第二講太陽能電池之工作原理

太陽能電池工作原理及效率太陽能電池基本原理基本原理

太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，即一些半導(dǎo)體材料受到光照時，載流子數(shù)量會劇增，導(dǎo)電能力隨之增強(qiáng)，這就是半導(dǎo)體的光敏特性。基本原理當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體上時，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過。被吸收的光，當(dāng)然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子價電子碰撞，于是產(chǎn)生電子—空穴對。這樣，光能就以產(chǎn)生電子—空穴對的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。基本原理如果半?dǎo)體內(nèi)存在P—N結(jié)，則在P型和N型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅(qū)向N區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)，從而使得N區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，在P—N結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反光的生電場?；驹砣舴謩e在P型層和N型層焊上金屬引線，接通負(fù)載，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，輸出功率。

基本原理基本原理制造太陽電池的半導(dǎo)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(xì)介紹太陽能電池的工作原理。一、太陽能電池的物理基礎(chǔ)1、本征半導(dǎo)體

物質(zhì)的導(dǎo)電性能決定于原子結(jié)構(gòu)。導(dǎo)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），它們的最外層電子受原子核束縛力很強(qiáng)，很難成為自由電子，所以導(dǎo)電性極差，成為絕緣體。常用的半導(dǎo)體材料硅（Si）和鍺（Ge）均為四價元素，它們的最外層電子既不像導(dǎo)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縛的那么緊，因而其導(dǎo)電性介于二者之間。1、本征半導(dǎo)體定義：將純凈的半導(dǎo)體經(jīng)過一定的工藝過程制成單晶體，即為本征半導(dǎo)體。

晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣，相鄰的原子形成共價鍵。共價鍵1、本征半導(dǎo)體

晶體中的共價鍵具有極強(qiáng)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。原子因失掉一個價電子而帶正電，或者說空穴帶正電。在本征半導(dǎo)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。1、本征半導(dǎo)體本征激發(fā):

半導(dǎo)體在光照或熱輻射激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

空穴自由電子1、本征半導(dǎo)體

復(fù)合:

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)象稱為復(fù)合。

動態(tài)平衡：

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(fù)合的自由電子和空穴對數(shù)目相等，故達(dá)到動態(tài)平衡。1、本征半導(dǎo)體能帶理論：單個原子中的電子在繞核運動時，在各個軌道上的電子都各自具有特定的能量；越靠近核的軌道，電子能量越低；根據(jù)能量最小原理電子總是優(yōu)先占有最低能級；能帶理論解釋本征激發(fā)1、本征半導(dǎo)體能帶理論：價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶；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；禁帶之上則為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶中的能級就是價電子掙脫共價鍵束縛而成為自由電子所能占據(jù)的能級；禁帶寬度用Eg表示，其值與半導(dǎo)體的材料及其所處的溫度等因素有關(guān)。(ev電子伏特）T=300K時，硅的Eg=1.1eV；鍺的Eg=0.72eV。

晶體中大量電子能級分布組成密集的能級帶，稱為能帶。其中“價帶”能級最低，“導(dǎo)帶”能級最高。處于導(dǎo)電狀態(tài)的能級區(qū)域稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶與價帶之間區(qū)域稱為禁帶。

能帶理論：P4光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。工作原理：當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體表面時，半導(dǎo)體內(nèi)部N區(qū)和P區(qū)中原子的價電子受到太陽光子的沖擊，通過光輻射獲取到超過禁帶Eg的能量，脫離共價鍵的束縛從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，由此在半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生出很多處于非平衡狀態(tài)的電子--空穴對。這些被光激發(fā)的電子空穴，或自由碰撞，或在半導(dǎo)體中復(fù)合恢復(fù)到平衡狀態(tài)。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體：通過擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量雜質(zhì)元素，便可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。按摻入的雜質(zhì)元素不用，可形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體；控制摻入雜質(zhì)元素的濃度，就可控制雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體：

在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體。

自由電子施主原子2、雜質(zhì)半導(dǎo)體

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。多出的電子不受共價鍵的束縛，成為自由電子。

N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，故稱自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。

由于雜質(zhì)原子可以提供電子，故稱之為施主原子。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體：

在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導(dǎo)體。

空位受主原子空穴2、雜質(zhì)半導(dǎo)體

由于雜質(zhì)原子的最外層有三個價電子，所以當(dāng)它們與其周圍硅原子形成共價鍵時，就產(chǎn)生了一個“空位”當(dāng)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P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子。因雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，故稱之為受主原子。

3、PN結(jié)

PN結(jié)：采用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結(jié)。

正離子負(fù)離子空穴自由電子空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)N區(qū)P區(qū)ε3、PN結(jié)

擴(kuò)散運動：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(kuò)散運動。當(dāng)把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)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，因而P區(qū)的空穴必然向N區(qū)擴(kuò)散，與此同時，N區(qū)的自由電子也必然向P區(qū)擴(kuò)散，如圖示。3、PN結(jié)

由于擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子與空穴復(fù)合，而擴(kuò)散到N區(qū)的空穴與自由電子復(fù)合，所以在交界面附近多子的濃度下降，P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們是不能移動的，稱為空間電荷區(qū)，從而形成內(nèi)建電場ε。隨著擴(kuò)散運動的進(jìn)行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)建電場增強(qiáng)，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，正好阻止擴(kuò)散運動的進(jìn)行。3、PN結(jié)

