新能源發(fā)電技術(shù)第7講 太陽能電池工作原理

1、第三章第三章 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)太陽能光伏發(fā)電技術(shù) 3.1.太陽能光伏發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 3.2 太陽能電池工作原理 3.3 太陽能電池制造工藝 3.4 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設備構(gòu)成 3.5 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng) 3.6 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 第二節(jié)第二節(jié) 太陽能電池工作原理 太陽能電池工作原理 基本原理基本原理 太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導體的光電太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導體的光電 效應，即一些半導體材料受到光照時，載流子效應，即一些半導體材料受到光照時，載流子 數(shù)量會劇增，導電能力隨之增強，這就是半導數(shù)量會劇增，導電能力隨之增強，這就是半導 體的光敏特性。體的光敏特性。 基本原理基本原理 n當太陽

2、光照射到半導體上時，其中一部分被表面反射當太陽光照射到半導體上時，其中一部分被表面反射 掉，其余部分被半導體吸收或透過。被吸收的光，當?shù)?，其余部分被半導體吸收或透過。被吸收的光，當 然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導體的原子然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導體的原子 價電子碰撞，于是產(chǎn)生電子價電子碰撞，于是產(chǎn)生電子空穴對。這樣，光能就空穴對。這樣，光能就 以產(chǎn)生電子以產(chǎn)生電子空穴對的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋？昭▽Φ男问睫D(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?基本原理基本原理 n如果半導體內(nèi)存在如果半導體內(nèi)存在pn結(jié)，則在結(jié)，則在p型和型和n型交界面兩型交界面兩 邊形成勢壘電場，能將電子驅(qū)向邊形成勢壘電場，能將電子驅(qū)向n

3、區(qū)，空穴驅(qū)向區(qū)，空穴驅(qū)向p區(qū)，區(qū)， 從而使得從而使得n區(qū)有過剩的電子，區(qū)有過剩的電子，p區(qū)有過剩的空穴，在區(qū)有過剩的空穴，在 pn結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反光的生電場。結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反光的生電場。 基本原理基本原理 n若分別在若分別在p型層和型層和n型層焊上金屬引線，接通負載，型層焊上金屬引線，接通負載， 則外電路便有電流通過。如此形成的一個個電池元件，則外電路便有電流通過。如此形成的一個個電池元件， 把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流， 輸出功率。輸出功率。 基本原理基本原理 基本原理基本原理 n制造太陽電池的半導體材

4、料已知的有十幾種，制造太陽電池的半導體材料已知的有十幾種， 因此太陽電池的種類也很多。目前，技術(shù)最成因此太陽電池的種類也很多。目前，技術(shù)最成 熟，并具有商業(yè)價值的太陽電池要算硅太陽電熟，并具有商業(yè)價值的太陽電池要算硅太陽電 池。下面我們以硅太陽能電池為例，詳細介紹池。下面我們以硅太陽能電池為例，詳細介紹 太陽能電池的工作原理。太陽能電池的工作原理。 一、太陽能電池的物理基礎一、太陽能電池的物理基礎 1、本征半導體、本征半導體 物質(zhì)的導電性能決定于原子結(jié)構(gòu)。導體一般為低價元物質(zhì)的導電性能決定于原子結(jié)構(gòu)。導體一般為低價元 素，它們的最外層電子極易掙脫原子核的束縛成為自由電素，它們的最外層電子極易掙

5、脫原子核的束縛成為自由電 子，在外電場的作用下產(chǎn)生定向移動，形成電流。高價元子，在外電場的作用下產(chǎn)生定向移動，形成電流。高價元 素（如惰性氣體）或高分子物質(zhì)（如橡膠），它們的最外素（如惰性氣體）或高分子物質(zhì)（如橡膠），它們的最外 層電子受原子核束縛力很強，很難成為自由電子，所以導層電子受原子核束縛力很強，很難成為自由電子，所以導 電性極差，成為絕緣體。常用的半導體材料硅（電性極差，成為絕緣體。常用的半導體材料硅（si）和鍺）和鍺 （ge）均為四價元素，它們的最外層電子既不像導體那）均為四價元素，它們的最外層電子既不像導體那 么容易掙脫原子核的束縛，也不像絕緣體那樣被原子核束么容易掙脫原子核的束

