太阳能电池-工作原理、技术和系统应用的完整-太阳能电池课件-新南威尔士大学ppt课件

.,太阳能电池工作原理、技术及应用,课件,.,2,一、课程内容简介与教学目的,（一）内容简介太阳能电池概论是能源化学工程专业的选修课程，通过本课程的学习，使学生能够在掌握半导体材料的各项性质的基础上，重点掌握太阳能电池基本工作原理、设计和工艺方面的基础知识，对太阳能电池有全面的认识，为学生毕业后从事光电子及其相关学科的工作和学习奠定扎实的理论基础，主要包括以下内容：,.,3,（二）课程要求：本课程要求学生上课不迟到、不早退、不旷课，请假需要有正规假条；能够按照要求认真完成作业。课程教学中提倡学生积极参与。,二、成绩考核,成绩考核由以下部分组成：（一）平时成绩：出勤及课堂表现（20%）、作业（10%）。（二）期末考试成绩：考试（70%），采用百分制。（三）最终成绩=平时成绩（30%）+期末考试成绩（70%）。,.,4,（一）教材MartinA.Green，太阳能电池工作原理、技术和系统应用，上海交通大学出版社，2010年。（二）参考资料施钰川主编，太阳能原理与技术，西安交通大学出版社，2009年；熊绍珍等主编，太阳电池基础与应用，科学出版社，2009年；钱伯章主编，太阳能技术与应用/新能源技术丛书，科学出版社，2010年；赵雨等主编，太阳能电池技术及应用，中国铁道出版社，2013年。,三、教材及参考资料,.,5,第一章太阳能电池和太阳光,.,6,主要内容,1.1引言,1.2太阳能电池工作原理及发展概况,1.3阳光的物理来源,1.4太阳常数,1.5地球表面的日照强度,1.6太阳的视运动,.,7,1.1引言,.,8,.,9,.,10,预计2040年太阳能电池占25%,太阳能电池,风力,生物质能,水力,2001,2010,2020,2030,2040,.,11,基本工作原理：光伏效应（Photovoltaiceffect）,太阳能,电能,半导体材料,太阳能电池,1.2太阳能电池工作原理及发展概况,1.2.1太阳能电池工作原理,.,12,光伏效应：光照使不均匀半导体不同部位之间产生电位差的现象（P-N结）。,光吸收：光照射到物体上，有一部分会被物体吸收，如果入射光的能量为I0，则在距离物体表面x处的光的能量为：,I=I0e-ax,半导体对光的吸收？,.,13,价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差,半导体的能带结构,.,14,带隙,.,15,每个原子的价电子分别与相邻的四个原子的价电子组成共价键，在空间形成排列有序的单晶体结构纯净的单晶半导体称为本征半导体。,本征半导体,不均匀半导体（P-N结）？,.,16,价电子（热激发）,自由电子-空穴对,复合,平衡,本征半导体中,本征半导体,.,17,在外电场作用下，电子的定向移动形成电流,.,18,在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流,.,19,(1)在半导体中有两种载流子,a.电阻率大,(2)本征半导体的特点,b.导电性能随温度变化大,本征半导体,.,20,本征半导体缺点1、电子浓度=空穴浓度；2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！不适宜制造半导体器件，通常要掺入一些杂质来提高导电能力。此外，产生电子-空穴对后，由于导电性差和缺乏将电子-空穴继续分开的能量，电子-空穴会很快复合，不实用。,本征半导体一般不能在半导体器件中直接使用,.,21,杂质半导体,n型半导体,图中掺入的五价P原子在晶体中替代Si的位置，构成与Si相同的四电子结构，多出的一个电子在杂质离子的电场范围内运动。,.,22,杂质半导体,磷原子,硅原子,多余电子,.,23,（1）N型半导体,形成：本征半导体中掺入五价杂质原子，如磷（P）。载流子：自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,简化图,杂质半导体,.,24,杂质半导体,(2)P型半导体,四价的本征半导体Si、Ge等，掺入少量三价的杂质元素(如B、Ga、In等)形成空穴型半导体，也称p型半导体。,图中在硅晶体中掺入少量的硼，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。,.,25,P型半导体,形成：本征半导体中掺入三价杂质原子，如硼（B）等。载流子：空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,简化图,（a）结构示意图图1-5P型半导体的结构,杂质半导体,.,26,P-N结的形成,在半导体内，由于掺杂的不同，使部分区域是n型，另一部分区域是p型，它们交界处的结构称为P-N结(P-Njunction)。