newnergy太陽能電池原理課件

本章以單晶硅pn結太陽能電池為例，介紹半導體太陽能電池的基本工作原理、結構及其特性分析。本章以單晶硅pn結太陽能電池為例，介紹半1一、太陽能電池的結構和基本工作原理一、太陽能電池的結構和基本工作原理2下圖示意地畫出了單晶硅pn結太陽能電池的結構，其包含上部電極，無反射薄膜覆蓋層，n型半導體，p型半導體以及下部電極和基板。下圖示意地畫出了單晶硅pn結太陽能電池的結構，其包含上部電極3當有適當波長的光照射到這個pn結太陽能電池上后，由于光伏效應而在勢壘區(qū)兩邊產(chǎn)生了電動勢。因而光伏效應是半導體電池實現(xiàn)光電轉換的理論基礎，也是某些光電器件賴以工作的最重要的物理效應。因此，我們將來仔細分析一下pn結的光伏效應。當有適當波長的光照射到這個pn結太陽能電池上后，由于光伏效應4設入射光垂直pn結面。如果結較淺，光子將進入pn結區(qū)，甚至更深入到半導體內部。能量大于禁帶寬度的光子，由本征吸收在結的兩邊產(chǎn)生電子-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，因此應主要研究光生少數(shù)載流子的運動。設入射光垂直pn結面。如果結較淺，光子將進入pn結區(qū)，甚至更5由于pn結勢壘區(qū)內存在較強的內建電場（自n區(qū)指向p區(qū)），結兩邊的光生少數(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結兩端形成了光生電動勢，這就是p-n結的光生伏特效應。由于光照在p-n結兩端產(chǎn)生光生電動勢，相當于在p-n結兩端加正向電壓V，使勢壘降低為qVD-qV，產(chǎn)生正向電流IF.由于pn結勢壘區(qū)內存在較強的內建電場（自n區(qū)指向p區(qū)），結兩6在pn結開路的情況下，光生電流和正向電流相等時，pn結兩端建立起穩(wěn)定的電勢差Voc，（p區(qū)相對于n區(qū)是正的），這就是光電池的開路電壓。如將pn結與外電路接通，只要光照不停止，就會有源源不斷的電流通過電路，p-n結起了電源的作用。這就是光電池的基本原理。在pn結開路的情況下，光生電流和正向電流相等時，pn結兩端建7由上面分析可以看出，為使半導體光電器件能產(chǎn)生光生電動勢（或光生積累電荷），它們應該滿足以下兩個條件：1、半導體材料對一定波長的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)α，即要求入射光子的能量hν大于或等于半導體材料的帶隙Eg，使該入射光子能被半導體吸收而激發(fā)出光生非平衡的電子空穴對。由上面分析可以看出，為使半導體光電器件能產(chǎn)生光生電動勢（或光8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1μm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的光，要求較厚的硅片（約100-300μm）才能充分吸收；對于短波長的光，只在入射表面附近1μm區(qū)域內就已充分吸收了。右圖是一些材料的吸收曲線。可以發(fā)現(xiàn)GaAs和非晶硅的吸收系數(shù)92、具有光伏結構，即有一個內建電場所對應的勢壘區(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)內積累了非平衡空穴，而在n區(qū)內積累起非平衡電子。產(chǎn)生了一個與平衡pn結內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）。2、具有光伏結構，即有一個內建電場所對應的勢壘區(qū)。勢壘區(qū)的重10除了上述pn結能產(chǎn)生光生伏特效應外，金屬-半導體形成的肖特基勢壘層等其它許多結構都能產(chǎn)生光生伏特效應。其電子過程和pn結相類似，都是使適當波長的光照射材料后在半導體的界面或表面產(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。除了上述pn結能產(chǎn)生光生伏特效應外，金屬-半導體形成的肖特基11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，既沒有馬達旋轉部分，也不會排出氣體，是清潔無污染的發(fā)電方式。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12單晶硅太陽能電池通常是以p型Si為襯底，擴散n型雜質，形成如圖(a)所示結構。為取出電流，p型襯底的整個下表面涂銀并燒結，以形成銀電極，接通兩電極即能得到電流。太陽能電池的結構單晶硅太陽能電池的典型結構如圖所示：單晶硅太陽能電池通常是以p型Si為襯底，擴散n型雜質，形成如13玻璃襯底非晶硅太陽能電池的典型結構如圖所示：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電薄膜，然后依次用等離子體反應沉積p型、I型和n型三層a-Si，接著再蒸涂金屬電極鋁，電池電流從透明導電薄膜和電極鋁引出。玻璃襯底非晶硅太陽能電池的典型結構如圖所示：玻璃襯底非晶硅太14不銹鋼襯底非晶硅太陽能電池的典型結構如圖所示：

