《太陽能電池機理》課件

太陽能電池機理太陽能電池是一種將光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件。它利用光伏效應(yīng)，當光照射在半導(dǎo)體材料上時，會產(chǎn)生電子-空穴對，從而形成電流。WD太陽能電池簡介太陽能電池是一種能夠?qū)⒐饽苤苯愚D(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件。它利用光電效應(yīng)原理，將光照射到半導(dǎo)體材料上，使半導(dǎo)體材料中的電子吸收光子能量而躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電子-空穴對，形成電流。太陽能電池廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如，家用光伏發(fā)電系統(tǒng)，手機充電器，以及各種便攜式電子設(shè)備。隨著太陽能技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能電池的效率和壽命都得到了顯著提升，未來將發(fā)揮更加重要的作用。太陽能電池的優(yōu)點清潔環(huán)保太陽能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源，不會產(chǎn)生污染，對環(huán)境友好。節(jié)約能源太陽能電池可以有效減少對傳統(tǒng)能源的依賴，節(jié)約能源，緩解能源危機。經(jīng)濟效益長期使用太陽能電池可以節(jié)省電費支出，降低生產(chǎn)成本，帶來經(jīng)濟效益。發(fā)展前景廣闊太陽能電池技術(shù)不斷發(fā)展，未來在能源領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用。光電效應(yīng)原理1光子吸收光子能量被半導(dǎo)體材料吸收2電子激發(fā)價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶3電子空穴對形成價帶中留下空穴4電流產(chǎn)生電子和空穴在外電場作用下流動光電效應(yīng)是光照射到金屬或半導(dǎo)體材料表面時，材料中的電子吸收光子能量，從束縛態(tài)躍遷到自由態(tài)，從而產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識導(dǎo)體電阻率低，電子可以自由移動，電流可以輕松通過。絕緣體電阻率高，電子束縛在原子核附近，電流難以通過。半導(dǎo)體電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間，在特定條件下可以導(dǎo)電。能帶理論解釋半導(dǎo)體中電子能級的分布，解釋其導(dǎo)電特性。能帶理論能帶理論解釋了固體材料中電子能量的分布情況，為理解半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)提供基礎(chǔ)。電子能級在固體中不再是孤立的，而是形成連續(xù)的能帶，稱為導(dǎo)帶和價帶。導(dǎo)帶中的電子可以自由移動，參與導(dǎo)電過程。價帶中的電子被束縛在原子核附近，不能自由移動。能帶之間存在禁帶，電子需要獲得特定能量才能躍遷到導(dǎo)帶，從而參與導(dǎo)電。費米能級定義在絕對零度時，電子占據(jù)的最高能級性質(zhì)描述電子占據(jù)能級的概率應(yīng)用解釋半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能費米能級是半導(dǎo)體物理學中的一個重要概念，它決定了電子填充能帶的情況，進而影響材料的導(dǎo)電性能。pn結(jié)的形成1PN結(jié)的形成PN結(jié)是通過在P型半導(dǎo)體材料和N型半導(dǎo)體材料之間形成一個結(jié)點而形成的。2擴散過程由于兩種類型半導(dǎo)體材料中的載流子濃度差異，自由電子從N型區(qū)擴散到P型區(qū)，空穴從P型區(qū)擴散到N型區(qū)。3空間電荷區(qū)擴散過程會導(dǎo)致空間電荷區(qū)形成，該區(qū)域存在著靜電勢差，阻止了進一步的擴散。