,在交界面，由于两种载流子的浓度差，出现扩散运动。,P,N,.,27,在交界面，由于扩散运动，经过复合,出现空间电荷区。,P,N,P-N结的形成过程,.,28,P-N结,当扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡，形成P-N结。,P-N结的形成过程,不均匀半导体形成,N,P,.,29,由于区的电子向P区扩散，P区的空穴向N区扩散，在p型半导体和n型半导体的交界面附近产生了一个由np的电场，称为内建场。,当P型半导体和N型半导体结合在一起，形成P-N结时，由于多数载流子的扩散，形成了空间电荷区，并形成一个不断增强的从N型半导体指向P型半导体的内建电场，导致多数载流子反向漂移。达到平衡后，扩散产生的电流和漂移产生的电流相等。,.,30,光生伏特效应,当光照在P-N结上，而且光能大于P-N结的禁带宽度（带隙），则在P-N结附近将产生电子-空穴对。由于内建电场的存在，产生的非平衡载流子将向空间电荷区两端漂移，产生光生电势（电压），破坏了原来的平衡。这时如果将P-N结与外电路相连，则电路中出现电流，称为光生伏特现象或光生伏特效应。,.,31,太阳能电池工作原理：由光照射，基于光生伏特效应，使p-n结产生电动势，使之形成电压。将电池与一个负载连接起来，就会形成电流回路。,.,32,.,33,1.2.2太阳能电池发展概况,20世纪50年代第一个实用的光伏器件（硅电池）,60年代应用于空间技术,70年代石油危机推动光伏产业发展,80年代发电效率不断提高（新工艺）,1839年，贝克勒尔首先发现光伏效应,.,34,法国物理学家EdmondBecquerel（贝克勒尔）于1839首先观察到，把光照到浸在电解液中且覆有感光材料AgCl的电极上产生光致电压，进而检测到电流，这就是光伏效应，当时他仅19岁。,.,35,1877年，Adams和Day研究了玻璃硒的光伏效应。,将铂作为电极被放置在透明硒的两端，只需光照就能使玻璃状的硒产生电流。这是首次全部利用固体来演示光电效应的试验。他们认为光照使得硒条的表明结晶化了。,.,36,1883年美国科学家CharlesFritts（弗里茨）制造了第一个太阳能电池。他用两种不同材料的金属板来压制融化的硒，硒与其中一块板（如黄铜）仅仅黏住，形成薄片。然后再将金箔压在硒薄片的另一面，于是，历史上第一块光伏器件就制成了。这个薄膜器件有30cm2大，当时转换效率仅1%。,他也是第一个认识到光伏器件有巨大潜力的人。他知道光伏器件制作成本低，并且如果不是马上使用产生的电流，可以用蓄电池储存起来，或者传送到另外一个地方。,.,37,1927年，人们研究在铜Cu表面生长氧化亚铜Cu2O层的光伏效应时，发现了铜-氧化亚铜交界处的整流效应。提出了利用金属铜及半导体氧化亚铜接合所形成的太阳能电池，促进了大面积光电池的发展。,这是基于铜-氧化亚铜结的早期光电池的简单结构图。一圈圈的铅线作为电极连接在电池接收光的表面。后来改为在表面溅射金属层，然后移走一部分，形成由金属线构成的网格。,.,38,1939年，Nix发明铊-硫化物光电池。下图展示了由硒、铊-硫化物和Cu-Cu2O共同组成的电池。,硒制电池及氧化铜电池被应用在一些对光线敏感的仪器上，如亮度计、照相机的曝光计等。但这些早期电池的太阳能转换效率都在1%以下。,.,39,1941年Ohl展示了一种基于天然p-n结的光伏器件。,硅铸锭中，杂质在熔融时分离形成天然的p-n结。切割硅锭便可制备太阳能电池。,1946年Ohl研发出了硅制太阳能电池。,早期太阳能电池结构示意图,.,40,1954年贝尔实验室的三位科学家发现，在硅中掺杂一些杂质后，硅对光更加敏感。他们共同研制出了第一块现代太阳能电池，转换效率达到6%。这是太阳能电池发展史上一个重要里程碑，为人造卫星提供了可贵的能源。,利用扩散方式制备的单晶硅p-n结,太阳能电池的发展,1957年和1958年，苏联与美国相继发射了第一颗人造卫星。,20世纪60年代，用在人造卫星上的太阳能电池都是采用类似的结构。这样的结构沿用了10年以上。,.,42,1973年，第一次石油危机后，太阳能应用转移到一般民用，如手表、小型计算器。这些设备通常是利用太阳能给镍镉电池充电。,1974年Haynos在硅结晶面蚀刻出许多类似金字塔的几何形状，可以有效地降低太阳光反射，转换效率达到17%。,1976年出现第一块多晶硅太阳能电池。,.,43,1985年，在太阳能电池表面做出微沟槽的PESC(钝化发射区Passivationemittersolarcells)型太阳能电池，转换效率超过20%。,.,44,德国弗赖堡,1990年以后，太阳能电池发电与民用发电相结合。,.,45,.,46,德国是世界上太阳能电池最普及的国家，其次是日本和美国。,中国是太阳能电池生产大国。