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。不銹鋼襯底非晶硅太陽能電池的典型結構如圖所示：

不銹15二、太陽能電池的輸出特性二、太陽能電池的輸出特性161、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結正向電流IF，流經(jīng)外電路的電流I。IL和IF都流經(jīng)pn結內部，但方向相反。根據(jù)p-n結整流方程，在正向偏壓下，通過結的正向電流為：IF=Is[exp(qV/kT)-1]其中：V是光生電壓，Is是反向飽和電流。1、光電池的電流電壓特性根據(jù)p-n結整流方程，在正向偏壓下，17設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<Q>表示在結的擴散長度（Lp+Ln）內非平衡載流子的平均產(chǎn)生率，并設擴散長度Lp內的空穴和Ln內的電子都能擴散到p-n結面而進入另一邊，這樣光生電流IL應該是：IL

＝q<Q>A(Lp+Ln)其中：A是p-n結面積，q為電子電量。光生電流IL從n區(qū)流向p區(qū)，與IF反向。設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18如光電池與負載電阻接成通路，通過負載的電流應該是：I=IF-IL=Is[exp(qV/kT)-1]-IL這就是負載電阻上電流與電壓的關系，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。如光電池與負載電阻接成通路，通過負載的電流應該是：19不論是一般的化學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)。２、描述太陽能電池的參數(shù)不論是一般的化學電池還是太陽能電池，其輸出特性一般都是用如下20１、開路電壓Voc在p-n結開路情況下（R=∞），此時pn結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，短路電流等于光生電流，即：Isc=ILI=IF-IL=Is[exp(qV/kT)-1]-IL１、開路電壓VocI=IF-IL=Is[exp(qV21３、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，該值應在0.70-0.85范圍之內。３、填充因子FF22４、太陽能電池的能量轉化效率η表示入射的太陽光能量有多少能轉換為有效的電能。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，η稱為實際轉換效率；當S是指電池中的有效發(fā)電面積時，η叫本征轉換效率。４、太陽能電池的能量轉化效率η23三、太陽能電池的等效電路三、太陽能電池的等效電路24等效電路是描述太陽能電池的最一般方法。

1、理想pn結太陽能電池的等效電路

理想pn結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。其電流電壓關系滿足我們上一節(jié)所介紹的方程。等效電路是描述太陽能電池的最一般方法。