6、縛，也不像絕緣體那樣被原子核束 縛的那么緊，因而其導電性介于二者之間?？`的那么緊，因而其導電性介于二者之間。 1、本征半導體、本征半導體 定義：定義： 將純凈的半導體將純凈的半導體 經(jīng)過一定的工藝過程制經(jīng)過一定的工藝過程制 成單晶體，成單晶體， 即為即為本征半本征半 導體。導體。 晶體中的原子在空間形晶體中的原子在空間形 成排列整齊的成排列整齊的點陣，點陣，相相 鄰的原子鄰的原子 形成形成共價鍵。共價鍵。 共價鍵共價鍵 1、本征半導體、本征半導體 晶體中的共價鍵具有極強的結(jié)合力，因此，在常晶體中的共價鍵具有極強的結(jié)合力，因此，在常 溫下，僅有極少數(shù)的價電子由于熱運動（熱激發(fā)）獲溫下，僅有極少數(shù)

7、的價電子由于熱運動（熱激發(fā)）獲 得足夠的能量，從而掙脫共價鍵的束縛變成為自由電得足夠的能量，從而掙脫共價鍵的束縛變成為自由電 子。與此同時，在共價鍵中留下一個空穴。原子因失子。與此同時，在共價鍵中留下一個空穴。原子因失 掉一個價電子而帶正電，或者說空穴帶正電。在本征掉一個價電子而帶正電，或者說空穴帶正電。在本征 半導體中，自由電子與空穴是成對出現(xiàn)的，即自由電半導體中，自由電子與空穴是成對出現(xiàn)的，即自由電 子與空穴數(shù)目相等。子與空穴數(shù)目相等。 1、本征半導體、本征半導體 本征激發(fā)本征激發(fā): 半導體在半導體在 光照或熱輻射激發(fā)光照或熱輻射激發(fā) 下產(chǎn)生自由電子和下產(chǎn)生自由電子和 空穴對的現(xiàn)象稱為空穴

8、對的現(xiàn)象稱為 本征激發(fā)本征激發(fā)。 空穴空穴 自由自由 電子電子 1、本征半導體、本征半導體 復合復合: 自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就 會填補空穴，使兩者同時消失，這種現(xiàn)象稱為會填補空穴，使兩者同時消失，這種現(xiàn)象稱為復合。復合。 在一定的溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與在一定的溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與 空穴對，與復合的自由電子和空穴對數(shù)目相等，故達空穴對，與復合的自由電子和空穴對數(shù)目相等，故達 到到動態(tài)平衡。動態(tài)平衡。 1、本征半導體、本征半導體 能帶理論：能帶理論： n單個原子中的電子在繞核運單個原子中的電子在繞核運 動時，在各個軌道

9、上的電子動時，在各個軌道上的電子 都各自具有特定的能量；都各自具有特定的能量； n越靠近核的軌道，電子能量越靠近核的軌道，電子能量 越低；越低； n根據(jù)能量最小原理電子總是根據(jù)能量最小原理電子總是 優(yōu)先占有最低能級；優(yōu)先占有最低能級； 能帶理論解釋本征激發(fā)能帶理論解釋本征激發(fā) 1、本征半導體、本征半導體 能帶理論：能帶理論： n價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶；價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶； n價帶的上面有一個禁帶，禁帶中不存在為電子所占據(jù)價帶的上面有一個禁帶，禁帶中不存在為電子所占據(jù) 的能級；的能級； n禁帶之上則為導帶，導帶中的能級就是價電子掙脫共禁帶之上則為導帶，導帶中的能級就是價電子掙脫共 價

10、鍵束縛而成為自由電子所能占據(jù)的能級；價鍵束縛而成為自由電子所能占據(jù)的能級； n禁帶寬度用禁帶寬度用eg表示，其值與半導體的材料及其所處的表示，其值與半導體的材料及其所處的 溫度等因素有關(guān)。溫度等因素有關(guān)。 t=300k時，硅的eg=1.1ev；鍺的eg=0.72ev。 2、雜質(zhì)半導體、雜質(zhì)半導體 雜質(zhì)半導體：雜質(zhì)半導體：通過擴散工藝，在本征半導體中摻入少通過擴散工藝，在本征半導體中摻入少 量雜質(zhì)元素，便可得到量雜質(zhì)元素，便可得到雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體。 按摻入的雜質(zhì)元素不用，可形成按摻入的雜質(zhì)元素不用，可形成n型半導體型半導體和和p型型 半導體半導體；控制摻入雜質(zhì)元素的濃度，就可控制雜質(zhì)半；控制

