太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)課件

第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P1Chapter2

太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)2-1 太陽(yáng)能電池的基本原理2-2 太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)2-3 太陽(yáng)能電池的製作第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P2內(nèi)容大綱

本章節(jié)的內(nèi)容，主要地是簡(jiǎn)述式討論太陽(yáng)能電池的基本原理太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的製作28第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P32-1太陽(yáng)能電池的基本原理

表2-1 物理式電池以及化學(xué)式電池的種類以及其分類28第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P4一般太陽(yáng)能電池所使用的核心材料是半導(dǎo)體材料，在自然界中的半導(dǎo)體材料種類：有機(jī)半導(dǎo)體材料無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料在無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料方面：矽系列半導(dǎo)體材料化合物系列半導(dǎo)體材料陶瓷系列半導(dǎo)體材料2-1-1量子力學(xué)以及光電效應(yīng)29第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P5在半導(dǎo)體材料中，當(dāng)兩種不同的電荷載體相接合，而產(chǎn)生發(fā)光的效應(yīng)，則此一物理現(xiàn)象稱之為「電激發(fā)光效應(yīng)(Electro-luminescenceEffect)」，它是一種電能轉(zhuǎn)換成光能的物理現(xiàn)象。倘若半導(dǎo)體材料受到外來(lái)光的照射，而激發(fā)出電子以及電洞等電荷載體，並增加其電的傳導(dǎo)體性，則此一現(xiàn)象稱之為「光傳導(dǎo)效應(yīng)(Photo-ConductiveEffect)」，而且此些電荷載體將往不同的電場(chǎng)方向移動(dòng)，導(dǎo)致電荷載體的極化效應(yīng)(Polarization)，進(jìn)而衍生出所謂的電位差或電能，則此一現(xiàn)象稱之為「光伏特效應(yīng)或光起電力效應(yīng)(Photo-VoltaicEffect)」，它是一種光能轉(zhuǎn)換成電能的物理現(xiàn)象。29第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P6圖2-1 矽原子的電子結(jié)構(gòu)示意圖30第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P7當(dāng)矽的外層軌域電子獲得的光能量大於1.1電子伏特，則最外層軌域電子將形成自由電子以及電洞，此一物理現(xiàn)象稱之為「光激發(fā)電子-電洞對(duì)(Light-GeneratedElectron-HolePairs)」。電子-電洞對(duì)的數(shù)量大小將對(duì)其電特性有很大的影響，當(dāng)激發(fā)所衍生的電子-電洞對(duì)數(shù)量愈多的話，則其導(dǎo)電效果就愈好的，而且輸出電流也將愈大的，此一現(xiàn)象則是稱之為光導(dǎo)電效應(yīng)(PhotoConductiveEffect)。除了吸收外來(lái)的光能量而產(chǎn)生電子-電洞對(duì)之外，吸收外來(lái)的熱能量，而產(chǎn)生電子-電洞對(duì)的現(xiàn)象也有的，此一情形稱之為「熱激發(fā)電子-電洞對(duì)(Hot-GeneratedElectron-HolePairs)」。31第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P8在矽材料之中，摻雜第五族的元素於其內(nèi)，則所形成的半導(dǎo)體是帶有較多電子的n型半導(dǎo)體.倘若摻雜第三族的元素於其內(nèi)，則所形成的半導(dǎo)體是帶有較多電洞的p型半導(dǎo)體.當(dāng)p型半導(dǎo)體以及n型半導(dǎo)體接合在一起的時(shí)候，因?yàn)閮啥说淖杂呻娮右约半姸礉舛炔煌a(chǎn)生擴(kuò)散現(xiàn)象，p型半導(dǎo)體中的電洞濃度較高的，而向n型半導(dǎo)體方面擴(kuò)散.31第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P932圖2-2 p-n接面型半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)、能帶、位能、以及電場(chǎng)分布的示意圖第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P10

在接合面附近，由於電荷密度分布的不均勻，而產(chǎn)生內(nèi)部的電場(chǎng)效應(yīng)，並驅(qū)使電子以及電洞移動(dòng)至n型半導(dǎo)體以及p型半導(dǎo)體，進(jìn)而促使接合面附近沒有電子以及電洞，此一區(qū)域稱之為空乏區(qū)域(DepletionRegion)。pn接面型半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)、能帶、電荷密度、電位能、以及電場(chǎng)分布的示意圖，如圖2-2所示的。32第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P11「光電效應(yīng)(Opto-ElectronicEffect)」即是光能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象.電光效應(yīng)(Electro-OpticalEffect)」是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的物理現(xiàn)象.太陽(yáng)電池元件以及發(fā)光二極體元件，均是含有兩個(gè)電極的二端子型元件太陽(yáng)電池元件是光電效應(yīng)發(fā)光二極體元件是電光效應(yīng)33第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P122-2太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)

33圖2-3 p-n接面型太陽(yáng)能電池元件的基本結(jié)構(gòu)及其組成歐姆接觸(OhmicContact)，是一層金屬薄膜蒸鍍於半導(dǎo)體的表面，所形成的一種導(dǎo)電特性。