1、理想pn結太陽252、pn結太陽能電池的實際等效電路實際上，pn結太陽能電池存在著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電流的電阻所構成的總串聯(lián)電阻。Rsh是在pn結形成的不完全的部分所導致的漏電流，稱為旁路電阻或漏電電阻。這樣構成的等效電路如右圖所示。2、pn結太陽能電池的實際等效電路實際上，pn26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^負載的電流電壓關系為：I=IL-Is{exp[q(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結反向漏電流變大，造成Voc下降，F(xiàn)F變小，因而效率下降。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27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-Is[exp(qV/kT)-1]-V/Rsh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28漏電電阻對光電池輸出特性的影響可用右圖表示?？梢钥闯?，漏電電阻Rsh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（100mW/cm2)，并假設Voc=0.51V，Jsc=30mA/cm2，Rs=0。漏電電阻對光電池輸出特性的影響可用右圖表示?？梢钥闯?，漏電電29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-Is{exp[q(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Voc=0.51V，Jsc=30mA/cm2，Rsh=∞。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30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。由前面分析可知，當漏電電阻Rsh降到100歐姆以下時，對光電31四、太陽能電池轉換效率的理論上限四、太陽能電池轉換效率的理論上限321、太陽能電池的理論效率太陽能電池的理論效率由下式?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。1、太陽能電池的理論效率33短路電流Isc的考慮：我們假設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：λmax=1.24(μm)/Eg(eV)而其余部分的光子，因其能量hν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。在上述理想的假設下，最大短路電流值顯然僅與材料帶隙Eg有關，其計算結果如圖所示。Isc=IL短路電流Isc的考慮：Isc=IL34在AMO和AM1.5光照射下的最大短路電流值在AMO和AM1.5光照射下的最大短路電流值35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，同時也與光電池結構有關。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，代入合適的半導體參數(shù)的數(shù)值，給出硅的最大Voc值約700mV左右。開路電壓Voc的考慮：36填充因子FF的考慮：在理想情況下，填充因子FF僅是開路電壓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。填充因子FF的考慮：37綜合上述結果，可得到作為帶隙Eg的函數(shù)的最大轉換效率，其結果示于下圖中。綜合上述結果，可得到作為帶隙Eg的函數(shù)的最大轉換效率，其結果38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換效率是當前的研究課題，這也就是所謂的高效率化技術的開發(fā)。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392、影響太陽能電池轉換效率的一些因素我們前面介紹了太陽能電池轉換效率的理論值，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換過程中，由于存在各種附加的能量損失，實際效率比上述的理論極限效率低。下面以pn結硅電池為例，介紹一些影響太陽能電池轉換效率的因素。2、影響太陽能電池轉換效率的一些因素40光生電流的光學損失：太陽能電池的效率損失中，有三種是屬于光學損失，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%。光生電流的光學損失：41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。這決定了半導體材料之最小厚度。間接帶隙半導體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。如圖為對硅和砷化鎵的計算結果。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42光生少子的收集幾率：在太陽能電池內，由于存在少子的復合，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)決定于電池內個區(qū)域的復合機理，也與電池結構與空間位置有關。光生少子的收集幾率：43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體的復合。半導體復合率越高，少子擴散長度越短，Voc也就越低。體復合和表面復合都是重要的。在p-Si襯底中，影響非平衡少子總復合率的三種復合機理是：復合中心復合、俄歇復合及直接輻射復合?？倧秃下手饕Q三種復合中復合率最大的一個。例如：對于高質量的硅單晶，當摻雜濃度高于1017cm-3時，則俄歇復合產(chǎn)生影響，使少子壽命降低。通常，電池表面還存在表面復合，表面復合也會降低Voc值。（復合中心復合、俄歇復合、直接輻射復合和表面復合？）影響開路電壓的實際因素：44輻照效應：應用在衛(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，相當于復合中心。輻照后增大了電池內部的少子復合率τ-1，即有：τ-1=τ0-1+K’?式中τ0是輻照前的壽命，K’是常數(shù)，?是輻照通量。因為擴散長度等于（Dτ)1/2，故上式可寫成：L-2=L0-2+K?輻照效應：45對太陽能電池的研究表明，n+p電池K=1.7x10-10，而p+n電池K=1.22x10-8，前者比后者抗輻射能力大得多。為了改善輻射容量，可將鋰摻入太陽能電池中。Li可擴散到輻射感生點缺陷中，并與之結合起來，阻止壽命減退。太空應用的太陽能電池，一般都覆蓋一塊摻鈰薄玻片，減少進入電池的高能粒子。對太陽能電池的研究表明，n+p電池K=1.7x10-10，而46用能帶圖描述pn結的光伏效應。并標示出光生電流和正向電流的方向。你認為影響pn結太陽能電池轉換效率的主要因素有哪些？試分析。用能帶圖描述pn結的光伏效應。并標示出光生電流和正向電流的方47