空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成當PN結(jié)形成時，由于電子和空穴的擴散，在PN結(jié)附近形成一個無載流子的區(qū)域，稱為空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)電場空間電荷區(qū)中存在一個內(nèi)建電場，該電場阻止電子和空穴繼續(xù)擴散?？臻g電荷區(qū)寬度空間電荷區(qū)的寬度取決于PN結(jié)的摻雜濃度和外加電壓。光電流的產(chǎn)生光子吸收當光線照射到太陽能電池上時，光子被硅材料中的電子吸收，電子獲得能量躍遷到更高的能級。電子空穴對躍遷到更高能級的電子脫離原有軌道，形成一個電子空穴對，它們分別代表負電荷和正電荷。電子移動電子在PN結(jié)的電場作用下，從P區(qū)移動到N區(qū)，形成光電流，它是太陽能電池輸出電流的來源之一。電池輸出特性11.開路電壓光照下，無電流輸出時，兩端電壓稱為開路電壓，代表光電轉(zhuǎn)換的最大電壓。22.短路電流當電池兩端短路時，流過的電流稱為短路電流，代表光電轉(zhuǎn)換的最大電流。33.填充因子填充因子是電池輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比，反映電池效率。44.轉(zhuǎn)換效率太陽能電池轉(zhuǎn)換效率是指電池輸出功率占入射光功率的比例，體現(xiàn)電池性能。開路電壓開路電壓（VOC）是指在無負載狀態(tài)下，即電流為零時，太陽能電池兩端電壓。在開路狀態(tài)下，太陽能電池的輸出電流為零，但內(nèi)部的光生載流子仍會積累，從而導(dǎo)致電池兩端產(chǎn)生電壓。0.5V硅電池典型的晶體硅太陽能電池的開路電壓約為0.5伏。1V薄膜薄膜太陽能電池的開路電壓可能更高，例如，銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池的開路電壓可以達到1伏以上。短路電流短路電流是指太陽能電池在短路狀態(tài)下產(chǎn)生的電流，是太陽能電池的重要性能指標之一。短路電流的大小取決于太陽能電池的光照面積、光照強度和太陽能電池的材料特性等因素。填充因子理想值填充因子是太陽能電池的重要參數(shù)之一。填充因子表示實際輸出功率與最大輸出功率的比值，反映了太陽能電池的效率。轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率是衡量太陽能電池性能的關(guān)鍵指標。它表示光能轉(zhuǎn)化為電能的比例，通常以百分比表示。轉(zhuǎn)換效率=輸出功率/輸入功率輸出功率=電壓×電流輸入功率=光照強度×面積衰減機理光照衰減太陽能電池長期暴露在陽光下，會導(dǎo)致材料劣化。光照會引起材料內(nèi)部的缺陷和晶格結(jié)構(gòu)的改變，從而降低電池效率。溫度衰減溫度變化會影響電池材料的電學性質(zhì)，例如載流子的遷移率和壽命。高溫會導(dǎo)致材料擴散和分解，低溫會導(dǎo)致載流子遷移率降低。衰減因素溫度溫度會影響太陽能電池的性能。溫度升高會降低電池的效率。光強光強也會影響太陽能電池的效率。光強降低會降低電池的效率。電子復(fù)合電子復(fù)合是指電子和空穴在PN結(jié)處重新結(jié)合的過程。電子復(fù)合會導(dǎo)致電池的效率降低。電子注入電子注入是指電子從光照區(qū)域注入到PN結(jié)的導(dǎo)帶。電子注入效率低會降低電池的效率。溫度效應(yīng)1電池效率下降溫度升高，電子和空穴復(fù)合率增加2電流減少溫度升高，半導(dǎo)體材料的電阻率增加3開路電壓下降溫度升高，載流子濃度增加太陽能電池的工作溫度會影響其轉(zhuǎn)換效率。溫度升高會導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的電阻率增加，從而降低電流。同時，溫度升高也會加速電子和空穴的復(fù)合率，導(dǎo)致開路電壓下降。此外，溫度升高也會導(dǎo)致電池內(nèi)部能量損失增加，進一步降低轉(zhuǎn)換效率。光強效應(yīng)太陽能電池的輸出電流和電壓會受到光強影響，光強越大，電池輸出電流和電壓也會相應(yīng)提高。光強增加會導(dǎo)致更多光子被吸收，從而產(chǎn)生更多的載流子，提高電流。此外，光強增加還會提高電池內(nèi)部的電場強度，導(dǎo)致電壓上升。