11、摻入雜質(zhì)元素的濃度，就可控制雜質(zhì)半 導體的導電性能導體的導電性能。 2、雜質(zhì)半導體、雜質(zhì)半導體 n型半導體：型半導體： 在純凈在純凈 的硅晶體中摻入五價的硅晶體中摻入五價 元素（如磷），使之元素（如磷），使之 取代晶格中硅原子的取代晶格中硅原子的 位置，就形成了位置，就形成了n型半型半 導體。導體。 自由自由 電子電子 施主施主 原子原子 2、雜質(zhì)半導體、雜質(zhì)半導體 由于雜質(zhì)原子的最外層有五個價電子，所以除了由于雜質(zhì)原子的最外層有五個價電子，所以除了 與其周圍硅原子形成共價鍵外，還多出一個電子。多與其周圍硅原子形成共價鍵外，還多出一個電子。多 出的電子不受共價鍵的束縛，成為自由電子。出的電子不

12、受共價鍵的束縛，成為自由電子。n型半型半 導體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，故稱導體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，故稱自由自由 電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。由于雜質(zhì)原由于雜質(zhì)原 子可以提供電子，故稱之為子可以提供電子，故稱之為施主原子。施主原子。 2、雜質(zhì)半導體、雜質(zhì)半導體 p型半導體：型半導體：在純凈在純凈 的硅晶體中摻入三的硅晶體中摻入三 價元素（如硼），價元素（如硼）， 使之取代晶格中硅使之取代晶格中硅 原子的位置，就形原子的位置，就形 成了成了p型半導體。型半導體。 空位空位 受主受主 原子原子 空穴空穴 2、雜質(zhì)半導體、雜質(zhì)半導體

13、由于雜質(zhì)原子的最外層有三個價電子，所以當它由于雜質(zhì)原子的最外層有三個價電子，所以當它 們與其周圍硅原子形成共價鍵時，就產(chǎn)生了一個們與其周圍硅原子形成共價鍵時，就產(chǎn)生了一個“空空 位位”，當硅原子的最外層電子填補此空位時，其共價，當硅原子的最外層電子填補此空位時，其共價 鍵中便產(chǎn)生一個空穴。因而鍵中便產(chǎn)生一個空穴。因而p型半導體中，型半導體中，空穴為多空穴為多 子，自由電子為少子。子，自由電子為少子。因雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，因雜質(zhì)原子中的空位吸收電子， 故稱之為故稱之為受主原子。受主原子。 3、pn結(jié)結(jié) pn結(jié)：結(jié)：采用不同的采用不同的 摻雜工藝，將摻雜工藝，將p型半型半 導體與導體與n型半

14、導體制型半導體制 作在同一塊硅片上，作在同一塊硅片上， 在它們的交界面就形在它們的交界面就形 成成pn結(jié)。結(jié)。 正離子正離子負離子負離子空穴空穴自由電子自由電子 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) p區(qū)區(qū)n區(qū)區(qū) n區(qū)區(qū)p區(qū)區(qū) 3、pn結(jié)結(jié) 擴散運動：擴散運動：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的 地方運動，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴地方運動，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴 散運動。散運動。 當把當把p型半導體和型半導體和n型半導體制作在一起時，型半導體制作在一起時， 在它們的交界面，兩種載流子的濃度差很大，因在它們的交界面，兩種載流子的濃度差很大，因 而而p區(qū)的空穴必然向

15、區(qū)的空穴必然向n區(qū)擴散，與此同時，區(qū)擴散，與此同時，n區(qū)的區(qū)的 自由電子也必然向自由電子也必然向p區(qū)擴散，如圖示。區(qū)擴散，如圖示。 3、pn結(jié)結(jié) 由于擴散到由于擴散到p區(qū)的自由電子與空穴復合，而擴散區(qū)的自由電子與空穴復合，而擴散 到到n區(qū)的空穴與自由電子復合，所以在交界面附近多區(qū)的空穴與自由電子復合，所以在交界面附近多 子的濃度下降，子的濃度下降，p區(qū)出現(xiàn)負離子區(qū)，區(qū)出現(xiàn)負離子區(qū)，n區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)， 它們是不能移動的，稱為它們是不能移動的，稱為空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)，從而形成，從而形成內(nèi)建內(nèi)建 電場電場。 隨著擴散運動的進行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)建電隨著擴散運動的進行，空間電荷區(qū)加

