newnergy太陽能電池原理課件

1、 本章以單晶硅pn結(jié)太陽能電池為例，介紹半導(dǎo)體太陽能電池的基本工作原理、結(jié)構(gòu)及其特性分析。一、太陽能電池的結(jié)構(gòu)和基本工作原理下圖示意地畫出了單晶硅pn結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)，其包含上部電極，無反射薄膜覆蓋層，n型半導(dǎo)體，p型半導(dǎo)體以及下部電極和基板。當有適當波長的光照射到這個pn結(jié)太陽能電池上后，由于光伏效應(yīng)而在勢壘區(qū)兩邊產(chǎn)生了電動勢。因而光伏效應(yīng)是半導(dǎo)體電池實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)，也是某些光電器件賴以工作的最重要的物理效應(yīng)。因此，我們將來仔細分析一下pn結(jié)的光伏效應(yīng)。設(shè)入射光垂直pn結(jié)面。如果結(jié)較淺，光子將進入pn結(jié)區(qū)，甚至更深入到半導(dǎo)體內(nèi)部。能量大于禁帶寬度的光子，由本征吸收在結(jié)的兩邊產(chǎn)生電子

2、-空穴對。在光激發(fā)下多數(shù)載流子濃度一般改變較小，而少數(shù)載流子濃度卻變化很大，因此應(yīng)主要研究光生少數(shù)載流子的運動。由于pn結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)存在較強的內(nèi)建電場（自n區(qū)指向p區(qū)），結(jié)兩邊的光生少數(shù)載流子受該場的作用，各自向相反方向運動：p區(qū)的電子穿過p-n結(jié)進入n區(qū)；n區(qū)的空穴進入p區(qū)，使p端電勢升高，n端電勢降低，于是在p-n結(jié)兩端形成了光生電動勢，這就是p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。由于光照在p-n結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢，相當于在p-n結(jié)兩端加正向電壓V，使勢壘降低為qVD-qV，產(chǎn)生正向電流IF.在pn結(jié)開路的情況下，光生電流和正向電流相等時，pn結(jié)兩端建立起穩(wěn)定的電勢差Voc，（p區(qū)相對于n區(qū)是正的），這

3、就是光電池的開路電壓。如將pn結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會有源源不斷的電流通過電路，p-n結(jié)起了電源的作用。這就是光電池的基本原理。由上面分析可以看出，為使半導(dǎo)體光電器件能產(chǎn)生光生電動勢（或光生積累電荷），它們應(yīng)該滿足以下兩個條件：1、半導(dǎo)體材料對一定波長的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)，即要求入射光子的能量h大于或等于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg，使該入射光子能被半導(dǎo)體吸收而激發(fā)出光生非平衡的電子空穴對。右圖是一些材料的吸收曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)GaAs和非晶硅的吸收系數(shù)比單晶硅大得多，透入深度只有1m左右，即幾乎全部吸收入射光。所以這兩種電池都可以做成薄膜，節(jié)省材料。而硅太陽能電池，對太陽光譜中長波長

4、的光，要求較厚的硅片（約100-300 m ） 才能充分吸收；對于短波長的光，只在入射表面附近1 m區(qū)域內(nèi)就已充分吸收了。2、具有光伏結(jié)構(gòu)，即有一個內(nèi)建電場所對應(yīng)的勢壘區(qū)。勢壘區(qū)的重要作用是分離了兩種不同電荷的光生非平衡載流子，在p區(qū)內(nèi)積累了非平衡空穴，而在n區(qū)內(nèi)積累起非平衡電子。產(chǎn)生了一個與平衡pn結(jié)內(nèi)建電場相反的光生電場，于是在p區(qū)和n區(qū)間建立了光生電動勢（或稱光生電壓）。除了上述pn結(jié)能產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)外，金屬-半導(dǎo)體形成的肖特基勢壘層等其它許多結(jié)構(gòu)都能產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。其電子過程和pn結(jié)相類似，都是使適當波長的光照射材料后在半導(dǎo)體的界面或表面產(chǎn)生光生載流子，在勢壘區(qū)電場的作用下，光生電