2009年3月，中国宣布了太阳能补贴计划。继美国之后，2012年9月，欧盟对中国发起光伏反倾销。,.,47,2013年6月14日，日本太阳能电池龙头厂夏普(Sharp)宣布已采用聚光三结化合物研发出转换效率高达44.4%的太阳能电池。,目前商用的太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率不足25%。,中国尚德的电池片早在2012年3月12日就宣布通过采用其专利Pluto(冥王星)技术已将多晶硅光伏电池的转换效率提升至20.3%。现在应该更高了。,2013年中电光伏单晶电池转换率达到20.26%，刷新纪录。,.,48,1.3阳光的物理来源,光是一种电磁波，具有波粒二象性,热物体发出的电磁辐射，光谱或波长与物体的温度有关。,.,49,光子的能量,光子的能量：,h为普朗克常数，f为频率，c为光速，为真空中的波长。光的能量与波长成反比。,能量的单位：,电子伏特（eV）,能量与波长的关系：,其中的单位为nm,.,50,1.4太阳常数-太阳光,内核：核聚变反应,太阳是一个充满气体的热球,.,51,黑体与光照度,许多常见的光源如太阳和白炽灯都是相似的黑体模型。一个黑体能够吸收所有入射到它表面的电磁波，并基于温度的不同辐射出不同的电磁波。,黑体：,式中，是光的波长，T分别为黑体的温度，k为玻尔兹曼常数。F的单位为W/(m2m)，W/m2指的是波长为（m）光的光强（功率密度）。,黑体发射的电磁辐射的辐射功率F（光照度）与波长的关系公式由普朗克辐射定律给出：,光照度：,.,52,不同温度下，黑体的光照度与波长的关系,温度,波长丰富,波峰移动,光照度增加,.,53,总的功率强度,黑体发出的总的功率强度（单位W/m2）为：,式中为Stefan-Boltzmann常数，T为黑体温度(K)。,=5.6710-8Wm-2K-4,.,54,峰值波长p,峰值波长p是光照度最高时对应的波长。该波长的光辐射出的能量最高。将光照度方程对进行求导，导数为零处的波长就是峰值波长p。这就是Wien定律，对应方程为：,.,55,太阳的表面辐射功率强度Isun相当于6000K（5762K50K）黑体的辐射强度，其总的功率等于Isun乘于太阳表面积4R2，R为太阳的半径。,越远离太阳表面，太阳总的功率强度就被扩散到越大的表面。随着太空中物体与太阳距离D的增加，照射到表面的太阳光强减小。,.,56,太阳光照射在距离D处的球面面积为4D2，入射到物体的光强为：,.,57,.,58,太阳常数AM0,地球以椭圆形轨道围绕太阳公转。由椭圆形轨道引起的改变大概在3.4%左右，一月份时太阳光照度达到最大，最小时为七月份。,太阳常数，也叫作大气光学质量零辐射（opticalairmass-zeroradiation），记作AM0（书图1.3）：地球大气层之外，地球-太阳平均距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上的辐射功率基本为一常数。,在光伏应用中，采用的太阳常数为：1.3661kW/m2,.,59,1.5地球表面的日照常数,当入射到地球大气层的太阳辐射相对稳定时，影响地球表面辐射的主要因素是（穿过大气层衰减30%）:,（1）大气效应，包括吸收和散射；（2）当地大气质量的不同，如水蒸气、云层和污染；（3）纬度位置不同，使得一年中季节不同；（4）一天里时间的不同。,.,60,.,61,.,62,大气光学质量,大气光学质量（AM）定义为光穿过大气层路径的长度与最短路程之比。当太阳处在头顶正上方时，长度最短时，大气光学质量为1，这时的辐射称为大气光学质量1（AM1）的辐射。,“大气光学质量”描绘了太阳光到达地面前的路程与太阳处在头顶处时的路程的比值，也等于Y/X。,大气光学质量量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰减程度。当太阳和头顶正上方成角度时，大气光学质量为：,.,63,大气光学质量估算,估算大气质量的一个最简单的方法就是，测量一个垂直立着的标杆长度h和它投影长度s。大气光学质量等于斜边的长度除以标杆的高度h:,.,64,地球表面的标准光谱,太阳能电池的效率对入射光的能量和光谱含量都非常敏感。为了对不同地点测得的太阳能电池的性能比较，人们定义了地球表面的光谱和功率强度的标准值。,地球表面的标准光谱称为AM1.5。地球大气层外的标准光谱称为AM0，因为光没有穿过任何大气。这个光谱通常被用来检测太空中太阳能电池的表现。,.,65,1.6太阳视运动,太阳视运动是由地球自转引起的，它改变着射入地球光线的角度。从地面的一个固定位置来看，太阳横跨整个天空运动。,太阳相对于地球上某一固定的观察者所作的运动称为视运动。,刻画地球上某固定地点的太阳高度角需要纬度、经度、一年中的日期和一天中的时间。