16、寬，內(nèi)建電 場增強，其方向由場增強，其方向由n區(qū)指向區(qū)指向p區(qū)，正好阻止擴散運動的區(qū)，正好阻止擴散運動的 進行。進行。 3、pn結(jié)結(jié) 漂移運動：漂移運動：在電場力作用下，載流子的運動稱為漂移在電場力作用下，載流子的運動稱為漂移 運動。運動。 當空間電荷區(qū)形成后，在內(nèi)建電場作用下，少子當空間電荷區(qū)形成后，在內(nèi)建電場作用下，少子 產(chǎn)生飄移運動，空穴從產(chǎn)生飄移運動，空穴從n區(qū)向區(qū)向p區(qū)運動，而自由電子從區(qū)運動，而自由電子從 p區(qū)向區(qū)向n區(qū)運動。區(qū)運動。 在無外電場和其它激發(fā)作用下，參在無外電場和其它激發(fā)作用下，參 與擴散運動的多子數(shù)目等于參與漂移運動的少子數(shù)目，與擴散運動的多子數(shù)目等于參與漂移運動的

17、少子數(shù)目， 從而達到動態(tài)平衡，形成從而達到動態(tài)平衡，形成pn結(jié)，結(jié)，如圖示。如圖示。 此時，空此時，空 間電荷區(qū)具有一定的寬度，電位差為間電荷區(qū)具有一定的寬度，電位差為 =uho，電流為，電流為 零。零。 二、太陽能電池工作原理二、太陽能電池工作原理 1、光生伏打效應、光生伏打效應: 太陽能電池能量轉(zhuǎn)換的基礎是半導體太陽能電池能量轉(zhuǎn)換的基礎是半導體pn結(jié)的光生伏打效應。結(jié)的光生伏打效應。 如前所述，當光照射到半導體光伏器件上時，如前所述，當光照射到半導體光伏器件上時，能量能量 大于硅禁帶寬度的光子大于硅禁帶寬度的光子穿過減反射膜進入硅中，穿過減反射膜進入硅中，在在n區(qū)、區(qū)、 耗盡區(qū)和耗盡區(qū)和p

18、區(qū)中激發(fā)出光生電子區(qū)中激發(fā)出光生電子-空穴對?？昭▽?。 耗盡區(qū)：耗盡區(qū)：光生電子光生電子-空穴對在耗盡區(qū)中產(chǎn)生后，立即空穴對在耗盡區(qū)中產(chǎn)生后，立即 被內(nèi)建電場分離，光生電子被送進被內(nèi)建電場分離，光生電子被送進n區(qū)，光生空穴則被推區(qū)，光生空穴則被推 進進p區(qū)。根據(jù)耗盡近似條件，耗盡區(qū)邊界處的載流子濃度區(qū)。根據(jù)耗盡近似條件，耗盡區(qū)邊界處的載流子濃度 近似為近似為0，即，即p=n=0。 1、光生伏打效應、光生伏打效應 內(nèi)建電場內(nèi)建電場 n區(qū)區(qū)p區(qū)區(qū) 1、光生伏打效應、光生伏打效應 在在n區(qū)中：區(qū)中：光生電子光生電子-空穴對產(chǎn)生以后，光生空穴便空穴對產(chǎn)生以后，光生空穴便 向向p-n結(jié)邊界擴散，一旦到達

19、結(jié)邊界擴散，一旦到達p-n結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)結(jié)邊界，便立即受到內(nèi) 建電場作用，被電場力牽引作漂移運動，越過耗盡區(qū)進入建電場作用，被電場力牽引作漂移運動，越過耗盡區(qū)進入 p區(qū)，光生電子（多子）則被留在區(qū)，光生電子（多子）則被留在n區(qū)。區(qū)。 在在p區(qū)中：區(qū)中：的光生電子（少子）同樣的先因為擴散、的光生電子（少子）同樣的先因為擴散、 后因為漂移而進入后因為漂移而進入n區(qū)，光生空穴（多子）留在區(qū)，光生空穴（多子）留在p區(qū)。如區(qū)。如 此便在此便在p-n結(jié)兩側(cè)形成了正、負電荷的積累，使結(jié)兩側(cè)形成了正、負電荷的積累，使n區(qū)儲存區(qū)儲存 了過剩的電子，了過剩的電子，p區(qū)有過剩的空穴。從而區(qū)有過剩的空穴。從而形