5、子和空穴向相反的方向漂移從而互相分離，在器件兩端積累產(chǎn)生光生電壓。通常的發(fā)電系統(tǒng)如火力發(fā)電，就是燃燒石油或煤以其燃燒能來加熱水，使之變成蒸汽，推動發(fā)電機發(fā)電；原子能發(fā)電則是以核裂變放出的能量代替燃燒石油或煤，而水力發(fā)電則是利用水的落差能使發(fā)電機旋轉(zhuǎn)而發(fā)電。太陽能電池發(fā)電的原理是全新的，與傳統(tǒng)方法是完全不同，既沒有馬達旋轉(zhuǎn)部分，也不會排出氣體，是清潔無污染的發(fā)電方式。單晶硅太陽能電池通常是以p型Si為襯底，擴散n型雜質(zhì)，形成如圖(a)所示結(jié)構(gòu)。為取出電流，p型襯底的整個下表面涂銀并燒結(jié)， 以形成銀電極， 接通兩電極即能得到電流。太陽能電池的結(jié)構(gòu)單晶硅太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)如圖所示：玻璃襯底非晶硅太

6、陽能電池的典型結(jié)構(gòu)如圖所示：玻璃襯底非晶硅太陽能電池是先在玻璃襯底上淀積透明導(dǎo)電薄膜，然后依次用等離子體反應(yīng)沉積p型、I型和n型三層a-Si，接著再蒸涂金屬電極鋁，電池電流從透明導(dǎo)電薄膜和電極鋁引出。不銹鋼襯底非晶硅太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)如圖所示： 不銹鋼襯底型太陽能電池是在不銹鋼襯底上沉積pin非晶硅層，其上再沉積透明導(dǎo)電薄膜，最后與單晶硅電池一樣制備梳狀的銀收集電極。電池電流從下面的不銹鋼和上面的梳狀電極引出。二、太陽能電池的輸出特性1、光電池的電流電壓特性光電池工作時共有三股電流：光生電流IL，在光生電壓V作用下的pn結(jié)正向電流IF，流經(jīng)外電路的電流I。IL和IF都流經(jīng)pn結(jié)內(nèi)部，但方向相

7、反。根據(jù)p-n結(jié)整流方程，在正向偏壓下，通過結(jié)的正向電流為： IF=Isexp(qV/kT)-1其中：V是光生電壓，Is是反向飽和電流。設(shè)用一定強度的光照射光電池，因存在吸收，光強度隨著光透入的深度按指數(shù)律下降。因而光生載流子產(chǎn)生也隨光照深入而減少，即產(chǎn)生率Q是x函數(shù)。為了簡便起見，用表示在結(jié)的擴散長度（Lp+Ln）內(nèi)非平衡載流子的平均產(chǎn)生率，并設(shè)擴散長度Lp內(nèi)的空穴和Ln內(nèi)的電子都能擴散到p-n結(jié)面而進入另一邊，這樣光生電流IL應(yīng)該是：IL qA(Lp+Ln)其中：A是p-n結(jié)面積，q為電子電量。光生電流IL從n區(qū)流向p區(qū)，與IF反向。如光電池與負載電阻接成通路，通過負載的電流應(yīng)該是：I =

8、 IF-IL = Isexp(qV/kT)-1-IL這就是負載電阻上電流與電壓的關(guān)系，也就是光電池的伏安特性方程。上圖分別是無光照和有光照時的光電池的伏安特性曲線。不論是一般的化學(xué)電池還是太陽能電池，其輸出特性一般都是用如下圖所示的電流電壓曲線來表示。由光電池的伏安特性曲線，可以得到描述太陽能電池的四個輸出參數(shù)。、描述太陽能電池的參數(shù)、開路電壓Voc在p-n結(jié)開路情況下（R=），此時pn結(jié)兩端的電壓即為開路電壓Voc。這時，I=0，即：IL=IF。將I=0代入光電池的電流電壓方程，得開路電壓為：2、短路電流Isc如將pn結(jié)短路（V=0），因而IF=0，這時所得的電流為短路電流Isc。顯然，短路

9、電流等于光生電流，即：Isc = ILI = IF-IL = Isexp(qV/kT)-1-IL、填充因子FF在光電池的伏安特性曲線任一工作點上的輸出功率等于該點所對應(yīng)的矩形面積，其中只有一點是輸出最大功率，稱為最佳工作點，該點的電壓和電流分別稱為最佳工作電壓Vop和最佳工作電流Iop。填充因子定義為： 它表示了最大輸出功率點所對應(yīng)的矩形面積在Voc和Isc所組成的矩形面積中所占的百分比。特性好的太陽能電池就是能獲得較大功率輸出的太陽能電池，也就是Voc，Isc和FF乘積較大的電池。對于有合適效率的電池，該值應(yīng)在0.70-0.85范圍之內(nèi)。、太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率表示入射的太陽光能量有多少能