,.,66,太阳视运动对日照、太阳能电池收集的影响,太阳视运动在很大程度上影响着太阳能收集器件获得的能量。,(3)对于0o和90o之间的角，它们相对的功率强度为Iincos，其中为太阳光与器件平面法线之间的夹角。,(2)当平面与太阳光平行时(=90o)，功率强度变为零。,(1)当太阳光垂直入射(=0)到吸收平面时，平面上的功率强度等于入射光的功率强度Iin。,.,67,本章完,2020/5/22,.,68,第二章：半导体与PN结,&2.1简介&2.2基本原理&2.3载流子的产生&2.4载流子的复合&2.5载流子的运动&2.6PN结,2020/5/22,.,69,&2.1简介,一直以来，太阳能电池与其它的电子器件都被紧密地联系在一起。接下来的几节将讲述半导体材料的基本问题和物理原理，这些都是光伏器件的核心知识。这些物理原理可以用来解释PN结的运作机制。PN结不仅是太阳能电池的核心基础，还是绝大多数其它电子器件如激光和二极管的重要基础。,右图是一个硅锭，由一个大的单晶硅组成，这样一个硅锭可以被切割成薄片然后被制成不同半导体器件，包括太阳能电池和电脑芯片。,2020/5/22,.,70,&2.2.1基本原理-半导体的结构,半导体是由许多单原子组成的，它们以有规律的周期性的结构键合在一起，然后排列成型，借此，每个原子都被8个电子包围着。一个单原子由原子核和电子构成，原子核则包括了质子（带正电荷的粒子）和中子（电中性的粒子），而电子则围绕在原子核周围。电子和质子拥有相同的数量，因此一个原子的整体是显电中性的。基于原子内的电子数目（元素周期表中的每个元素都是不同的），每个电子都占据着特定的能级。下图展示了一种半导体的结构.,硅晶格中的共价键示意图。,硅原子,共价键,2020/5/22,.,71,&2.2.1基本原理-半导体的结构,半导体材料可以来自元素周期表中的族元素，或者是族元素与族元素相结合（叫做-型半导体），还可以是族元素与族元素相结合（叫做-型半导体）。硅是使用最为广泛的半导体材料，它是集成电路（IC）芯片的基础，也是最为成熟的技术，而大多数的太阳能电池也是以硅作为基本材料的。硅的相关材料性能将在硅的材料性质一节给出。,右图给出了元素周期表的一部分，蓝色字幕显示了更多的半导体材料。半导体可以由单原子构成，如Si或Ge，键合如GaAs、InP、CdTe，还可以是合金，如SixGe（1-x）或AlxGa（1-x）As。,2020/5/22,.,72,&2.2.1基本原理-半导体的结构,半导体的价键结构决定了半导体材料的性能。其中一个关键影响就是限制了电子能占据的能级和电子在晶格之间的移动。半导体中，围绕在每个原子的电子都是共价键的一部分。共价键就是两个相邻的原子都拿出自己的一个电子来与之共用，这样，每个原子便被8个电子包围着。共价键中的电子被共价键的力量束缚着，因此它们总是限制在原子周围的某个地方。因为它们不能移动或者自行改变能量，所以共价键中的电子不能被认为是自由的，也不能够参与电流的流动、能量的吸收以及其它与太阳能电池相关的物理过程。然而，只有在绝对零度的时候才会让全部电子都束缚在价键中。在高温下，电子能够获得足够的能量摆脱共价键，而当它成功摆脱后，便能自由地在晶格之间运动并参与导电。在室温下，半导体拥有足够的自由电子使其导电，然而在到达或接近绝对零度的时候，它就像一个绝缘体。价键的存在导致了电子有两个不同能量状态。电子的最低能量,2020/5/22,.,73,&2.2.1基本原理-半导体的结构,态是其处在价带的时候。然而，如果电子吸收了足够的热能来打破共价键，那么它将进入导带成为自由电子。电子不能处在这两个能带之间的能量区域。它要么束缚在价键中除于低能量状态，要么获得足够能量摆脱共价键，但它吸收的能量有个最低限度，这个最低能量值被叫做半导体的“禁带”。自由电子的数量和能量是研究电子器件性能的基础。电子摆脱共价键后留下来的空间能让共价键从一个电子移动到另一个电子，也因此出现了正电荷在晶格中运动的现象。这个留下的空位置通常被叫做“空穴”，它与电子相似但是带正电荷。,右边动画展示了当电子能够逃脱共价键时自由电子和空穴是如何形成的,2020/5/22,.,74,&2.2.1基本原理-半导体的结构,对于太阳能电池来说，半导体最重要的参数是：禁带宽度能参与导电的自由载流子的数目当光射入到半导体材料时，自由载流子的产生和复合。关于这些参数的更详细描述将在下面几页给出。,2020/5/22,.,75,&2.2.2基本原理-禁带,半导体的禁带宽度是指一个电子从价带运动到能参与导电的自由状态所需要吸收的最低能量值。半导体的价键结构显示了（y轴）电子的能量，此图也被叫做“能带图”。半导体中比较低的能级被叫做“价带”（Ev），而处于其中的电子能被看成自由电子的能级叫“导带”（Ec）。处于导带和价带之间的便是禁带（EG）了。