新能源发电技术第7讲 太阳能电池工作原理.ppt

第三章太阳能光伏发电技术 3 1 太阳能光伏发展历史和现状3 2太阳能电池工作原理3 3太阳能电池制造工艺3 4太阳能光伏发电系统设备构成3 5独立光伏发电系统3 6并网光伏发电系统 第二节太阳能电池工作原理 太阳能电池工作原理 基本原理太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应 即一些半导体材料受到光照时 载流子数量会剧增 导电能力随之增强 这就是半导体的光敏特性 基本原理 当太阳光照射到半导体上时 其中一部分被表面反射掉 其余部分被半导体吸收或透过 被吸收的光 当然有一些变成热 另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞 于是产生电子 空穴对 这样 光能就以产生电子 空穴对的形式转变为电能 基本原理 如果半导体内存在P N结 则在P型和N型交界面两边形成势垒电场 能将电子驱向N区 空穴驱向P区 从而使得N区有过剩的电子 P区有过剩的空穴 在P N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场 基本原理 若分别在P型层和N型层焊上金属引线 接通负载 则外电路便有电流通过 如此形成的一个个电池元件 把它们串联 并联起来 就能产生一定的电压和电流 输出功率 基本原理 基本原理 制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种 因此太阳电池的种类也很多 目前 技术最成熟 并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池 下面我们以硅太阳能电池为例 详细介绍太阳能电池的工作原理 一 太阳能电池的物理基础 1 本征半导体物质的导电性能决定于原子结构 导体一般为低价元素 它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子 在外电场的作用下产生定向移动 形成电流 高价元素 如惰性气体 或高分子物质 如橡胶 它们的最外层电子受原子核束缚力很强 很难成为自由电子 所以导电性极差 成为绝缘体 常用的半导体材料硅 Si 和锗 Ge 均为四价元素 它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚 也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧 因而其导电性介于二者之间 1 本征半导体 定义 将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体 即为本征半导体 晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵 相邻的原子形成共价键 共价键 1 本征半导体 晶体中的共价键具有极强的结合力 因此 在常温下 仅有极少数的价电子由于热运动 热激发 获得足够的能量 从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子 与此同时 在共价键中留下一个空穴 原子因失掉一个价电子而带正电 或者说空穴带正电 在本征半导体中 自由电子与空穴是成对出现的 即自由电子与空穴数目相等 1 本征半导体 本征激发 半导体在光照或热辐射激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发 空穴 自由电子 1 本征半导体 复合 自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴 使两者同时消失 这种现象称为复合 在一定的温度下 本征激发所产生的自由电子与空穴对 与复合的自由电子和空穴对数目相等 故达到动态平衡 1 本征半导体 能带理论 单个原子中的电子在绕核运动时 在各个轨道上的电子都各自具有特定的能量 越靠近核的轨道 电子能量越低 根据能量最小原理电子总是优先占有最低能级 能带理论解释本征激发 1 本征半导体 能带理论 价电子所占据的能带称为价带 价带的上面有一个禁带 禁带中不存在为电子所占据的能级 禁带之上则为导带 导带中的能级就是价电子挣脱共价键束缚而成为自由电子所能占据的能级 禁带宽度用Eg表示 其值与半导体的材料及其所处的温度等因素有关 T 300K时 硅的Eg 1 1eV 锗的Eg 0 72eV 2 杂质半导体 杂质半导体 通过扩散工艺 在本征半导体中掺入少量杂质元素 便可得到杂质半导体 按掺入的杂质元素不用 可形成N型半导体和P型半导体 控制掺入杂质元素的浓度 就可控制杂质半导体的导电性能 2 杂质半导体 N型半导体 在纯净的硅晶体中掺入五价元素 如磷 使之取代晶格中硅原子的位置 就形成了N型半导体 自由电子 施主原子 2 杂质半导体 由于杂质原子的最外层有五个价电子 所以除了与其周围硅原子形成共价键外 还多出一个电子 多出的电子不受共价键的束缚 成为自由电子 N型半导体中 自由电子的浓度大于空穴的浓度 