本章以單晶硅pn結太陽能電池為例，介紹半導體太陽能電池的基本工作原理、結構及其特性分析。本章以單晶硅pn結太陽能電池為例，介紹半48一、太陽能電池的結構和基本工作原理一、太陽能電池的結構和基本工作原理49下圖示意地畫出了單晶硅pn結太陽能電池的結構，其包含上部電極，無反射薄膜覆蓋層，n型半導體，p型半導體以及下部電極和基板。下圖示意地畫出了單晶硅pn結太陽能電池的結構，其包含上部電極50當有適當波長的光照射到這個pn結太陽能電池上后，由于光伏效應而在勢壘區(qū)兩邊產(chǎn)生了電動勢。因而光伏效應是半導體電池實現(xiàn)光電轉換的理論基礎，也是某些光電器件賴以工作的最重要的物理效應。因此，我們將來仔細分析一下pn結的光伏效應。當有適當波長的光照射到這個pn結太陽能電池上后，由于光伏效應51設入射光垂直pn結面。如果結較淺，光子將進入pn結區(qū)，甚至更深入到半導體內部。能量大于禁帶寬度的光子，由本征吸收在結的兩邊產(chǎn)生電子-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，因此應主要研究光生少數(shù)載流子的運動。設入射光垂直pn結面。如果結較淺，光子將進入pn結區(qū)，甚至更52由于pn結勢壘區(qū)內存在較強的內建電場（自n區(qū)指向p區(qū)），結兩邊的光生少數(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結兩端形成了光生電動勢，這就是p-n結的光生伏特效應。由于光照在p-n結兩端產(chǎn)生光生電動勢，相當于在p-n結兩端加正向電壓V，使勢壘降低為qVD-qV，產(chǎn)生正向電流IF.由于pn結勢壘區(qū)內存在較強的內建電場（自n區(qū)指向p區(qū)），結兩53在pn結開路的情況下，光生電流和正向電流相等時，pn結兩端建立起穩(wěn)定的電勢差Voc，（p區(qū)相對于n區(qū)是正的），這就是光電池的開路電壓。如將pn結與外電路接通，只要光照不停止，就會有源源不斷的電流通過電路，p-n結起了電源的作用。這就是光電池的基本原理。在pn結開路的情況下，光生電流和正向電流相等時，pn結兩端建54由上面分析可以看出，為使半導體光電器件能產(chǎn)生光生電動勢（或光生積累電荷），它們應該滿足以下兩個條件：1、半導體材料對一定波長的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)α，即要求入射光子的能量hν大于或等于半導體材料的帶隙Eg，使該入射光子能被半導體吸收而激發(fā)出光生非平衡的電子空穴對。由上面分析可以看出，為使半導體光電器件能產(chǎn)生光生電動勢（或光55右圖是一些材料的吸收曲線。可以發(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1μm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的光，要求較厚的硅片（約100-300μm）才能充分吸收；對于短波長的光，只在入射表面附近1μm區(qū)域內就已充分吸收了。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)562、具有光伏結構，即有一個內建電場所對應的勢壘區(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)內積累了非平衡空穴，而在n區(qū)內積累起非平衡電子。產(chǎn)生了一個與平衡pn結內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）。2、具有光伏結構，即有一個內建電場所對應的勢壘區(qū)。勢壘區(qū)的重57除了上述pn結能產(chǎn)生光生伏特效應外，金屬-半導體形成的肖特基勢壘層等其它許多結構都能產(chǎn)生光生伏特效應。其電子過程和pn結相類似，都是使適當波長的光照射材料后在半導體的界面或表面產(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。除了上述pn結能產(chǎn)生光生伏特效應外，金屬-半導體形成的肖特基58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，既沒有馬達旋轉部分，也不會排出氣體，是清潔無污染的發(fā)電方式。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59單晶硅太陽能電池通常是以p型Si為襯底，擴散n型雜質，形成如圖(a)所示結構。為取出電流，p型襯底的整個下表面涂銀并燒結，以形成銀電極，接通兩電極即能得到電流。太陽能電池的結構單晶硅太陽能電池的典型結構如圖所示：單晶硅太陽能電池通常是以p型Si為襯底，擴散n型雜質，形成如60玻璃襯底非晶硅太陽能電池的典型結構如圖所示：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電薄膜，然后依次用等離子體反應沉積p型、I型和n型三層a-Si，接著再蒸涂金屬電極鋁，電池電流從透明導電薄膜和電極鋁引出。玻璃襯底非晶硅太陽能電池的典型結構如圖所示：玻璃襯底非晶硅太61不銹鋼襯底非晶硅太陽能電池的典型結構如圖所示：