,固体中电子的能带示意图,2020/5/22,.,76,&2.2.2基本原理-禁带,一旦进入导带，电子将自由地在半导体中运动并参与导电。然而，电子在导带中的运动也会导致另外一种导电过程的发生。电子从原本的共价键移动到导带必然会留下一个空位。来自周围原子的电子能移动到这个空位上，然后又留下了另外一个空位，这种留给电子的不断运动的空位，叫做“空穴”，也可以看作在晶格间运动的正电荷。因此，电子移向导带的运动不仅导致了电子本身的移动，还产生了空穴在价带中的运动。电子和空穴都能参与导电并都称为“载流子”。移动的“空穴”这一概念有点类似于液体中的气泡。尽管实际上是液体在流动，但是把它想象成是液体中的气泡往相反的方向运动更容易理解些。,2020/5/22,.,77,&2.2.3基本原理-本征载流子浓度,把电子从价带移向导带的热激发使得价带和导带都产生载流子。这些载流子的浓度叫做本征载流子浓度，用符号ni表示。没有注入能改变载流子浓度的杂质的半导体材料叫做本征材料。本征载流子浓度就是指本征材料中导带中的电子数目或价带中的空穴数目。载流子的数目决定于材料的禁带宽度和材料的温度。宽禁带会使得载流子很难通过热激发来穿过它，因此宽禁带的本征载流子浓度一般比较低。但还可以通过提高温度让电子更容易被激发到导带，同时也提高了本征载流子的浓度。,右图显示了两个温度下的半导体本征载流子浓度。需要注意的是，两种情况中，自由电子的数目与空穴的数目都是相等的。,室温,高温,导带,价带,2020/5/22,.,78,&2.2.4基本原理-掺杂,通过掺入其它原子可以改变硅晶格中电子与空穴的平衡。比硅原子多一个价电子的原子可以用来制成n型半导体材料，这种原子把一个电子注入到导带中，因此增加了导带中电子的数目。相对的，比硅原少一个电子的原子可以制成p型半导体材料。在p型半导体材料中，被束缚在共价键中的电子数目比本征半导体要高，因此显著地提高了空穴的数目。在已掺杂的材料中，总是有一种载流子的数目比另一种载流子高，而这种浓度更高的载流子就叫“多子”，相反，浓度低的载流子就叫“少子”。,右边的示意图描述了单晶硅掺杂后制成n型和p型半导体。,2020/5/22,.,79,&2.2.4基本原理-掺杂,下表总结了不同类型半导体的特性,2020/5/22,.,80,&2.2.4基本原理-掺杂,下面的动画展示了p型硅与n型硅。在一块典型的半导体中，多子的浓度可能达到1017cm-3，少子的浓度则为106cm-3。这是一个怎样的数字概念呢？少子与多子的比例比一个人与地球总的人口数目的比还要小。少子既可以通过热激发又可以通过光照产生。,N型半导体。之所以叫n型是因为多子是带负电（negatively）的电子,P型半导体。之所以叫p型是因为多子是带正电（positively)的空穴,2020/5/22,.,81,&2.2.5基本原理-平衡载流子浓度,在没有外加偏压的情况下，导带和价带中的载流子浓度就叫本征载流子浓度。对于多子来说，其平衡载流子浓度等于本征载流子浓度加上掺杂入半导体的自由载流子的浓度。在多数情况下，掺杂后半导体的自由载流子浓度要比本征载流子浓度高出几个数量级，因此多子的浓度几乎等于掺杂载流子的浓度。在平衡状态下，多子和少子的浓度为常数，由质量作用定律可得其数学表达式。n0p0=n2i式中ni表示本征载流子浓度，n0和p0分别为电子和空穴的平衡载流子浓度。使用上面的质量作用定律，可得多子和少子的浓度：,n型n0=NDP0=n2i/ND,p型P0=NAn0=n2i/NA,2020/5/22,.,82,&2.2.5基本原理-平衡载流子浓度,上面的方程显示少子的浓度随着掺杂水平的增加而减少。例如，在n型材料中，一些额外的电子随着掺杂的过程而加入到材料当中并占据价带中的空穴，空穴的数目随之下降。,右图描述了低掺杂和高掺杂情况下的平衡载流子浓度。并显示，当掺杂水平提高时，少子的浓度减小。,N型半导体材料,低掺杂,高掺杂,价带,价带,导带,导带,2020/5/22,.,83,&2.3.1载流子的产生-光的吸收,入射到半导体表面的光子要么在表面被反射，要么被半导体材料所吸收，或者两者都不是，即只是从此材料透射而过。对于光伏器件来说，反射和透射通常被认为损失部分，就像没有被吸收的光子一样不产生电。如果光子被吸收，将在价带产生一个电子并运动到导带。决定一个光子是被吸收还是透射的关键因素是光子的能量。基于光子的能量与半导体禁带宽度的比较，入射到半导体材料的光子可以分为三种：EphEg光子能量Eph小于禁带宽度Eg，光子与半导体的相互作用很弱，只是穿过，似乎半导体是透明的一样。EphEg光子的能量刚刚好足够激发出一个电子-空穴对，能量被完全吸收。