漂移運動：在電場力作用下，載流子的運動稱為漂移運動。當(dāng)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N區(qū)向P區(qū)運動，而自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動。

在無外電場和其它激發(fā)作用下，參與擴(kuò)散運動的多子數(shù)目等于參與漂移運動的少子數(shù)目，從而達(dá)到動態(tài)平衡，形成PN結(jié)，如圖示。此時，空間電荷區(qū)具有一定的寬度，電位差為ε=Uho，電流為零。二、太陽能電池工作原理1、光生伏打效應(yīng):太陽能電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。

如前所述，當(dāng)光照射到半導(dǎo)體光伏器件上時，能量大于硅禁帶寬度的光子穿過減反射膜進(jìn)入硅中，在N區(qū)、耗盡區(qū)和P區(qū)中激發(fā)出光生電子--空穴對。耗盡區(qū)：光生電子--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(jìn)N區(qū)，光生空穴則被推進(jìn)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近似為0，即p=n=0。

1、光生伏打效應(yīng)

內(nèi)建電場εN區(qū)P區(qū)1、光生伏打效應(yīng)

在N區(qū)中：光生電子--空穴對產(chǎn)生以后，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)建電場作用，被電場力牽引作漂移運動，越過耗盡區(qū)進(jìn)入P區(qū)，光生電子（多子）則被留在N區(qū)。

在P區(qū)中：的光生電子（少子）同樣的先因為擴(kuò)散、后因為漂移而進(jìn)入N區(qū)，光生空穴（多子）留在P區(qū)。如此便在P-N結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，使N區(qū)儲存了過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴。從而形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。

1、光生伏打效應(yīng)

P區(qū)光生電場N區(qū)內(nèi)建電場ε1、光生伏打效應(yīng)

光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢，這就是光生伏打效應(yīng)。當(dāng)電池接上一負(fù)載后，光電流就從P區(qū)經(jīng)負(fù)載流至N區(qū)，負(fù)載中即得到功率輸出。如果將P-N結(jié)兩端開路，可以測得這個電動勢，稱之為開路電壓Uoc。對晶體硅電池來說，開路電壓的典型值為0.5～0.6V。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，這個電流稱為短路電流Isc。1、光生伏打效應(yīng)影響光電流的因素：

通過光照在界面層產(chǎn)生的電子-空穴對愈多，電流愈大。界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。太陽能電池的N區(qū)、耗盡區(qū)和P區(qū)均能產(chǎn)生光生載流子；各區(qū)中的光生載流子必須在復(fù)合之前越過耗盡區(qū)，才能對光電流有貢獻(xiàn)，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(fù)合、擴(kuò)散和漂移等各種因素。2、太陽能電池材料的光學(xué)性質(zhì)太陽能電池的光學(xué)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(shè)計的依據(jù)。⑴吸收定律

當(dāng)一束光譜輻照度為I0的光正交入射到半導(dǎo)體表面上時，扣除反射后，進(jìn)入半導(dǎo)體的光譜輻照度為I0(1-R)，在半導(dǎo)體內(nèi)離前表面距離為x處的光譜輻照度Ix由吸收定律決定：⑴太陽能電池的效率:在上式中，如果把At換為有效面積Aa（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些，這一點在閱讀國內(nèi)外文獻(xiàn)時應(yīng)注意。美國的普林斯最早算出硅太陽能電池的理論效率為21.7%。20世紀(jì)70年代，華爾夫（M.Wolf）又做過詳盡的討論，也得到硅太陽能電池的理論效率在AM0光譜條件下為20%~22%，以后又把它修改為25%（AM1.0光譜條件）。估計太陽能電池的理論效率，必須把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)。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定的。⑵影響效率的因素

綜上所述，提高太陽能電池效率，必須提高開路電壓Uoc、短路電流ISC和填充因子FF這三個基本參量。而這3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，以至于總效率不僅沒提高反而有所下降。因而在選擇材料、設(shè)計工藝時必須全盤考慮，力求使3個參量的乘積最大。⑵影響效率的因素材料能帶寬度:

開路電壓UOC隨能帶寬度Eg的增大而增大，但另一方面，短路電流密度隨能帶寬度Eg的增大而減小。結(jié)果可期望在某一個確定的Eg處出現(xiàn)太陽電池效率的峰值。用Eg值介于1.2～1.6eV的材料做成太陽電池，可望達(dá)到最高效率。薄膜電池用直接帶隙半導(dǎo)體更為可取，因為它能在表面附近吸收光子。⑵影響效率的因素溫度:

少子的擴(kuò)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UOC隨溫度的升高急劇下降。填充因子下降，所以轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增加而降低。

地面應(yīng)用的硅太陽能電池一般工作在-40～+70℃之間，空間應(yīng)用的硅太陽能電池可在-135～+125℃條件下工作。溫度每升高1℃，電池的輸出功率損失約為0.35%～0.45%，也就是說，在20℃工作的硅太陽能電池的輸出功率要比在70℃工作時高20%。⑵影響效率的因素輻照度:

隨輻照度的增加短路電流線性增加，最大功率不斷增加。將陽光聚焦于太陽電池，可使一個小小的太陽電池產(chǎn)生出大量的電能。⑵影響效率的因素?fù)诫s濃度:

對UOC有明顯影響的另一因素是半導(dǎo)體摻雜濃度。摻雜濃度越高，UOC越高。但當(dāng)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