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。不銹鋼襯底非晶硅太陽能電池的典型結構如圖所示：

不銹62二、太陽能電池的輸出特性二、太陽能電池的輸出特性631、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結正向電流IF，流經(jīng)外電路的電流I。IL和IF都流經(jīng)pn結內部，但方向相反。根據(jù)p-n結整流方程，在正向偏壓下，通過結的正向電流為：IF=Is[exp(qV/kT)-1]其中：V是光生電壓，Is是反向飽和電流。1、光電池的電流電壓特性根據(jù)p-n結整流方程，在正向偏壓下，64設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<Q>表示在結的擴散長度（Lp+Ln）內非平衡載流子的平均產(chǎn)生率，并設擴散長度Lp內的空穴和Ln內的電子都能擴散到p-n結面而進入另一邊，這樣光生電流IL應該是：IL

＝q<Q>A(Lp+Ln)其中：A是p-n結面積，q為電子電量。光生電流IL從n區(qū)流向p區(qū)，與IF反向。設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65如光電池與負載電阻接成通路，通過負載的電流應該是：I=IF-IL=Is[exp(qV/kT)-1]-IL這就是負載電阻上電流與電壓的關系，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。如光電池與負載電阻接成通路，通過負載的電流應該是：66不論是一般的化學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)。２、描述太陽能電池的參數(shù)不論是一般的化學電池還是太陽能電池，其輸出特性一般都是用如下67１、開路電壓Voc在p-n結開路情況下（R=∞），此時pn結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，短路電流等于光生電流，即：Isc=ILI=IF-IL=Is[exp(qV/kT)-1]-IL１、開路電壓VocI=IF-IL=Is[exp(qV68３、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，該值應在0.70-0.85范圍之內。３、填充因子FF69４、太陽能電池的能量轉化效率η表示入射的太陽光能量有多少能轉換為有效的電能。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，η稱為實際轉換效率；當S是指電池中的有效發(fā)電面積時，η叫本征轉換效率。４、太陽能電池的能量轉化效率η70三、太陽能電池的等效電路三、太陽能電池的等效電路71等效電路是描述太陽能電池的最一般方法。

1、理想pn結太陽能電池的等效電路

理想pn結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。其電流電壓關系滿足我們上一節(jié)所介紹的方程。等效電路是描述太陽能電池的最一般方法。

1、理想pn結太陽722、pn結太陽能電池的實際等效電路實際上，pn結太陽能電池存在著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電流的電阻所構成的總串聯(lián)電阻。Rsh是在pn結形成的不完全的部分所導致的漏電流，稱為旁路電阻或漏電電阻。這樣構成的等效電路如右圖所示。2、pn結太陽能電池的實際等效電路實際上，pn73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。可以得到通過負載的電流電壓關系為：I=IL-Is{exp[q(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結反向漏電流變大，造成Voc下降，F(xiàn)F變小，因而效率下降。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74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-Is[exp(qV/kT)-1]-V/Rsh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75漏電電阻對光電池輸出特性的影響可用右圖表示。可以看出，漏電電阻Rsh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（100mW/cm2)，并假設Voc=0.51V，Jsc=30mA/cm2，Rs=0。漏電電阻對光電池輸出特性的影響可用右圖表示?？梢钥闯?，漏電電76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-Is{exp[q(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Voc=0.51V，Jsc=30mA/cm2，Rsh=∞。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77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。由前面分析可知，當漏電電阻Rsh降到100歐姆以下時，對光電78四、太陽能電池轉換效率的理論上限四、太陽能電池轉換效率的理論上限791、太陽能電池的理論效率太陽能電池的理論效率由下式?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。1、太陽能電池的理論效率80短路電流Isc的考慮：我們假設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：λmax=1.24(μm)/Eg(eV)而其余部分的光子，因其能量hν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。在上述理想的假設下，最大短路電流值顯然僅與材料帶隙Eg有關，其計算結果如圖所示。Isc=IL短路電流Isc的考慮：Isc=IL81在AMO和AM1.5光照射下的最大短路電流值在AMO和AM1.5光照射下的最大短路電流值82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，同時也與光電池結構有關。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，代入合適的半導體參數(shù)的數(shù)值，給出硅的最大Voc值約700mV左右。開路電壓Voc的考慮：83填充因子FF的考慮：在理想情況下，填充因子FF僅是開路電壓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。填充因子FF的考慮：84綜合上述結果，可得到作為帶隙Eg的函數(shù)的最大轉換效率，其結果示于下圖中。綜合上述結果，可得到作為帶隙Eg的函數(shù)的最大轉換效率，其結果85對于單晶硅太陽能電池，