晶體硅太陽能電池基本原理

1、A Leading Technology Superior Quality 科技領(lǐng)先 品質(zhì)超然 深圳市捷佳偉創(chuàng)微電子設(shè)備有限公司 晶體硅太陽能電池基本原理 www.C 沈 富 生 PN結(jié)的形成 太陽能電池的等效電路 光電轉(zhuǎn)換原理 愛因斯坦劃時(shí)代的光電理論 主要參考文獻(xiàn) 半導(dǎo)體材料 愛因斯坦劃時(shí)代的光電理論 20世紀(jì)最偉大的兩個(gè)物理理論：相對論&量子力學(xué) 相對論（狹義相對論和廣義相對論） 一人的創(chuàng)作 量子力學(xué) 多人的集體創(chuàng)作（以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派，如玻恩、泡利 、海森堡、狄拉克等成員） 愛因斯坦劃時(shí)代的光電理論 狹義相對論（1905年發(fā)表） 光速不變，四維時(shí)空，否定經(jīng)典力學(xué)的絕對時(shí)空觀 。

2、E-MC2 物體跑得越快，則時(shí)間變得越慢，長度變得越短，重量變得越重 。 廣義相對論（1916年發(fā)表） 引力場，宇宙黑洞，宇宙的有限無界 愛因斯坦于1905年發(fā)表光量子論，提出光子假說 愛因斯坦公式：Dn=(kT/q)n Dh=(kT/q)h 愛因斯坦因?yàn)榻忉尮怆娦?yīng)方面的理論 而不是因?yàn)榘l(fā)表相對論獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)（1921年） 愛因斯坦劃時(shí)代的光電理論 諾貝爾委員會(huì)的錯(cuò)誤決定？ 諾貝爾委員會(huì)的正確決定！ 愛因斯坦劃時(shí)代的光電理論 半 導(dǎo) 體 材 料 固體材料按其導(dǎo)電性能可分為三類：絕緣體、 半導(dǎo)體及導(dǎo)體。 絕緣體：玻璃、橡膠、塑料、石英等 半導(dǎo)體：鍺、硅、砷化鎵、硫化鎘等 導(dǎo)體：金、銀、銅、

3、鋁、鉛、錫等 半導(dǎo)體的電阻率：10-4 10-7 歐姆米 半 導(dǎo) 體 材 料 1、熱敏 2、光敏 3、雜質(zhì) 4、其它特性（ 溫差電效應(yīng)，霍爾效應(yīng)， 發(fā)光效應(yīng)，光伏效應(yīng)，激光性能等） 半 導(dǎo) 體 材 料 Eg 半導(dǎo)體的能級(jí)/能帶 導(dǎo)帶 禁帶 滿帶 固體 原子 Si1.1eV 半 導(dǎo) 體 材 料 滿帶（允帶） ：被電子占滿的能帶 不導(dǎo)電 導(dǎo)帶（允帶） ：被電子部分占領(lǐng)的能帶 導(dǎo)電 禁帶：沒有被電子占領(lǐng)的能帶 價(jià)帶：處于滿帶頂?shù)哪軒?半 導(dǎo) 體 材 料 （a): 絕緣體 (b):半導(dǎo)體 (c):導(dǎo)體 半 導(dǎo) 體 材 料 半導(dǎo)體除了導(dǎo)電中的電子導(dǎo)電，還有價(jià)帶上空穴的導(dǎo)電 半 導(dǎo) 體 材 料 硅晶體的特

4、點(diǎn)是原子之間 靠共有電子對連接在一 起。硅原子的4個(gè)價(jià)電子 和它相鄰的4個(gè)原子組成 4對共有電子對。這種共 有電子對就稱為“共價(jià) 鍵”。 S i +4+4 +4+4 共價(jià)鍵 共用電 子對 半 導(dǎo) 體 材 料 半導(dǎo)體的摻雜 一、本征半導(dǎo)體 電子和空穴（載流子） Si在300K：1.5x1010/cm3 二、摻雜半導(dǎo)體：少量的摻雜可極大地增加載流子濃度 （常溫時(shí)，Si：10-6 105） 1、N型半導(dǎo)體 2、P型半導(dǎo)體 半 導(dǎo) 體 材 料 1、N型半導(dǎo)體 在Si材料中摻入第V族元素 （P，As等） 多數(shù)載流子電子 少數(shù)載流子空穴 在Si材料中摻入第III族元素 （B, Al等） 多數(shù)載流子空隙 少