1光子吸收光子能量增加2載流子產(chǎn)生電子空穴對增加3電流增加輸出電流增強4電壓增加內(nèi)部電場增強電子復(fù)合過程電子復(fù)合過程是指在半導(dǎo)體材料中，電子和空穴相遇并結(jié)合成中性原子的過程。1輻射復(fù)合電子和空穴結(jié)合釋放光子。2無輻射復(fù)合電子和空穴結(jié)合釋放熱量。3缺陷復(fù)合電子和空穴在晶格缺陷處結(jié)合。復(fù)合過程會降低半導(dǎo)體材料的載流子濃度，影響太陽能電池的效率。電子注入機理擴散注入電子在p型半導(dǎo)體中由于濃度梯度導(dǎo)致的擴散運動，使電子從n型半導(dǎo)體注入到p型半導(dǎo)體。漂移注入在空間電荷區(qū)，電子在電場作用下被加速，并注入到p型半導(dǎo)體中。熱激發(fā)注入電子從費米能級躍遷到導(dǎo)帶，并被注入到p型半導(dǎo)體中。電子遷移機理1光生載流子太陽光照射到太陽能電池上，產(chǎn)生電子-空穴對。2電子遷移光生電子從pn結(jié)的n型區(qū)向p型區(qū)遷移，空穴從p型區(qū)向n型區(qū)遷移。3電流產(chǎn)生電子和空穴在pn結(jié)處發(fā)生復(fù)合，產(chǎn)生光電流。金屬半導(dǎo)體接觸1歐姆接觸金屬與半導(dǎo)體之間形成的歐姆接觸，電子可以自由流動。2肖特基接觸金屬與半導(dǎo)體之間形成的肖特基接觸，電子需要克服勢壘才能流動。3接觸電阻接觸電阻是影響太陽能電池性能的重要因素。歐姆接觸低電阻接觸歐姆接觸是指金屬與半導(dǎo)體之間形成的低電阻接觸，電子可以自由地從金屬流入半導(dǎo)體或反之。能帶對齊歐姆接觸需要金屬和半導(dǎo)體的能帶對齊，以確保電子能夠輕松地跨越界面。材料匹配歐姆接觸的形成通常需要選擇與半導(dǎo)體材料匹配的金屬，以確保良好的電學特性。肖特基接觸金屬-半導(dǎo)體接觸肖特基接觸是金屬與半導(dǎo)體之間的一種特殊接觸。當金屬和半導(dǎo)體接觸時，會在界面處形成一層耗盡層，稱為肖特基勢壘。電子流動由于勢壘的存在，電子只能從半導(dǎo)體流向金屬，而不能從金屬流向半導(dǎo)體。二極管肖特基接觸具有單向?qū)щ娦裕Ｓ糜谥圃煨ぬ鼗O管，具有快速開關(guān)速度和低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點。薄膜太陽能電池薄膜太陽能電池以其材料薄、重量輕、可彎曲等優(yōu)點，被認為是未來太陽能電池的重要發(fā)展方向。薄膜電池通常以沉積工藝制備，在基板上形成薄層半導(dǎo)體材料，例如硅、碲化鎘、銅銦鎵硒等。薄膜太陽能電池具有成本較低、可大面積生產(chǎn)的優(yōu)勢。薄膜太陽能電池技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，不斷突破效率瓶頸，在建筑一體化、柔性電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。晶體硅太陽能電池結(jié)構(gòu)晶體硅太陽能電池由PN結(jié)、金屬電極等組成，利用光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能。工藝晶體硅太陽能電池的制備工藝較為成熟，主要包括硅片切割、表面處理、擴散、金屬化等步驟。應(yīng)用晶體硅太陽能電池具有轉(zhuǎn)換效率高、成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電、電子設(shè)備等領(lǐng)域。鈣鈦礦太陽能電池鈣鈦礦太陽能電池是一種新型的太陽能電池，它使用有機無機雜化鈣鈦礦材料作為光吸收層。與傳統(tǒng)硅基太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池具有制造成本低、光電轉(zhuǎn)換效率高、材料易于加工等優(yōu)勢，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。PERC太陽能電池PERC太陽能電池是一種高效的硅基太陽能電池。它通過在電池背面添加一個鈍化層來減少電子-空穴復(fù)合，從而提高轉(zhuǎn)換效率。PERC技術(shù)通過在電池背面引入鈍化層，有效降低了表面復(fù)合速度，提高了電池的短路電流和開路電壓，最終提升了電池的能量轉(zhuǎn)換效率。未來發(fā)展趨勢高效轉(zhuǎn)化