10、轉(zhuǎn)換為有效的電能。即：其中Pin是入射光的能量密度，S為太陽能電池的面積，當S是整個太陽能電池面積時，稱為實際轉(zhuǎn)換效率；當S是指電池中的有效發(fā)電面積時，叫本征轉(zhuǎn)換效率。三、太陽能電池的等效電路等效電路是描述太陽能電池的最一般方法。1、理想pn結(jié)太陽能電池的等效電路理想pn結(jié)太陽能電池可以用一恒定電流源Iph（光生電流）及一理想二極管的并聯(lián)來表示。其等效電路如左圖所示。其電流電壓關(guān)系滿足我們上一節(jié)所介紹的方程。2、pn結(jié)太陽能電池的實際等效電路 實際上，pn結(jié)太陽能電池存在著Rs和Rsh的影響。其中， Rs是由材料體電阻、薄層電阻、電極接觸電阻及電極本身傳導(dǎo)電流的電阻所構(gòu)成的總串聯(lián)電阻。Rsh是

11、在pn結(jié)形成的不完全的部分所導(dǎo)致的漏電流，稱為旁路電阻或漏電電阻。這樣構(gòu)成的等效電路如右圖所示。根據(jù)前面所示的等效電路，考慮到串聯(lián)電阻Rs和旁路電阻Rsh的影響?？梢缘玫酵ㄟ^負載的電流電壓關(guān)系為：I = IL-Isexpq(V+IRs)/kT-1-(V+IRs)/Rsh上式是表示太陽能電池特性的一般公式，叫做超越方程式。Rs值變大會影響電池伏安特性曲線偏離理想曲線，使FF變小，Isc下降，因而效率也下降；而旁路電阻Rsh變小，說明無光照時pn結(jié)反向漏電流變大，造成Voc下降，F(xiàn)F變小，因而效率下降。下面我們來分析一下串聯(lián)電阻Rs和漏電電阻Rsh對光電池效率的影響。根據(jù)圖示的電路，對同一個太陽能

12、電池，當入射光強度較弱時， IL 較小，二極管電流和漏電流大小相差不多，此時，Rsh的影響較大。I = IL-Isexp(qV/kT)-1-V/Rsh漏電電阻對光電池輸出特性的影響可用右圖表示?？梢钥闯觯╇婋娮鑂sh對光電流的影響較小， 而對開路電壓的影響較大。入射光功率一定（100 mW/cm2)，并假設(shè)Voc=0.51V，Jsc = 30mA/cm2，Rs=0。當光照較強時，二極管電流遠大于漏電電流，此時，Rsh對光電池的影響較小，而相反的，Rs的影響就變大起來。I = IL-Isexpq(V+RsI)/kT-1右圖給出了Rs對光電池輸出特性的影響?？梢钥闯龉怆姵氐妮敵鎏匦噪S著Rs有著較

13、大的變化，并且Rs對開路電壓的影響幾乎沒有，但對短路電流卻有很大的影響。入射光功率一定（100mW/cm2)，并假設(shè)Voc=0.51V，Jsc = 30 mA/cm2，Rsh=。由前面分析可知，當漏電電阻Rsh降到100歐姆以下時，對光電池的影響就不可忽略了。對于1cm2的硅電池，只要Rsh大于500歐姆，砷化鎵電池Rsh大于1000歐姆時，對輸出特性的影響就不重要了。另一方面，當總串聯(lián)電阻Rs增加到5歐姆時，電池的轉(zhuǎn)換效率就要下降30%，可見Rs的影響較大。最近對于硅電池，要求實用化的產(chǎn)品的Rs要在0.5歐姆以下。四、太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限1、太陽能電池的理論效率太陽能電池的理論效率由

14、下式?jīng)Q定：當入射太陽光譜AM0或AM1.5確定以后，其值就取決于開路電壓Voc、短路電流Isc和填充因子FF的最大值。下面我們就來分別考慮開路電壓Voc、短路電流Isc和填充因子FF的最大值。短路電流Isc的考慮：我們假設(shè)在太陽光譜中波長大于長波限的光對太陽能電池沒有貢獻，其中長波限滿足： max = 1.24(m)/Eg(eV)而其余部分的光子，因其能量h大于材料的禁帶寬度Eg，被材料吸收而激發(fā)電子-空穴對。假設(shè)其量子產(chǎn)額為1，而且被激發(fā)出的光生少子在最理想的情況下，百分之百地被收集起來。在上述理想的假設(shè)下，最大短路電流值顯然僅與材料帶隙Eg有關(guān)，其計算結(jié)果如圖所示。Isc = IL在AMO