20、成與內(nèi)建電場形成與內(nèi)建電場 方向相反的光生電場。方向相反的光生電場。 1、光生伏打效應、光生伏打效應 p區(qū)區(qū) 光生電場光生電場 n區(qū)區(qū) 內(nèi)建電場內(nèi)建電場 1、光生伏打效應、光生伏打效應 n 光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使p區(qū)帶正區(qū)帶正 電，電，n區(qū)帶負電，在區(qū)帶負電，在n區(qū)和區(qū)和p區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢，區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢， 這就是這就是光生伏打效應光生伏打效應。當電池接上一負載后，光電流就從。當電池接上一負載后，光電流就從 p區(qū)經(jīng)負載流至區(qū)經(jīng)負載流至n區(qū)，負載中即得到功率輸出。區(qū)，負載中即得到功率輸出。 n如果將如果將p-n結(jié)兩端

21、開路，可以測得這個電動勢，稱之為結(jié)兩端開路，可以測得這個電動勢，稱之為開開 路電壓路電壓uoc。對晶體。對晶體硅電池硅電池來說，開路電壓的典型值為來說，開路電壓的典型值為 0.50.6v。 n如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比 的光電流流過，這個電流稱為的光電流流過，這個電流稱為短路電流短路電流isc。 1、光生伏打效應、光生伏打效應 影響光電流的因素：影響光電流的因素： n 通過光照在界面層產(chǎn)生的電子通過光照在界面層產(chǎn)生的電子-空穴對愈多，電流愈大?？昭▽τ?，電流愈大。 n界面層吸收的光能愈多，界面層即電池面積愈大，在太陽界

22、面層吸收的光能愈多，界面層即電池面積愈大，在太陽 電池中形成的電流也愈大。電池中形成的電流也愈大。 n太陽能電池的太陽能電池的n區(qū)、耗盡區(qū)和區(qū)、耗盡區(qū)和p區(qū)均能產(chǎn)生光生載流子；區(qū)均能產(chǎn)生光生載流子； n各區(qū)中的光生載流子必須在復合之前越過耗盡區(qū)，才能對各區(qū)中的光生載流子必須在復合之前越過耗盡區(qū)，才能對 光電流有貢獻，所以求解實際的光生電流必須考慮到各區(qū)光電流有貢獻，所以求解實際的光生電流必須考慮到各區(qū) 中的產(chǎn)生和復合、擴散和漂移等各種因素。中的產(chǎn)生和復合、擴散和漂移等各種因素。 2、太陽能電池材料的光學性、太陽能電池材料的光學性 質(zhì)質(zhì) 太陽能電池的光學性質(zhì)，常常決定著太陽能電池的極限效率，太陽

23、能電池的光學性質(zhì)，常常決定著太陽能電池的極限效率， 而且也是工藝設計的依據(jù)。而且也是工藝設計的依據(jù)。 吸收定律吸收定律 當一束光譜輻照度為當一束光譜輻照度為i0的光正交入射到半導體表面上的光正交入射到半導體表面上 時，扣除反射后，進入半導體的光譜輻照度為時，扣除反射后，進入半導體的光譜輻照度為i0(1-r)，在，在 半導體內(nèi)離前表面距離為半導體內(nèi)離前表面距離為x處的光譜輻照度處的光譜輻照度ix由吸收定律由吸收定律 決定：決定： 吸收定律吸收定律 x x erii )1 ( 0 進入半導體的光到達進入半導體的光到達x 處的光譜輻照度。處的光譜輻照度。 反射率反射率 吸收吸收 系數(shù)系數(shù) d er