5、數(shù)載流子電子 2、P型半導(dǎo)體 多余 電子 空 鍵 接受 電子 空 穴 半 導(dǎo) 體 材 料 pn pqnq 1 )( 1 pn i q n n nq 1 p pq 1 電阻率與雜質(zhì)濃度有如下關(guān)系： 本征半導(dǎo)體： P型半導(dǎo)體： N型半導(dǎo)體： 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 因濃度差，載流子沿濃度梯度由高濃度向低濃度方向 的運(yùn)動(dòng)。 漂移運(yùn)動(dòng) 受電場力的驅(qū)使，載流子沿由高電勢向低電勢方向的 運(yùn)動(dòng) PN結(jié)的形成 np npnp PN結(jié)的形成 N區(qū)：高濃度電子向低濃度P區(qū)擴(kuò)散 P區(qū)：高濃度空穴向低濃度N區(qū)擴(kuò)散 N區(qū)：電子是多子，空穴是少子。 P區(qū)：空穴是多子，電子是少子。 N區(qū)：電子（帶負(fù)電）移動(dòng)后留下正電荷 P區(qū)：空穴（帶正

6、電）移動(dòng)后留下負(fù)電荷 以上為多數(shù)載流子由高濃度向低濃度區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的過程 np npnp 電場方向由N區(qū)指向P區(qū) PN結(jié)的形成 npnp N區(qū)：多子即電子被由N區(qū)指向P區(qū)的電場阻擋無法向P區(qū)做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)， 少子即空穴在由N區(qū)指向P區(qū)的電場驅(qū)動(dòng)下向P區(qū)做漂移運(yùn)動(dòng)。 電場方向由N區(qū)指向P區(qū)電場方向由N區(qū)指向P區(qū) P區(qū)：多子即空穴被由N區(qū)指向P區(qū)的電場阻擋無法向N區(qū)做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)， 少子即電子在由N區(qū)指向P區(qū)的電場驅(qū)動(dòng)下向N區(qū)做漂移運(yùn)動(dòng)。 以上為少數(shù)載流子由電場力驅(qū)動(dòng)做漂移運(yùn)動(dòng)的過程 PN結(jié)的形成 空間電荷區(qū)即內(nèi)建電場（勢壘區(qū)、阻擋層）：阻礙多數(shù)載流子做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)少數(shù)載流子做漂移運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移動(dòng)

7、最終達(dá)到平衡，即擴(kuò)散電流=漂移電流，此時(shí)建立了空間電荷區(qū)。 平衡載流子 )exp( 0 KT EE nn iF i )exp( 0 KT EE np Fi i 處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載流子濃度 是一定的，這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平 衡載流子濃度。 n0 p0= ni2 PN結(jié)的形成 光電轉(zhuǎn)換過程 太陽能電池發(fā)電要求： 1、必須有光的照射，可以是太陽光、單色光或模擬光。 2、光子注入到半導(dǎo)體后激發(fā)出電子、空穴對，此對電子空穴 必須有足夠長的壽命，確保在分離前不會(huì)復(fù)合消失； 3、必須有一個(gè)靜電場，使電子、空穴分離； 4、必須有電極分別收集電子和空穴輸出到電池體外形成電

8、流 。 光電轉(zhuǎn)換過程 非平衡載流子（光照產(chǎn)生非平衡載流子） 光電轉(zhuǎn)換過程 非平衡載流子平均生存的時(shí)間稱為非平衡載流子的壽命。 由于相對于非平衡多數(shù)載流子，非平衡少數(shù)載流子的影響處 于主導(dǎo)地位，因而非平衡載流子的壽命（常稱為少數(shù)載流子 壽命，簡稱少子壽命）被用來衡量材料的質(zhì)量。 非平衡載流子（光照產(chǎn)生非平衡載流子） 光電轉(zhuǎn)換過程 處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度也不再是n0和p0， 可以比他們多出一部分，多出這部分載流子稱為非平衡載流子， 用n和p 表示。 光電轉(zhuǎn)換過程 t eptp 0 )()( t e p tp 0 )( )( 即此時(shí)就是材料的少子壽命 少子壽命 當(dāng) 時(shí) 光電轉(zhuǎn)換過程 光