15、和AM1.5光照射下的最大短路電流值開路電壓Voc的考慮：開路電壓Voc的最大值，在理想情況下有下式?jīng)Q定：式中IL是光生電流，在理想情況即為上圖所對應(yīng)的最大短路電流。Is是二極管反向飽和電流，其滿足：Is = Aq(Dn/LnNA+Dp/LpND)ni2ni2= NcNvexp(-Eg/kT)顯然， Is取決于Eg、Ln、Lp、NA、ND和絕對溫度T的大小，同時也與光電池結(jié)構(gòu)有關(guān)。為了提高Voc，常常采用Eg大，少子壽命長及低電阻率（例如對硅單晶片選用0.2歐姆厘米）的材料，代入合適的半導(dǎo)體參數(shù)的數(shù)值，給出硅的最大Voc值約700mV左右。填充因子FF的考慮：在理想情況下，填充因子FF僅是開路

16、電壓Voc的函數(shù)，可用以下經(jīng)驗公式表示：這樣，當開路電壓Voc的最大值確定后，就可計算得到FF的最大值。綜合上述結(jié)果，可得到作為帶隙Eg的函數(shù)的最大轉(zhuǎn)換效率，其結(jié)果示于下圖中。對于單晶硅太陽能電池，理論上限是27%，目前研究得到的最大值為24%左右。GaAs 太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的理論上限為28.5%，現(xiàn)在獲得的最大值是24.7%。如何進一步提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是當前的研究課題，這也就是所謂的高效率化技術(shù)的開發(fā)。2、影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的一些因素我們前面介紹了太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的理論值，這些理論值都是在理想情況下得到的。而太陽能電池在光電能量轉(zhuǎn)換過程中，由于存在各種附加的能量損失，實際效

17、率比上述的理論極限效率低。下面以pn結(jié)硅電池為例，介紹一些影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素。光生電流的光學(xué)損失：太陽能電池的效率損失中，有三種是屬于光學(xué)損失，其主要影響是降低了光生電流值。反射損失：從空氣（或真空）垂直入射到半導(dǎo)體材料的光的反射。以硅為例，在感興趣的太陽光譜中，超過30%的光能被裸露的硅表面發(fā)射掉了。柵指電極遮光損失c：定義為柵指電極遮光面積在太陽能總面積中所占的百分比（見右圖）。對一般電池來說，c約為4%-15%。透射損失：如果電池厚度不足夠大，某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出。這決定了半導(dǎo)體材料之最小厚度。間接帶隙半導(dǎo)體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。如圖為對硅和砷化

18、鎵的計算結(jié)果。光生少子的收集幾率：在太陽能電池內(nèi)，由于存在少子的復(fù)合，所產(chǎn)生的每一個光生少數(shù)載流子不可能百分之百地被收集起來。定義光激發(fā)少子中對太陽能電池的短路電流有貢獻的百分數(shù)為收集幾率。該參數(shù)決定于電池內(nèi)個區(qū)域的復(fù)合機理，也與電池結(jié)構(gòu)與空間位置有關(guān)。影響開路電壓的實際因素： 決定開路電壓Voc大小的主要物理過程是半導(dǎo)體的復(fù)合。半導(dǎo)體復(fù)合率越高，少子擴散長度越短， Voc也就越低。體復(fù)合和表面復(fù)合都是重要的。在p-Si襯底中，影響非平衡少子總復(fù)合率的三種復(fù)合機理是：復(fù)合中心復(fù)合、俄歇復(fù)合及直接輻射復(fù)合?？倧?fù)合率主要取決三種復(fù)合中復(fù)合率最大的一個。例如：對于高質(zhì)量的硅單晶，當摻雜濃度高于1017cm-3時，則俄歇復(fù)合產(chǎn)生影響，使少子壽命降低。通常，電池表面還存在表面復(fù)合，表面復(fù)合也會降低Voc值。（復(fù)合中心復(fù)合、俄歇復(fù)合、直接輻射復(fù)合和表面復(fù)合？）輻照效應(yīng)：應(yīng)用在衛(wèi)星上的太陽能電池受到太空中高能離子輻射，體內(nèi)產(chǎn)生缺陷，使電池輸出功率逐漸下降，可能影響其使用壽命。輻照產(chǎn)生的缺陷，相當于復(fù)合中心。輻照后增大了電池內(nèi)