Eph0.4时有效,2020/5/22,.,154,&3.3.6电阻效应串联电阻和并联电阻的共同影响,当并联电阻和串联电阻同时存在时，太阳能电池的电流与电压的关系为：,而电池的等效电路图为：,结合串联电阻和并联电阻的影响，总的方程为：,2020/5/22,.,155,&3.3.6电阻效应串联电阻和并联电阻的共同影响,上式中FFs=FFo（1-1.1rs）+r2s/5.4则将上面的方程结合后得到FF：,2020/5/22,.,156,&3.4.1其它效应温度效应,像所有其它半导体器件一样，太阳能电池对温度非常敏感。温度的升高降低了半导体的禁带宽度，因此影响了大多数的半导体材料参数。可以把半导体的禁带宽度随温度的升高而下降，看成是材料中的电子能量的提高。因此破坏共价键所需的能量更低。在半导体禁带宽度的共价键模型中，价键能量的降低意味着禁带宽度的下降。在太阳能电池中，受温度影响最大的参数是开路电压。温度的改变对伏安曲线的影响如下图所示。,短路电流ISC提高幅度很小,温度较高的电池,开路电压Voc下降幅度大,2020/5/22,.,157,&3.4.1其它效应温度效应,开路电压随着温度而减小是因为Io对温度的依赖。关于pn结两边的Io的方程如下：,式中，q为一个电子的电荷量；D为硅材料中少数载流子的扩散率；L为少数载流子的扩散长度；ND为掺杂率；ni为硅的本征载流子浓度。在上述方程中，许多参数都会受温度影响，其中影响最大的是本征载流子浓度ni。本征载流子浓度决定于禁带宽度（禁带宽度越低本征载流子浓度越高）以及载流子所拥有的能量（载流子能量越高浓度越高）。关于本征载流子的方程为,式中，T表示温度，h和k都是常数，me和mh分别是电子和空穴的有效质量；EG0为禁带宽度，B是也是一个常数，但基本不受温度影响。把这个方程带回到求解电流的方程中，并假设温度对其它参数的影响忽略不计，则：,2020/5/22,.,158,&3.4.1其它效应温度效应,式中B为一个不受温度影响的常数。常数，被用来代替数字3以把其它参数可能受温度的影响包括进去。对于温度接近于室温的硅太阳能电池来说，温度每升高10C，Io将升高将近一倍。把上述方程代入到Voc的方程中，便可计算出Io对开路电压的影响。,其中，EG0=qVG0.我们假设dVoc/dT不受dIsc/dT的影响，则,2020/5/22,.,159,&3.4.1其它效应温度效应,此方程显示，太阳能电池的温度敏感性取决于开路电压的大小，即电池的电压越大，受温度的影响就越小。对于硅来说，EG0为1.2，设为3，则开路电压的变化为大约2.2mv/C,当温度升高时，短路电流Isc会轻微地上升，因为当禁带宽度EG减小时，将有更多的光子有能力激发电子空穴对。然而，这种影响是很小的，下面的方程将表示硅太阳能电池中短路电流受温度影响程度：,同时，硅电池的填充因子FF受温度的影响为,2020/5/22,.,160,&3.4.1其它效应温度效应,而温度对最大输出功率Pm的影响为,南极洲，正在测量太阳能电池的效率。太阳能电池喜欢阳光明媚寒冷天气。,2020/5/22,.,161,&3.4.2其他效应光强效应,改变入射光的强度将改变所有太阳能电池的参数，包括短路电流、开路电压、填充因子FF、转换效率以及并联电阻和串联电阻对电池的影响。通常用多少个太阳来形容光强，比如一个太阳就相当于AM1.5大气质量下的标准光强，即1KW/m2.如果太阳能电池在功率为10KW/m2的光照下工作，也可以说是在10个太阳下工作，或10X。被设计在一个太阳下工作的电池板叫“平板电池”，而那些使用聚光器的电池叫“聚光太阳能电池”。,聚光对太阳能电池的伏安特性的影响。,短路电流ISC随着聚光呈线性上升,FF可能会因串联电阻的上升而下降,开路电压随光强呈对数上升,2020/5/22,.,162,&3.4.2其他效应光强效应,聚光太阳能电池聚光太阳能电池是一种在光强大于一个太阳的光照下工作的太阳能电池。入射太阳光被聚焦或透过光学器件形成高强度的光束射到小面积的太阳能电池中。聚光太阳能电池有几个潜在的优势，包括比平板太阳能电池更高的转换效率和更低的成本。电池的短路电流大小与光的强度成线性关系，因此在10个太阳照射下的电池短路电流是在又一个太阳下的十倍。然而，这种改变并没有带来转换效率的提升，因为入射功率也随光强呈线性提高。相反，由于开路电压与短路电流呈对数关系，转换效率得以提升。因此，在聚光条件下，VOC随着光强上升呈对数形式增加，如下面式子所示：,式中X代表入射光的强度。因为只需小面积的太阳能电池，所以聚光太阳能电池系统的成本比功率相同的平板太阳能电池系统要低。聚光电池的效率优势可能会因串联电阻的增加而有所下降，因为短路电流成线性增加，同时电池的温度也迅速上升。由短路电流引起的,2020/5/22,.,163,&3.4.2其他效应光强效应,损失的大小与电流的平方成正比，则串联电阻造成的能量损失大小与光强的平方成正比。低光强在光强变低时，并联电阻对电池的影响将慢慢变大。因为通过电池的前置偏压和电流会随着光的强度的减小而减小，而电池的等效电阻也将开始接近并联电阻的大小。