太陽能電池原理

關(guān)于太陽能電池原理第一頁，共七十一頁，2022年，8月28日太陽電池種類第二頁，共七十一頁，2022年，8月28日單晶硅太陽電池第三頁，共七十一頁，2022年，8月28日多晶硅太陽電池第四頁，共七十一頁，2022年，8月28日非晶硅太陽電池第五頁，共七十一頁，2022年，8月28日2.按照結(jié)構(gòu)分類：同質(zhì)結(jié)太陽電池異質(zhì)結(jié)太陽電池肖特基結(jié)太陽電池復(fù)合結(jié)太陽電池液結(jié)太陽電池等第六頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.按照用途分類：空間太陽電池:在人造衛(wèi)星、宇宙飛船等航天器上應(yīng)用的太陽電池。由于使用環(huán)境特殊，要求太陽電池具有效率高、重量輕、耐輻照等性能。

地面太陽電池:在地面上應(yīng)用的太陽電池。光敏傳感器:光照射時(shí)，太陽電池兩極之間就能產(chǎn)生電壓。連成回路，就有電流流過，光照強(qiáng)度不同，電流的大小也不一樣，因此可以作為傳感器使用。第七頁，共七十一頁，2022年，8月28日航天器上的光伏系統(tǒng)第八頁，共七十一頁，2022年，8月28日第九頁，共七十一頁，2022年，8月28日火星車第十頁，共七十一頁，2022年，8月28日4.按照工作方式分類：平板太陽電池聚光太陽電池第十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日聚光太陽電池第十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日聚光電池第十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日二.硅太陽電池的工作原理

硅原子的外層電子殼層中有4個(gè)電子。受到原子核的束縛比較小，如果得到足夠的能量，會(huì)擺脫原子核的束縛而成為自由電子，并同時(shí)在原來位置留出一個(gè)空穴。電子帶負(fù)電；空穴帶正電。在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。第十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日硅原子示意圖第十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日在硅晶體中每個(gè)原子有4個(gè)相鄰原子，并和每一個(gè)相鄰原子共有2個(gè)價(jià)電子，形成穩(wěn)定的8原子殼層。從硅的原子中分離出一個(gè)電子需要1.12eV的能量，該能量稱為硅的禁帶寬度。被分離出來的電子是自由的傳導(dǎo)電子，它能自由移動(dòng)并傳送電流。第十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日硅原子的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)第十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日

如果在純凈的硅晶體中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)磷（或砷，銻等），由于磷原子具有5個(gè)價(jià)電子，所以1個(gè)磷原子同相鄰的4個(gè)硅原子結(jié)成共價(jià)鍵時(shí)，還多余1個(gè)價(jià)電子，這個(gè)價(jià)電子很容易掙脫磷原子核的吸引而變成自由電子。所以一個(gè)摻入5價(jià)雜質(zhì)的4價(jià)半導(dǎo)體，就成了電子導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體，也稱為n型半導(dǎo)體。第十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日在n型半導(dǎo)體中，除了由于摻入雜質(zhì)而產(chǎn)生大量的自由電子以外，還有由于熱激發(fā)而產(chǎn)生少量的電子-空穴對(duì)。然而空穴的數(shù)目相對(duì)于電子的數(shù)目是極少的，所以在n型半導(dǎo)體材料中，空穴數(shù)目很少,稱為少數(shù)載流子;而電子數(shù)目很多,稱為多數(shù)載流子。第十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日n型半導(dǎo)體第二十頁，共七十一頁，2022年，8月28日同樣如果在純凈的硅晶體中摻入3價(jià)雜質(zhì)，如硼（或鋁、鎵或銦等），這些3價(jià)雜質(zhì)原子的最外層只有3個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它與相鄰的硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，還缺少1個(gè)價(jià)電子，因而在一個(gè)共價(jià)鍵上要出現(xiàn)一個(gè)空穴，因此摻入3價(jià)雜質(zhì)的4價(jià)半導(dǎo)體，也稱為p型半導(dǎo)體。對(duì)于p型半導(dǎo)體，空穴是多數(shù)載流子，而電子為少數(shù)載流子。第二十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日P型半導(dǎo)體第二十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日若將p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體兩者緊密結(jié)合，聯(lián)成一體時(shí)，由導(dǎo)電類型相反的兩塊半導(dǎo)體之間的過渡區(qū)域，稱為p-n結(jié)。在p-n結(jié)兩邊，由于在p型區(qū)內(nèi)，空穴很多，電子很少；而在n型區(qū)內(nèi)，則電子很多，空穴很少。由于交界面兩邊，電子和空穴的濃度不相等，因此會(huì)產(chǎn)生多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。第二十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日在靠近交界面附近的p區(qū)中，空穴要由濃度大的p區(qū)向濃度小的n區(qū)擴(kuò)散，并與那里的電子復(fù)合，從而使那里出現(xiàn)一批帶正電荷的攙入雜質(zhì)的離子。同時(shí)在p型區(qū)內(nèi)，由于跑掉了一批空穴而呈現(xiàn)帶負(fù)電荷的攙入雜質(zhì)的離子。第二十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日同樣在靠近交界面附近的n區(qū)中，電子要由濃度大的n區(qū)向濃度小的p區(qū)擴(kuò)散，而電子則由濃度大的n區(qū)要向濃度小的p區(qū)擴(kuò)散，并與那里的空穴復(fù)合，從而使那里出現(xiàn)一批帶負(fù)電荷的攙入雜質(zhì)的離子。同時(shí)在n型區(qū)內(nèi)，由于跑掉了一批電子而呈現(xiàn)帶正電荷的攙入雜質(zhì)的離子。第二十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日于是，擴(kuò)散的結(jié)果是在交界面的兩邊形成一邊帶正電荷而另一邊帶負(fù)電荷的一層很薄的區(qū)域，稱為空間電荷區(qū)。這就是p-n結(jié)。在p-n結(jié)內(nèi)，由于兩邊分別積聚了負(fù)電荷和正電荷，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由正電荷指向負(fù)電荷的電場(chǎng)，因此在p-n結(jié)內(nèi)，存在一個(gè)由n區(qū)指向p區(qū)的電場(chǎng)，稱為內(nèi)建電場(chǎng)（或稱勢(shì)壘電場(chǎng))。第二十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日第二十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日太陽電池在光照下，能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子，使得半導(dǎo)體中原子的價(jià)電子受到激發(fā)，在p區(qū)、空間電荷區(qū)和n區(qū)都會(huì)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，也稱光生載流子。這樣形成的電子-空穴對(duì)由于熱運(yùn)動(dòng)，向各個(gè)方向遷移。第二十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日光生電子-空穴對(duì)在空間電荷區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場(chǎng)分離，光生電子被推進(jìn)n區(qū)，光生空穴被推進(jìn)p區(qū)。在空間電荷區(qū)邊界處總的載流子濃度近似為0。第二十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日在n區(qū)，光生電子-空穴產(chǎn)生后，光生空穴便向p-n結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá)p-n結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場(chǎng)的作用，在電場(chǎng)力作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，越過空間電荷區(qū)進(jìn)入p區(qū)，而光生電子（多數(shù)載流子）則被留在n區(qū)。第三十頁，共七十一頁，2022年，8月28日