24、i i t 2 0 2 )1 ( 吸收定律吸收定律: 當薄片厚度為當薄片厚度為d時，我時，我 們可以得到關(guān)于透射率更們可以得到關(guān)于透射率更 完整的近似表達式。完整的近似表達式。 單晶硅、砷化鎵和一些重要單晶硅、砷化鎵和一些重要 太陽能電池材料的吸收系數(shù)太陽能電池材料的吸收系數(shù) 與波長的關(guān)系如圖所示。與波長的關(guān)系如圖所示。 2、太陽能電池材料的光學性質(zhì)、太陽能電池材料的光學性質(zhì) 本征吸收本征吸收 在原子圖像中，硅的本征吸收可以理解為一個硅在原子圖像中，硅的本征吸收可以理解為一個硅 原子吸收一個光子后受到激發(fā)，使得一個共價電子原子吸收一個光子后受到激發(fā)，使得一個共價電子 變成了自由電子，同時在共價

25、鍵斷裂處留下一個空變成了自由電子，同時在共價鍵斷裂處留下一個空 穴。穴。 實驗發(fā)現(xiàn)，只有那些實驗發(fā)現(xiàn)，只有那些 大于禁帶寬度大于禁帶寬度eg的光子，的光子， 才能產(chǎn)生本征吸收。才能產(chǎn)生本征吸收。 h 本征吸收本征吸收 顯然入射光子必須滿足顯然入射光子必須滿足 g ehh 0 g e hchc 0 或或 式中式中 -剛好能產(chǎn)生本征吸收的光的頻率剛好能產(chǎn)生本征吸收的光的頻率（頻率吸限）；（頻率吸限）； -剛好能產(chǎn)生本征吸收的光的波長剛好能產(chǎn)生本征吸收的光的波長（波長吸收限）。（波長吸收限）。 0 0 可以認為，硅對于波長大于可以認為，硅對于波長大于1.15m的紅外光是透明的。的紅外光是透明的。 3

26、、太陽能電池等效電路、輸出功率和填充因數(shù)、太陽能電池等效電路、輸出功率和填充因數(shù) 等效電路等效電路 為了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負為了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負 載系統(tǒng)用一個等效電路來模擬。載系統(tǒng)用一個等效電路來模擬。 不考慮串聯(lián)電阻不考慮串聯(lián)電阻 考慮串聯(lián)電阻考慮串聯(lián)電阻 p-n同質(zhì)結(jié)太陽能電池等效電路同質(zhì)結(jié)太陽能電池等效電路 等效電路等效電路 n恒流源恒流源: 在恒定光照下，一個處于工作狀態(tài)的太陽電在恒定光照下，一個處于工作狀態(tài)的太陽電 池，其光電流不隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中可池，其光電流不隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中可 把它看做是恒流源。把它看做是恒流源。 n暗電

27、流暗電流ibk : 光電流一部分流經(jīng)負載光電流一部分流經(jīng)負載rl，在負載兩端，在負載兩端 建立起端電壓建立起端電壓u，反過來，它又正向偏置于，反過來，它又正向偏置于pn結(jié)，引結(jié)，引 起一股與光電流方向相反的暗電流起一股與光電流方向相反的暗電流ibk。 。 n這樣，一個理想的這樣，一個理想的pn同質(zhì)結(jié)太陽能電池的等效電路同質(zhì)結(jié)太陽能電池的等效電路 就被繪制成如圖所示。就被繪制成如圖所示。 等效電路等效電路 n串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻rs: 由于前面和背面的電極接觸，以及材由于前面和背面的電極接觸，以及材 料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免地料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免地 要引入

28、附加電阻。流經(jīng)負載的電流經(jīng)過它們時，必然要引入附加電阻。流經(jīng)負載的電流經(jīng)過它們時，必然 引起損耗。在等效電路中，可將它們的總效果用一個引起損耗。在等效電路中，可將它們的總效果用一個 串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻rs來表示。來表示。 n并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻rsh 由于電池邊沿的漏電和制作金屬化電由于電池邊沿的漏電和制作金屬化電 極時在微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一極時在微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一 部分本應通過負載的電流短路，這種作用的大小可用部分本應通過負載的電流短路，這種作用的大小可用 一個并聯(lián)電阻一個并聯(lián)電阻rsh來等效。來等效。 輸出功率輸出功率 當流進負載當流進負載rl的電流為的

