截了當(dāng)躍遷能帶結(jié)構(gòu)的材料稱為直截了當(dāng)如砷化鎵, 材料. 材料 . 間接躍遷 :保持能量守恒但動量不守恒的躍遷:保持能量守恒但動量不守恒的躍遷 , 間接躍遷 :保持 能量守恒但動量不守恒 的躍遷 , 需 吸取聲子 ,例如硅, 需吸取聲子 ,例如硅 ,具有間接躍遷能帶結(jié)構(gòu)的材料稱為間接材料 . 料稱為間接材料 . 間接材料吸取太陽光能比直截了當(dāng)材料要求 更厚材料 強光照耀半導(dǎo)體后 ,較大濃度的上表面光生載流強光照耀半導(dǎo)

18、體后 , 子向背面擴散過程中 ,由于電子比空穴先達(dá)到背面子向背面擴散過程中 ,由于電子比空穴先達(dá)到背面而產(chǎn)生由上表面指向下表面的擴散電壓 .而產(chǎn)生由上表面指向下表面的擴散電壓 .North China Electric Power University丹倍效應(yīng)電力工程系Department of Electrical Engineering142.2.3 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 （1） 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 P-N 結(jié)的形成及內(nèi)建電場 結(jié)的形成及內(nèi)建電場 * 結(jié)的形成及內(nèi)建 電場North China Electric Power University電力工程系Department o

19、f Electrical Engineering152.2.3 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 （2） 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 P-N 結(jié)的形成及內(nèi)建電場 結(jié)的形成及內(nèi)建電場 * 結(jié)的形成及內(nèi) 建電場P型硅空穴多子濃度P,電子少子濃度p型硅:空穴多子）濃 度 電子 少子）濃度 型硅 空穴（多子 濃度 p 電子（少子 濃度 n N 型硅 電 子（多子 濃度nn,空穴 少子）濃度p型硅:電子 多子）濃度 空穴（少子 濃度 p 型硅 電子 多子 濃度 空穴 少子 濃度 擴散運動形成阻擋層或耗盡層 形成阻擋層或耗盡層 , 擴散運動形成阻擋層或耗盡層 ,也叫空間電荷區(qū) 形 成由N區(qū)指向 區(qū)的內(nèi)建電場 區(qū)指

20、向P區(qū)的內(nèi)建電場，阻擋載流子擴散 形 成由 區(qū)指向 區(qū)的內(nèi)建電場 阻擋載流子擴散 內(nèi)建電場與擴散運動形成平 穩(wěn), 內(nèi)建電場與擴散運動形成平穩(wěn) ,漂移電流等于擴 散電流 按照雜質(zhì)分布 能夠分為突變結(jié)和緩變結(jié) 按照雜質(zhì)分布能夠分為突變結(jié)和緩變結(jié) 緩變結(jié) 的雜質(zhì)濃度梯度小 , 緩變結(jié)的雜質(zhì)濃度梯度小 ,耗盡區(qū)比較寬 勢壘寬度即 是阻擋層寬度 UD 空間電荷區(qū) 兩端電動勢差 , 自建電壓 , 接觸 空間電 荷區(qū)兩端電動勢差 自建電壓 , 兩端電動勢差 , 電動勢差或 電動勢差或內(nèi) 建電動勢差North China Electric Power University電 力 工 程 系Department

21、 of Electrical Engineering162.2.3 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 (3) 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 反偏壓與正偏壓正偏：區(qū)接正 區(qū)接負(fù)，外加電壓U區(qū)接正,N區(qū)接負(fù) 正偏：P區(qū) 接正 區(qū)接負(fù) , 外加電壓 F 與內(nèi)建電 場 UD 相反為正向電壓 ,形成正向電 流. 相反為正向電壓 ,形成正向電流 . 反偏：加反向電壓 形成反向電流 , ：加 反向電壓 , 反偏 ：加反向電壓 , 形成反向電流 , 然而由于少 子數(shù)目少 ,反 向電流小 . 子數(shù)目少 ,反向電流小 .North China Electric Power University電 力 工 程 系Depart

22、ment of Electrical Engineering172.2.3 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 (4) 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 肖克萊方程 P-N 結(jié)電容 結(jié)電容 正向電流密度 J D = J 0 ( e qU AkT1)空間電荷區(qū)由于正負(fù)電荷的電偶層形成的電容 關(guān)于太陽能電池 發(fā)電沒有多大阻礙 用作信號轉(zhuǎn)換的時候 , 用作信號轉(zhuǎn)換的時候 ,阻礙頻率 特性North China Electric Power University電力工程系Department of Electrical Engineering182.2.3 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 （5） 同質(zhì)結(jié)太陽能電池

23、 硅太陽能電池的構(gòu)造和工作原理 * 硅太陽能電池的構(gòu)造和工作原 理North China Electric Power University電力工程系Department of Electrical Engineering192.2.3 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 （6） 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 硅太陽能電池的構(gòu)造和工作原理 * 硅太陽能電池的構(gòu)造和工作 原理 內(nèi)建電場（多子擴散作用）內(nèi)建電場（多子擴散作用）由N f P f 耗盡 區(qū)光生載流子 （ 電子空穴對 ） 耗盡區(qū)光生載流子 （ 電子空穴對 ） 被內(nèi)建 電場分離，空穴f 區(qū) 電子f 區(qū)先漂移后 電場分離，空穴f P區(qū)，電子f N 區(qū)先

24、漂移后 擴散N區(qū)或 區(qū)光生載流子（電子空穴對），先區(qū)或P區(qū)光生載 流子（電子空穴對）區(qū)或區(qū)光生載流子擴散后漂移，空穴f 區(qū)電子f 區(qū) 擴散后漂移，空穴f P區(qū)，電子f N區(qū)P區(qū)形成太陽能電池 區(qū)形成太陽 能電池（P-N結(jié)）正極,N區(qū)形成 正極，區(qū)形成 區(qū)形成太陽能電池 結(jié) 正極 負(fù)極電 力 工 程 系Department of Electrical EngineeringNorth China Electric Power University202.2.3 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 （7） 同質(zhì)結(jié)太陽能電池硅太陽能電池的構(gòu)造和工作原理*硅太陽能電池的構(gòu)造和工作原理North Chi

25、na Electric Power University電力工程系Department of Electrical Engineering212.2.3 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 (8) 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 光電流和光電壓 * 光電流和光電壓光電流 :光生載流子的定向運動 阻礙光電流的因素有 :光的反射 , 材料的吸 阻礙光電流的因素有 : 光的反射 , 光的反射 電池厚度 , 收 ,電池 厚度 ,光生載流子的實際產(chǎn)生率 太陽能電池的 N 區(qū) 耗盡區(qū)和 P 區(qū) 太陽能 電池的 區(qū) , 耗盡區(qū)和 區(qū) 都產(chǎn)生光生 載流子但其必須在復(fù)合之前越過耗 盡區(qū)才對 光電流有奉獻(xiàn) , 因此需要考慮復(fù)合 , 光電流有奉獻(xiàn) , 因此需要考 慮復(fù)合 , 擴散和 漂移等因素 . 漂移等因素 . 光電流密度 J 光電流密度 L (入)=Jn(入)+Jc(入)+ Jp(入)教材式(2-45)-(2-49)是描述太陽能電池工作狀 教材式 是描述太陽能電池工作狀 態(tài)的差不多方程 .平均參雜時簡化求解 為 (2-57)態(tài)的差不多方程 .平均參雜時簡化求解為 (2-59)North China