p區(qū)中的光生電子也會(huì)向p-n結(jié)邊界擴(kuò)散，并在到達(dá)p-n結(jié)邊界后，同樣由于受到內(nèi)建電場(chǎng)的作用而在電場(chǎng)力作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入n區(qū)，而光生空穴（多數(shù)載流子）則被留在p區(qū)。第三十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日因此在p-n結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)除了一部分抵消內(nèi)建電場(chǎng)以外，還使p型層帶正電，n型層帶負(fù)電，因此產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)。這就是“光生伏打效應(yīng)”（簡(jiǎn)稱光伏）。第三十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日

如果使太陽電池開路，即負(fù)載電阻，RL=∞，則被p-n結(jié)分開的全部過剩載流子就會(huì)積累在p-n結(jié)附近，于是產(chǎn)生了等于開路電壓VOC的最大光生電動(dòng)勢(shì)。如果把太陽電池短路，即RL=0，則所有可以到達(dá)p-n結(jié)的過剩載流子都可以穿過結(jié)，并因外電路閉合而產(chǎn)生了最大可能的電流，即短路電流ISC。第三十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日如果把太陽電池接上負(fù)載RL，則被結(jié)分開的過剩載流子中就有一部分把能量消耗于降低p-n結(jié)勢(shì)壘，即用于建立工作電壓Vm，而剩余部分的光生載流子則用來產(chǎn)生光生電流Im。第三十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日第三十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日第三十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日第三十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日太陽電池的極性

太陽電池一般制成p+/n型結(jié)構(gòu)或n+/p型結(jié)構(gòu)，其中第一個(gè)符號(hào)，即p+和n+表示太陽電池正面光照半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型；第二個(gè)符號(hào)，即n和p表示太陽電池背面襯底半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型。下圖為在p型半導(dǎo)體材料上擴(kuò)散磷元素，形成n+/p型結(jié)構(gòu)的太陽電池。上表面為負(fù)極；下表面為正極。第三十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日三.太陽電池的結(jié)構(gòu)第三十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日四.太陽電池基本參數(shù)1.標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件光源輻照度：1000W/m2；測(cè)試溫度：25±20C；AM1.5地面太陽光譜輻照度分布。第四十頁，共七十一頁，2022年，8月28日太陽光譜分布第四十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日2.太陽電池等效電路(1)理想太陽電池等效電路：相當(dāng)于一個(gè)電流為Iph的恒流電源與一只正向二極管并聯(lián)。流過二極管的正向電流稱為暗電流ID.流過負(fù)載的電流為I負(fù)載兩端的電壓為V第四十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日理想的太陽電池等效電路