29、電流為i，負載，負載rl的端電壓為的端電壓為u時，可得：時，可得： sh ls aktiruq lshbkl r rri eiiiiii s )( ) 1( / )( 0 l iru l sh ls aktiruq l sh ls aktiruq l r r rri eii u r rri eiiiup s s 2 / 0 / 0 )( ) 1( )( 1 式中的式中的p就是太陽能電池被照射時在負載就是太陽能電池被照射時在負載rl上得到的輸出功率。上得到的輸出功率。 輸出功率輸出功率 當負載當負載rl從從0變到無窮變到無窮 大時，輸出電壓大時，輸出電壓u則從則從0變變 到到u0c，同時輸出電流

30、便從，同時輸出電流便從 isc變到變到0，由此即可畫出，由此即可畫出 太陽能電池的負載特性曲太陽能電池的負載特性曲 線。曲線上的任一點都稱線。曲線上的任一點都稱 為工作點，工作點和原點為工作點，工作點和原點 的連線稱為負載線，負載的連線稱為負載線，負載 線的斜率的倒數(shù)即等于線的斜率的倒數(shù)即等于rl， 與工作點對應的橫、縱坐與工作點對應的橫、縱坐 標即為工作電壓和工作電標即為工作電壓和工作電 流。流。 輸出功率輸出功率 調(diào)節(jié)負載電阻調(diào)節(jié)負載電阻rl到某一值到某一值rm時，在曲線上得到時，在曲線上得到 一點一點m，對應的工作電流，對應的工作電流im和工作電壓和工作電壓um之積最大，之積最大， 即：

31、即： pm=imum 一般稱一般稱m點為該太陽能電池的最佳工作點（或稱點為該太陽能電池的最佳工作點（或稱 最大功率點），最大功率點），im為最佳工作電流，為最佳工作電流，um為最佳工作電為最佳工作電 壓，壓，rm為最佳負載電阻，為最佳負載電阻，pm為最大輸出功率。為最大輸出功率。 填充因數(shù)填充因數(shù) n最大輸出功率與（最大輸出功率與（uocisc）之比稱為填充因數(shù)（）之比稱為填充因數(shù)（ff），）， 這是用以衡量太陽能電池輸出特性好壞的重要指標之一。這是用以衡量太陽能電池輸出特性好壞的重要指標之一。 n填充因數(shù)表征太陽能電池的優(yōu)劣，在一定光譜輻照度下，填充因數(shù)表征太陽能電池的優(yōu)劣，在一定光譜輻照度

32、下， ff愈大，曲線愈愈大，曲線愈“方方”，輸出功率也愈高。，輸出功率也愈高。 scoc mm scoc m iu iu iu p ff 4、太陽能電池的效率、影響效率的因素、太陽能電池的效率、影響效率的因素 太陽能電池的效率太陽能電池的效率: 太陽能電池受照射時，輸出電功率與入射光功率之比太陽能電池受照射時，輸出電功率與入射光功率之比 稱為太陽能電池的效率，也稱光電轉(zhuǎn)換效率。一般指外稱為太陽能電池的效率，也稱光電轉(zhuǎn)換效率。一般指外 電路連接最佳負載電阻電路連接最佳負載電阻rl時的最大能量轉(zhuǎn)換效率。時的最大能量轉(zhuǎn)換效率。 0 )()( d hc a uiff pa uiff pa ui pa

33、p t ocsc int ocsc int mm int m 式中式中 at包括柵線圖形面積在內(nèi)的太陽能電池總面積包括柵線圖形面積在內(nèi)的太陽能電池總面積 d hc p in 0 -單位面積入射光功率單位面積入射光功率 太陽能電池的效率太陽能電池的效率: n在上式中，如果把在上式中，如果把at換為有效面積換為有效面積aa（也稱活性面積），（也稱活性面積）， 即從總面積中扣除柵線圖形面積，從而算出的效率要高一即從總面積中扣除柵線圖形面積，從而算出的效率要高一 些，這一點在閱讀國內(nèi)外文獻時應注意。些，這一點在閱讀國內(nèi)外文獻時應注意。 n美國的普林斯最早算出美國的普林斯最早算出硅太陽能電池的理論效率為

34、硅太陽能電池的理論效率為21.7%。 20世紀世紀70年代，華爾夫（年代，華爾夫（m.wolf）又做過詳盡的討論，）又做過詳盡的討論， 也得到也得到硅太陽能電池的理論效率在硅太陽能電池的理論效率在am0光譜條件下為光譜條件下為 20%22%，以后又把它修改為，以后又把它修改為25%（am1.0光譜條件）。光譜條件）。 n估計太陽能電池的理論效率，必須把估計太陽能電池的理論效率，必須把從入射光能到輸出電從入射光能到輸出電 能之間所有可能發(fā)生的損耗都計算在內(nèi)。能之間所有可能發(fā)生的損耗都計算在內(nèi)。其中有些是與材其中有些是與材 料及工藝有關(guān)的損耗，而另一些則是由基本物理原理所決料及工藝有關(guān)的損耗，而另