当这两种电阻大小相近时，分流到并联电阻的电流将增加，即增加了并联电阻的能量损失。结果是，在多云的天气下，并联电阻高的太阳能电池能比并联电阻低的太阳能电池保留更大部分的电流。,2020/5/22,.,164,&3.5.1太阳能电池的测量,测量太阳能电池性能最常用最基本的方式是，在精确控制的光源照射下测量电池的伏安曲线，并严格控制电池的温度。下图展示了测量伏安曲线的装置。,光源接近AM1.5,测试IV曲线的装置原理图。,因为太阳能电池对光强和温度都很敏感，所以在测试的时候这种条件都需要仔细控制。对于光源，光谱和光强这两个数据都要知道，并且要控制在标准AM1.5光谱上。世界上有几个实验室专门从事对太阳能电池的测量，只有从这些实验室测量出的结果才能被认为是官方的结果。最高太阳能电池转换效率结果将定期发布在光伏进展的“太阳能电池效率表”一栏中，我们将在本电子教程的“太阳能电池效率结果”一节里给出一个样本，仅供参考。而非正规的测量将使用控制精度较低的光源，并利用参考电池来校对光源。所谓参考电池，即电气性能和光学性能都尽可能与,光源由计算机控制,温度控制试验台把电池温度控制在25,2020/5/22,.,165,&3.5.1太阳能电池的测量,与被测电池相近，并且已经在标准光源下测试过的太阳能电池。电气性能和光学性能的相近能保证两个电池的光谱响应能很好的匹配。如果参考电池的输出电流被设置成在标准光源下的测量电流，那么被测电池的输出电流将与在标准AM1.5光谱下的测量结果大小相当。除了仔细调整光源外，还需要精确测量系统中其它几个的特征。四点探针是用来消除测试线中的串联电阻，和探头-电池之间的接触电阻的影响的器材。此外，被测电池经冷却使温度保持在25C。,2020/5/22,.,166,第四章：硅太阳能电池的设计,&4.1基础太阳能电池设计&4.2光学设计&4.3复合效应的降低&4.4电阻损耗&4.5太阳能电池的结构,2020/5/22,.,167,&4.1.1基础太阳能电池设计,太阳能电池的设计包括明确电池结构的参数以使转换效率达到最大，以及设置一定的限制条件。这些条件由太阳能电池所处的制造环境所决定。例如，如果用于商业，即以生产最具价格优势的电池为目标，则需要着重考虑制造电池的成本问题。然而，如果只是用于以获得高转换效率为目标的实验研究，则主要考虑的便是最高效率而不是成本。,硅太阳能电池效率的演变。,理论上，光伏电池的最高转换效率能达到90%以上。然而，这一数字的获得是以几个假设为前提的，这些假设在实际上很难或根本不可能达到，至少在现今人类的科技水平和对器件物理的理解上很难达到。对于硅太阳能电池来说，其在一个太阳照射下，比较实际的理论最高效率值大约为26%-28%。现今实验室测得的,2020/5/22,.,168,&4.1.1基础太阳能电池设计,硅太阳能电池的最高效率为24.7%。理论值与实际测量值之间的差距主要来自两个方面因素。首先，在计算理论最大效率时，人们假设所有入射光子的能量都被充分利用了，即所有光子都被吸收，并且是被禁带宽度与其能量相等的材料吸收了。为了获得这种理论效果，人们想出一种由无限多层材料禁带宽度不同的电池叠加在一起的模型，每一层都只吸收能量与其禁带宽度相等的光子。第二个因素是假设入射光有高聚光比。并假设温度和电阻效应对聚光太阳能电池的影响很小，而光强的增加能适当增加短路电流。因为开路电压VOC受短路电流的影响，VOC随着光强呈对数上升。再者，因为填充因子也随之VOC的提高而提高，所以填充因子同样随着光强的增加而提高。因光强的增加而额外上升的VOC和FF使聚光太阳能电池获得更高的效率。为获得最高效率，在设计单节太阳能电池时，因注意几项原则：1.提高能被电池吸收并生产载流子的光的数量。2.提高pn结收集光生载流子的能力。3.尽量减小黑暗前置电流。4.提取不受电阻损耗的电流。,2020/5/22,.,169,&4.2.1光学特性光的损耗,在电池表面铺上减反射膜表面制绒增加电池的厚度以提高吸收（尽管任何在与pn结的距离大于扩散长度的区域被吸收的光，都因载流子的复合而对短路电流没有贡献）通过表面制绒与光陷阱的结合来增加电池中光的路径长度,2020/5/22,.,170,&4.2.1光学特性光的损耗,光的损耗主要以降低短路电流的方式影响太阳能电池的功率。被损耗的光包括本来有能力在电池中产生电子空穴对，但是被电池表面反射走的光线。对于大多数太阳能电池来说，所有的可见光都能产生电子空穴对，因此它们都能被很好的吸收。,被顶端电极所阻挡,表面反射,被电池的背面反射,下面将介绍几种能减少光损失的方法：尽量使电池顶端电极覆盖的面积达到最小（尽管这样可能导致串联电阻的增加）。这一点在串联电阻一节中有详细讨论,2020/5/22,.,171,&4.2.2光学特性减反射膜,减反射膜的厚度经过特殊设计，刚好为入射光的波长的四分之一。