9、電轉(zhuǎn)換過程 PN結(jié)加正向偏壓 即P區(qū)接電源正極， N區(qū)接電源負(fù)極 空間電荷區(qū)的寬度減小，勢壘高度從 qVD下降為q（VD-V） 光電轉(zhuǎn)換過程 PN結(jié)加反向偏壓 即P區(qū)接電源負(fù)極， N區(qū)接電源正極 空間電荷區(qū)的寬度減小，勢壘高度從 qVD增大為q（VD+V） 光電轉(zhuǎn)換過程 P-N結(jié)的I-V特性 Shockley 方程： Id =I0exp(qV/kT)-1 特點(diǎn)：單向?qū)щ娦?DP iP An in NL nqD NL nqD A I 22 0 光電轉(zhuǎn)換的三個(gè)物理過程 1、吸收光能激發(fā)出非平衡電子一空穴對 2、非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢場區(qū)運(yùn)動(dòng) 3、非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反

10、方向運(yùn)動(dòng) 而分離 光生電流的方向相當(dāng)于普通二極管的反向電流的方向。 光照使PN結(jié)勢壘降低等效于PN結(jié)外加正向偏壓，形成正 向注入電流。這個(gè)電流的方向與光生電流剛好相反，是太 陽電池中的不利因素。 光電轉(zhuǎn)換過程 光電轉(zhuǎn)換過程 V I IL V I IL 太陽電池的等效電路 重要參數(shù) 1、短路電流（Isc）， 2、開路電壓（Voc）， 3、填充因子（FF）， 4、轉(zhuǎn)換效率（） 5、串聯(lián)電阻（RS） 6、并聯(lián)電阻（RSH） 輸出功率：功率=Isc*Voc*FF 最大工作電流（Im）， 最大工作電壓（Vm）， 理想PN結(jié)特性： 太陽電池的等效電路 1 0 eIIIII KTqv LDL 1 0I II

11、 l L n q kT V IIscL I ISC RS = 0 RSH = RLOAD 太陽電池的等效電路 1、短路電流ISC： 當(dāng)V=0,即短路情況下: （最大光生電流） IIscL I IIscL I 1 0 eIIIII KTqv LDL I = ISC R = 0 太陽電池的等效電路 2、開路電壓VOC： IIscL I 1 0I I lV L noc q KT DP iP An in NL nqD NL nqD A I 22 0 當(dāng)I=0,即開路情況下: 最高輸出暗電流 1 0I II l L n q kT V I = 0 R = + _ V = VOC 太陽電池的等效電路 3、填

12、充因子FF： 是輸出特性曲線“方形”程度的量 度 最佳工作點(diǎn)，負(fù)載匹配。 最大輸出功率點(diǎn)所對應(yīng)的面積在ISC 和VOC所組成的面積中的百分比。 IIscL I scoc m scoc mpmp IV P IV VI FF 4、轉(zhuǎn)換效率 ： 表示為有多少光能轉(zhuǎn)換為電能。 太陽電池的等效電路 IIscL I in mpmp in P VI P P max scoc m scoc mpmp IV P IV VI FF in scoc P IFFV 填充因子正好是I-V曲線下最大長方形面積與乘積VocIsc 之比，所以轉(zhuǎn)換效率可表示為 5、串聯(lián)電阻RS： 太陽電池的等效電路 IIscL I 串聯(lián)電阻RS =金屬條的電阻（柵線電阻）+頂層的橫向電阻+ PN結(jié)耗盡層電阻+接觸電阻（兩面） +基區(qū)電阻 ISC VOC RS 6、并聯(lián)電阻RSH： 也被稱為旁路電阻或漏電電阻 是PN結(jié)形成不完全的部分 太陽電池的等效電路 IIscL I ISC VOC RSH 太陽電池的實(shí)際等效電路