35、一些則是由基本物理原理所決 定的。定的。 影響效率的因素影響效率的因素 綜上所述，提高太陽能電池效率，必須提高綜上所述，提高太陽能電池效率，必須提高開路開路 電壓電壓uoc、短路電流、短路電流isc和填充因子和填充因子ff這三個基本參量這三個基本參量。 而這而這3個參量之間往往是互相牽制的，如果單方面提個參量之間往往是互相牽制的，如果單方面提 高其中一個，可能會因此而降低另一個，以至于總效高其中一個，可能會因此而降低另一個，以至于總效 率不僅沒提高反而有所下降。因而在選擇材料、設計率不僅沒提高反而有所下降。因而在選擇材料、設計 工藝時必須全盤考慮，工藝時必須全盤考慮，力求使力求使3個參量的乘積

36、最大。個參量的乘積最大。 影響效率的因素影響效率的因素 u材料能帶寬度材料能帶寬度: 開路電壓開路電壓uoc隨能帶寬度隨能帶寬度eg的增大而增大，但的增大而增大，但 另一方面，短路電流密度隨能帶寬度另一方面，短路電流密度隨能帶寬度eg的增大而減的增大而減 小。結(jié)果可期望在某一個確定的小。結(jié)果可期望在某一個確定的eg處出現(xiàn)太陽電池處出現(xiàn)太陽電池 效率的峰值。效率的峰值。用用eg值介于值介于1.21.6ev的材料做成太的材料做成太 陽電池，可望達到最高效率。陽電池，可望達到最高效率。薄膜電池用直接帶隙薄膜電池用直接帶隙 半導體更為可取，因為它能在表面附近吸收光子。半導體更為可取，因為它能在表面附近

37、吸收光子。 影響效率的因素影響效率的因素 u溫度溫度 : 少子的擴散長度隨溫度的升高稍有增大，因此少子的擴散長度隨溫度的升高稍有增大，因此 光生電流也隨溫度的升高有所增加，但光生電流也隨溫度的升高有所增加，但uoc隨溫度的升隨溫度的升 高急劇下降。填充因子下降，所以高急劇下降。填充因子下降，所以轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增 加而降低。加而降低。 地面應用的硅太陽能電池一般工作在地面應用的硅太陽能電池一般工作在-40+70之間，之間， 空間應用的硅太陽能電池可在空間應用的硅太陽能電池可在-135+125條件下工作。條件下工作。 溫度每升高溫度每升高1， 電池的輸出功率損失約為電池的輸出功

38、率損失約為 0.35%0.45%，也就是，也就是 說，在說，在20工作的硅太陽工作的硅太陽 能電池的輸出功率要比在能電池的輸出功率要比在 70工作時高工作時高20%。 影響效率的因素影響效率的因素 u輻照度輻照度: 隨輻照度隨輻照度 的增加短路電流線性的增加短路電流線性 增加，增加，最大功率不斷最大功率不斷 增加。將陽光聚焦于增加。將陽光聚焦于 太陽電池，可使一個太陽電池，可使一個 小小的太陽電池產(chǎn)生小小的太陽電池產(chǎn)生 出大量的電能。出大量的電能。 影響效率的因素影響效率的因素 u摻雜濃度摻雜濃度: 對對uoc有明顯影響的另一因素是半導體摻雜濃度。有明顯影響的另一因素是半導體摻雜濃度。摻摻 雜濃度越高，雜濃度越高，uoc越高越高。但當硅中雜質(zhì)濃度高于。但當硅中雜質(zhì)濃度高于 1018/cm3時稱為高摻雜，由于高摻雜而引起的禁帶收縮、時稱為高摻雜，由于高摻雜而引起的禁帶收縮、 雜質(zhì)不能全部電離和少子壽命下降等等現(xiàn)象統(tǒng)稱為雜質(zhì)不能全部電離和少子壽命下降等等現(xiàn)象