太陽能電池的結(jié)構(gòu)和基本原理演示文稿

太陽能電池的結(jié)構(gòu)和基本原理演示文稿當(dāng)前第1頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn)

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。當(dāng)前第2頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn)一、太陽能電池的結(jié)構(gòu)和基本工作原理當(dāng)前第3頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn) 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(dāng)前第4頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn) 當(dāng)有適當(dāng)波長的光照射到這個(gè)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(dòng)勢。因而光伏效應(yīng)是半導(dǎo)體電池實(shí)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(xì)分析一下pn結(jié)的光伏效應(yīng)。當(dāng)前第5頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn)

設(shè)入射光垂直pn結(jié)面。如果結(jié)較淺，光子將進(jìn)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-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(yùn)動(dòng)。當(dāng)前第6頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn)無光照光照激發(fā) 由于pn結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)存在較強(qiáng)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(yùn)動(dòng)：p區(qū)的電子穿過p-n結(jié)進(jìn)入n區(qū)；n區(qū)的空穴進(jìn)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(dòng)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(dòng)勢，相當(dāng)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.當(dāng)前第7頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn) 在pn結(jié)開路的情況下，光生電流和正向電流相等時(shí)，p-n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。當(dāng)前第8頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn)

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(dòng)勢（或光生積累電荷），它們應(yīng)該滿足以下兩個(gè)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。當(dāng)前第9頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn)2、具有光伏結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)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(gè)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(dòng)勢（或稱光生電壓）。當(dāng)前第10頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn)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(dāng)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。當(dāng)前第11頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn)

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(dòng)發(fā)電機(jī)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(jī)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(dá)旋轉(zhuǎn)部分，也不會排出氣體，是清潔無污染的發(fā)電方式。當(dāng)前第12頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn)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。 單晶硅太陽能電池通常是以p型Si為襯底，擴(kuò)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(gè)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。當(dāng)前第13頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn)

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。

玻璃襯底非晶硅太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)前第14頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn)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。不銹鋼襯底非晶硅太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)前第15頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn)

二、太陽能電池的輸出特性當(dāng)前第16頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn)1、光電池的電流電壓特性 光電池工作時(shí)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，但方向相反。pn負(fù)載光電流IL結(jié)正向電流IFI 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=Is[exp(qV/kT)-1]其中：V是光生電壓，Is是反向飽和電流。當(dāng)前第17頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn) 如光電池與負(fù)載電阻接成通路，通過負(fù)載的電流應(yīng)該是：I=IF-IL=Is[exp(qV/kT)-1]-IL 這就是負(fù)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。 左圖分別是無光照和有光照時(shí)的光電池的伏安特性曲線。當(dāng)前第18頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn) 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(gè)輸出參數(shù)。２、描述太陽能電池的參數(shù)當(dāng)前第19頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn)１、開路電壓Voc在p-n結(jié)開路情況下（R=），此時(shí)pn結(jié)兩端的電壓即為開路電壓Voc。這時(shí)，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：Voc＝kTqln(ILIs+1)2、短路電流Isc 如將pn結(jié)短路（V=0），因而IF=0，這時(shí)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=IL當(dāng)前第20頁\共有21頁\編于星期六\23點(diǎn)３、填充因子FF在光電池的伏安特性曲線任一工作點(diǎn)上的輸出功率等于該點(diǎn)所對應(yīng)的矩形面積，其中只有一點(diǎn)是輸出最大功率，稱為最佳工作點(diǎn)，該點(diǎn)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：FF=VopIopVocIsc=PmaxVocIsc它