故称自由电子为多数载流子 空穴为少数载流子 由于杂质原子可以提供电子 故称之为施主原子 2 杂质半导体 P型半导体 在纯净的硅晶体中掺入三价元素 如硼 使之取代晶格中硅原子的位置 就形成了P型半导体 空位 受主原子 空穴 2 杂质半导体 由于杂质原子的最外层有三个价电子 所以当它们与其周围硅原子形成共价键时 就产生了一个 空位 当硅原子的最外层电子填补此空位时 其共价键中便产生一个空穴 因而P型半导体中 空穴为多子 自由电子为少子 因杂质原子中的空位吸收电子 故称之为受主原子 3 PN结 PN结 采用不同的掺杂工艺 将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上 在它们的交界面就形成PN结 正离子 负离子 空穴 自由电子 空间电荷区 P区 N区 N区 P区 3 PN结 扩散运动 物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动 这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动 当把P型半导体和N型半导体制作在一起时 在它们的交界面 两种载流子的浓度差很大 因而P区的空穴必然向N区扩散 与此同时 N区的自由电子也必然向P区扩散 如图示 3 PN结 由于扩散到P区的自由电子与空穴复合 而扩散到N区的空穴与自由电子复合 所以在交界面附近多子的浓度下降 P区出现负离子区 N区出现正离子区 它们是不能移动的 称为空间电荷区 从而形成内建电场 随着扩散运动的进行 空间电荷区加宽 内建电场增强 其方向由N区指向P区 正好阻止扩散运动的进行 3 PN结 漂移运动 在电场力作用下 载流子的运动称为漂移运动 当空间电荷区形成后 在内建电场作用下 少子产生飘移运动 空穴从N区向P区运动 而自由电子从P区向N区运动 在无外电场和其它激发作用下 参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目 从而达到动态平衡 形成PN结 如图示 此时 空间电荷区具有一定的宽度 电位差为 Uho 电流为零 二 太阳能电池工作原理 1 光生伏打效应 太阳能电池能量转换的基础是半导体PN结的光生伏打效应 如前所述 当光照射到半导体光伏器件上时 能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中 在N区 耗尽区和P区中激发出光生电子 空穴对 耗尽区 光生电子 空穴对在耗尽区中产生后 立即被内建电场分离 光生电子被送进N区 光生空穴则被推进P区 根据耗尽近似条件 耗尽区边界处的载流子浓度近似为0 即p n 0 1 光生伏打效应 内建电场 N区 P区 1 光生伏打效应 在N区中 光生电子 空穴对产生以后 光生空穴便向P N结边界扩散 一旦到达P N结边界 便立即受到内建电场作用 被电场力牵引作漂移运动 越过耗尽区进入P区 光生电子 多子 则被留在N区 在P区中 的光生电子 少子 同样的先因为扩散 后因为漂移而进入N区 光生空穴 多子 留在P区 如此便在P N结两侧形成了正 负电荷的积累 使N区储存了过剩的电子 P区有过剩的空穴 从而形成与内建电场方向相反的光生电场 1 光生伏打效应 P区 光生电场 N区 内建电场 1 光生伏打效应 光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外 还使P区带正电 N区带负电 在N区和P区之间的薄层就产生电动势 这就是光生伏打效应 当电池接上一负载后 光电流就从P区经负载流至N区 负载中即得到功率输出 如果将P N结两端开路 可以测得这个电动势 称之为开路电压Uoc 对晶体硅电池来说 开路电压的典型值为0 5 0 6V 如果将外电路短路 则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过 这个电流称为短路电流Isc 1 光生伏打效应 影响光电流的因素 通过光照在界面层产生的电子 空穴对愈多 电流愈大 界面层吸收的光能愈多 界面层即电池面积愈大 在太阳电池中形成的电流也愈大 太阳能电池的N区 耗尽区和P区均能产生光生载流子 各区中的光生载流子必须在复合之前越过耗尽区 才能对光电流有贡献 所以求解实际的光生电流必须考虑到各区中的产生和复合 扩散和漂移等各种因素 2 太阳能电池材料的光学性质 太阳能电池的光学性质 常常决定着太阳能电池的极限效率 而且也是工艺设计的依据 吸收定律当一束光谱辐照度为I0的光正交入射到半导体表面上时 扣除反射后 进入半导体的光谱辐照度为I0 1 R 在半导体内离前表面距离为x处的光谱辐照度Ix由吸收定律决定 吸收定律 进入半导体的光到达x处的光谱辐照度 反射率 吸收系数 吸收定律 当薄片厚度为d时 我们可以得到关于透射率更完整的近似表达式 单晶硅 砷化镓和一些重要太阳能电池材料的吸收系数与波长的关系如图所示 2 太阳能电池材料的光学性质 本征吸收在原子图像中 硅的本征吸收可以理解为一个硅原子吸收一个光子后受到激发 使得一个共价电子变成了自由电子 