IphIDV

R

I第四十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日(2)實(shí)際太陽電池等效電路：由于漏電流等產(chǎn)生的旁路電阻Rsh由于體電阻和電極的歐姆電阻產(chǎn)生的串聯(lián)電阻Rs在Rsh兩端的電壓為：Vj=(V+IRS)因此流過旁路電阻Rsh的電流為：

ISh=(V+IRS)/Rsh流過負(fù)載的電流：

I=Iph–

ID–ISh第四十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日

實(shí)際的太陽電池等效電路

Rs

IphID

RshIshV

R

I第四十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日暗電流ID是注入電流和復(fù)合電流之和，可以簡(jiǎn)化為單指數(shù)形式：

ID=Ioo{exp(qVj/A0kT)-1}其中：Ioo為太陽電池在無光照時(shí)的飽和電流；

A0為結(jié)構(gòu)因子，它反映了p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)完整性對(duì)性能的影響；

K是玻爾茲曼恒量

第四十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日因此得出:這就是光照情況下太陽電池的電流與電壓的關(guān)系。畫成圖形，即為(I-V)特性曲線。第四十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日在理想情況下：Rsh

→∞，Rs→0由此得到：I=Iph–

ID=Iph–

Ioo{exp(qV/A0kT)-1}在負(fù)載短路時(shí)，即Vj=0(忽略串聯(lián)電阻)，便得到短路電流，其值恰好與光電流相等

Isc=Iph第四十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日因此得出：I=Iph–

ID

=Isc–

Ioo{exp(qV/A0kT)-1}在負(fù)載R→∞時(shí),輸出電流→0,便得到開路電壓Voc其值由下式確定：

第四十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.伏安(I-V)特性曲線受光照的太陽電池，在一定的溫度和輻照度以及不同的外電路負(fù)載下，流入負(fù)載的電流I和電池端電壓V的關(guān)系曲線。下圖為某個(gè)太陽電池組件的(I-V)特性曲線示意圖。第五十頁，共七十一頁，2022年，8月28日不同輻照度下電池的I-V特性曲線第五十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日4.開路電壓在一定的溫度和輻照度條件下，光伏發(fā)電器在空載(開路)情況下的端電壓，通常用Voc來表示。太陽電池的開路電壓與電池面積大小無關(guān)，通常單晶硅太陽電池的開路電壓約為450-600mV，最高可達(dá)690mV。太陽電池的開路電壓與入射光譜輻照度的對(duì)數(shù)成正比。第五十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日5.短路電流在一定的溫度和輻照條件下，光伏發(fā)電器在端電壓為零時(shí)的輸出電流，通常用Isc來表示。Isc與太陽電池的面積大小有關(guān)，面積越大，Isc越大。一般1cm2的太陽電池Isc值約為16-30mA。Isc與入射光的輻照度成正比。第五十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日6.最大功率點(diǎn)在太陽電池的伏安特性曲線上對(duì)應(yīng)最大功率的點(diǎn)，又稱最佳工作點(diǎn)。7.最佳工作電壓太陽電池伏安特性曲線上最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓。通常用Vm表示8.最佳工作電流太陽電池伏安特性曲線上最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流。通常用Im表示第五十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日9.轉(zhuǎn)換效率受光照太陽電池的最大功率與入射到該太陽電池上的全部輻射功率的百分比。

η=VmIm/AtPin其中Vm和Im分別為最大輸出功率點(diǎn)的電壓和電流，At為太陽電池的總面積，Pin為單位面積太陽入射光的功率。第五十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日世界主要太陽電池新記錄第五十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日中國(guó)太陽電池實(shí)驗(yàn)室最高效率第五十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日10.填充因子(曲線因子)太陽電池的最大功率與開路電壓和短路電流乘積之比，通常用FF(或CF)表示：

FF=ImVm/IscVoc

IscVoc是太陽電池的極限輸出功率

ImVm是太陽電池的最大輸出功率填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。

第五十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日11.電流溫度系數(shù)在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，被測(cè)太陽電池溫度每變化10C，太陽電池短路電流的變化值，通常用α表示。對(duì)于一般晶體硅電池

α=+0.1%/0C第五十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日12.電壓溫度系數(shù)在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，被測(cè)太陽電池溫度每變化10C，太陽電池開路電壓的變化值，通常用β表示。對(duì)于一般晶體硅電池

β=-0.38%/0C第六十頁，共七十一頁，2022年，8月28日第六十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日五.提高晶體硅電池效率的方法1.紫光電池采用淺結(jié)(μm),和密柵(如30條/cm),克服了“死層”,增加了電池的蘭紫光響應(yīng),提高了電池的效率。2.背電場(chǎng)(BSF)電池在常規(guī)電池n+/p或p+/n