第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P1334圖2-3 p-n接面型太陽(yáng)能電池元件的基本結(jié)構(gòu)及其組成第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P1434圖2-4 p-n接面型太陽(yáng)能電池元件的能帶示意圖第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P15 太陽(yáng)能電池附有負(fù)載的等效電路(EquivalentCircuit)，包含：電流源(IL),二極體飽和電流(IS),電阻(RL)35圖2-5太陽(yáng)能電池元件附有負(fù)載的(a)以及無(wú)負(fù)載的(b)等效電路第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P16太陽(yáng)能電池沒有負(fù)載的等效電路圖 如圖2-5(b)35圖2-5太陽(yáng)能電池元件附有負(fù)載的(a)以及無(wú)負(fù)載的(b)等效電路第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P17太陽(yáng)能電池元件的理想電流-電壓(I-V)特性，可表示為：此一公式所繪製的曲線，分布於直角座標(biāo)第四象限所圍的區(qū)域；它是相當(dāng)於此一太陽(yáng)能元件所輸出的功率，所得四方形的面積大小即是最大輸出功率，如圖2-6(a)所示的。35第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P18由圖2-6(b)可以得知：短路電流(ShortCircuitCurrent,ISC)開放電路或斷路電壓(OpenCircuitVoltage,VOC)最大電流值(MaximumCurrent,Im)最大電壓值(MaximumVoltage,Vm)如圖2-6(b)所示的。代表著太陽(yáng)光輻射於太陽(yáng)能電池元件，其內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)量載體而形成的電流源；而代表著二極體元件的飽和電流。35第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P19 倘若選擇最佳化的負(fù)載(Load)，則此一太陽(yáng)能電池可以輸出()()功率的80%。是此一電池的短路電流並等於，而則是電池的開路或斷路電壓。 當(dāng)時(shí)，36第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P2036圖2-6 太陽(yáng)能電池元件的電流電壓關(guān)係曲線(a)以及短路電流、斷路電壓、最大電流值、以及最大電壓值等參數(shù)(b)示意圖第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P21 對(duì)於一定的，將隨著其飽和電流的減少，而呈現(xiàn)指數(shù)式的增加： 當(dāng)，其輸出電功率是最大的，而最大輸出電功率為。 最大輸出電功率為：37第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P22 最大輸出電功率為： 太陽(yáng)能電池元件的理想光電轉(zhuǎn)換效率或能量轉(zhuǎn)換效率(

)為： 形狀因子(FillFactor,FF)的定義為：37第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P23 若太陽(yáng)能電池有串聯(lián)電阻負(fù)載的時(shí)候，此時(shí)，太陽(yáng)能電池元件的電流-電壓(I-V)特性以及能量轉(zhuǎn)換效率，可表示為：38圖2-7 太陽(yáng)能電池有串聯(lián)電阻負(fù)載的等效電路示意圖第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P2439第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P25 太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率()為：39第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P26因接面使用材料的種類而區(qū)分，則太陽(yáng)能電池元件的種類：同質(zhì)接面型太陽(yáng)能電池元件(Homo-JunctionSolarCell)異質(zhì)接面型太陽(yáng)能電池元件(Hetero-JunctionSolarCell)在接面型太陽(yáng)能電池元件的特性上，有金屬-半導(dǎo)體接觸特性(Metal-SemiconductorContact)以及金屬-絕緣體-半導(dǎo)體接觸特性(Metal-Insulator-Semiconductor)等兩種；而金屬-半導(dǎo)體接觸特性，稱之為蕭特基能障(SchottkyEnergyBarrierorSchottkyBarrier)。39第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P27蕭特基能障或金屬-半導(dǎo)體接觸，乃是由極薄的金屬薄膜以及半導(dǎo)體薄膜等所構(gòu)成的界面，其界面處存在有空乏區(qū)，亦就是沒有任何載體存在的區(qū)域，其元件以及能帶示意圖，如圖2-8(a)所示的。就金屬-半導(dǎo)體接觸型太陽(yáng)能電池元件而言，其飽和電流密度以及開放電壓為A：半導(dǎo)體基板材料常數(shù)。40第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P28圖2-8 蕭特基能障或金屬-半導(dǎo)體接觸(a)以及金屬-絕緣體-半導(dǎo)體接觸(b)，其元件以及能帶示意圖41第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P29 就金屬-絕緣體-半導(dǎo)體接觸型太陽(yáng)電池元件而言，其飽和電流密度以及開放電壓為：A：半導(dǎo)體基板材料常數(shù)；a：常數(shù)；：絕緣體薄膜厚度。

48第二章太陽(yáng)能電池的基本原理及其結(jié)構(gòu)P302-3太陽(yáng)能電池的製作太陽(yáng)能電池的製作，可以分為晶圓片型的以及薄膜型的兩種不同的製程技術(shù)。晶圓片型的太陽(yáng)能電池，因?yàn)樵牧系亩倘倍?yīng)不足以及其單價(jià)是較高的，以致於大面積而高效率的薄膜型的太陽(yáng)能電池，成為未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)所在。緣邊膜進(jìn)料長(zhǎng)晶的方式(