同时在共价键断裂处留下一个空穴 实验发现 只有那些大于禁带宽度Eg的光子 才能产生本征吸收 本征吸收 显然入射光子必须满足 或 式中 刚好能产生本征吸收的光的频率 频率吸限 刚好能产生本征吸收的光的波长 波长吸收限 可以认为 硅对于波长大于1 15 m的红外光是透明的 3 太阳能电池等效电路 输出功率和填充因数 等效电路为了描述电池的工作状态 往往将电池及负载系统用一个等效电路来模拟 不考虑串联电阻 考虑串联电阻 P N同质结太阳能电池等效电路 等效电路 恒流源 在恒定光照下 一个处于工作状态的太阳电池 其光电流不随工作状态而变化 在等效电路中可把它看做是恒流源 暗电流Ibk 光电流一部分流经负载RL 在负载两端建立起端电压U 反过来 它又正向偏置于PN结 引起一股与光电流方向相反的暗电流Ibk 这样 一个理想的PN同质结太阳能电池的等效电路就被绘制成如图所示 等效电路 串联电阻RS 由于前面和背面的电极接触 以及材料本身具有一定的电阻率 基区和顶层都不可避免地要引入附加电阻 流经负载的电流经过它们时 必然引起损耗 在等效电路中 可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示 并联电阻RSh由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时在微裂纹 划痕等处形成的金属桥漏电等 使一部分本应通过负载的电流短路 这种作用的大小可用一个并联电阻RSh来等效 输出功率 当流进负载RL的电流为I 负载RL的端电压为U时 可得 式中的P就是太阳能电池被照射时在负载RL上得到的输出功率 输出功率 当负载RL从0变到无穷大时 输出电压U则从0变到U0C 同时输出电流便从ISC变到0 由此即可画出太阳能电池的负载特性曲线 曲线上的任一点都称为工作点 工作点和原点的连线称为负载线 负载线的斜率的倒数即等于RL 与工作点对应的横 纵坐标即为工作电压和工作电流 输出功率 调节负载电阻RL到某一值Rm时 在曲线上得到一点M 对应的工作电流Im和工作电压Um之积最大 即 Pm ImUm一般称M点为该太阳能电池的最佳工作点 或称最大功率点 Im为最佳工作电流 Um为最佳工作电压 Rm为最佳负载电阻 Pm为最大输出功率 填充因数 最大输出功率与 Uoc Isc 之比称为填充因数 FF 这是用以衡量太阳能电池输出特性好坏的重要指标之一 填充因数表征太阳能电池的优劣 在一定光谱辐照度下 FF愈大 曲线愈 方 输出功率也愈高 4 太阳能电池的效率 影响效率的因素 太阳能电池的效率 太阳能电池受照射时 输出电功率与入射光功率之比 称为太阳能电池的效率 也称光电转换效率 一般指外电路连接最佳负载电阻RL时的最大能量转换效率 式中At 包括栅线图形面积在内的太阳能电池总面积 单位面积入射光功率 太阳能电池的效率 在上式中 如果把At换为有效面积Aa 也称活性面积 即从总面积中扣除栅线图形面积 从而算出的效率要高一些 这一点在阅读国内外文献时应注意 美国的普林斯最早算出硅太阳能电池的理论效率为21 7 20世纪70年代 华尔夫 M Wolf 又做过详尽的讨论 也得到硅太阳能电池的理论效率在AM0光谱条件下为20 22 以后又把它修改为25 AM1 0光谱条件 估计太阳能电池的理论效率 必须把从入射光能到输出电能之间所有可能发生的损耗都计算在内 其中有些是与材料及工艺有关的损耗 而另一些则是由基本物理原理所决定的 影响效率的因素 综上所述 提高太阳能电池效率 必须提高开路电压Uoc 短路电流ISC和填充因子FF这三个基本参量 而这3个参量之间往往是互相牵制的 如果单方面提高其中一个 可能会因此而降低另一个 以至于总效率不仅没提高反而有所下降 因而在选择材料 设计工艺时必须全盘考虑 力求使3个参量的乘积最大 影响效率的因素 材料能带宽度 开路电压UOC随能带宽度Eg的增大而增大 但另一方面 短路电流密度随能带宽度Eg的增大而减小 结果可期望在某一个确定的Eg处出现太阳电池效率的峰值 用Eg值介于1 2 1 6eV的材料做成太阳电池 可望达到最高效率 薄膜电池用直接带隙半导体更为可取 因为它能在表面附近吸收光子 影响效率的因素 温度 少子的扩散长度随温度的升高稍有增大 因此光生电流也随温度的升高有所增加 但UOC随温度的升高急剧下降 填充因子下降 所以转换效率随温度的增加而降低 地面应用的硅太阳能电池一般工作在 40 70 之间 空间应用的硅太阳能电池可在 135 125 条件下工作 温度每升高1 电池的输出功率损失约为0 35 0 45 也就是说 在20 工作的硅太阳能电池的输出功率要比在70 工作时高20 影响效率的因素 辐照度 随辐照度的增加短路电流线性增加 最大功率不断增加 将阳光聚焦于太阳电池 可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能 影响效率的因素 掺杂浓度 对UOC有明显影响的另一因素是半导体掺杂浓度 掺杂浓度越高 UOC越高 但当硅中杂质浓度高于1018 cm3时称为高掺杂 由于高掺杂而引起的禁带收缩 杂质不能全部电离和少子寿命下降等等现象统称