计算过程如下，对于折射率为n1薄膜材料，入射光波长为0，则使反射最小化的薄膜厚度为d1：d1=0/4n1如果减反射膜的折射率为膜两边的材料的折射率的几何平均数，反射将被进一步降低。即,尽管，通过上面的公式，选用相应厚度、折射率膜和相应波长的光，能使反射的光减少到零，但是每一种厚度和折射率只能对应一种波长的光。在光伏应用中，人们设计薄膜的厚度和反射率，以使波长为0.6m的光的反射率达到最小。因为这个波长的能量最接近太阳光谱能量的峰值。,裸硅,覆盖玻璃的硅,覆盖了折射率为2.3的玻璃的硅,如果镀上多层减反射膜，能减少反射率的光谱范围将非常宽。但是，对于多数商业太阳能电池来说，这样的成本通常太高。,2020/5/22,.,172,&4.2.2光学特性减反射膜,铺在太阳能电池上的减反射膜与在其他光学器件（如相机镜头）上的膜相似。它们包含了一层很薄的介电材料层，膜的厚度经过特殊设计，光在膜间发生干涉效应，避免了像在半导体表面那样被反射出去。这些避免被反射出去的光与其它光发生破坏性干扰，导致被反射出电池的光强为零。除了减反射膜，干涉效应还能在水面上的油膜上看到，它能产生彩虹般的彩色带。,破坏性干涉导致反射光为零,建设性干涉导致所有的光都被反射,使用厚度为四分之一波长的减反射膜来减少表面反射。,2020/5/22,.,173,&4.2.3光学特性表面制绒,在硅表面制绒，可以与减反射膜相结合，也可以单独使用，都能达到减小反射的效果。因为任何表面的缺陷都能增加光反弹回表面而不是离开表面的概率，所以都能起到减小反射的效果。,完成表面制绒有几种方法。一块单晶硅衬底可以沿着晶体表面刻蚀便能达到制绒效果。如果表面能恰当符合内部原子结构的话，硅表面的晶体结构将变成由金字塔构成表面。我们在下图画出了一个这样的金字塔结构，而紧接着的是用电子显微镜拍摄的硅表面制绒。这种制绒方式叫“随机型金字塔”制绒，通常在单晶硅电池制造上使用。,2020/5/22,.,174,&4.2.3光学特性表面制绒,右图便是组成晶硅太阳能电池制绒表面的金字塔结构。,单晶硅制绒表面的电子显微镜扫描照片。,另一种表面制绒方式叫“倒金字塔型”制绒。这种制绒方法是往硅表面下面刻蚀，而不是从表面往上刻蚀。右图也展示了这种制绒表面的图片。刻蚀多晶硅表面时，上面讲到的两种方法都不能使用，因为只有在由晶体表面构成的表面才能完成有效的形态。而多晶硅表面上，只有一小部分面积才有方向。但是多晶硅制绒可以使用光刻技术和机械雕刻技术，即使用切割锯或激光把表面切割成相应的形状。,多晶硅制绒表面的电子显微镜照片,2020/5/22,.,175,&4.2.4光学特性电池厚度,像减小表面反射一样，充分的吸收入射光也是获得高转换效率的必要途径之一。而吸收光的多少则取决于光路径的长度和吸收系数。下面的动画将展示，硅太阳能电池对光的吸收是如何随着电池厚度变化的。,对于厚度超过10mm的硅电池来说，入射光能量大于禁带宽度的部分基本全部被吸收。总电流的100%指的是所有能被硅吸收的光都被吸收了。当硅材料厚度为10微米时，只有30%的可吸收光被吸收。损失的光子用橙色和红色表示。,2020/5/22,.,176,&4.2.5光学特性光陷阱,最佳的电池厚度并不单单由吸收所有的光这一需要决定的。例如，如果光在与pn结距离小于扩散长度的区域被吸收，但产生的载流子却被复合了。此外，就像复合引起的电压损失一节所讲那样，如果电池的厚度变薄但是吸收的光线不变，开路电压将比厚电池的大。经过结构优化的太阳电池通常拥有比电池实际厚度长几倍的光路径长度，所谓电池光路径长度是指没被吸收的光在射出电池前在电池内所走的距离。通常称它为器件厚度。举例说，一个没有光陷阱结构的电池，它的光路径长度可能只相当于电池实际厚度，而经过光陷阱结构优化的电池的路径长度能达到厚度的50倍，这意味着光线能在电池内来回反弹许多遍。通常，使光子入射在倾斜面上，随之改变光子在电池内运动的角度，便能达到光陷阱的效果。一个经过制绒的表面不仅能像前面所讲的那样减少反射，还能使光斜着入射电池，因此光的路径长度比厚度大。光入射到半导体的折射角度可以通过折射定律求得：n1sin1=n2sin2其中，12分别是入射角和折射角，而n1为光入射介质的折射率，n2光射出介质的折射率。,2020/5/22,.,177,&4.2.5光学特性光陷阱,对上面的折射定律公式进行调整，则可计算光在电池入射的角度（即折射角）：,对于经过表面制绒的单晶硅太阳能电池，由于晶体表面的存在而使得角度1等于36，如下图所示,光在经制绒的太阳能电池上的反射和入射。,如果光线从折射率大的介质入射到折射率小的介质，将有可能发生全反射。此时的入射角为临界角，在上面的方程中，设2为0，得：,利用全内反射，可以把光困在电池内面，是穿入电池的光成倍增加，因此厚度很薄的电池也能拥有很长的光路径长度。,2020/5/22,.,178,&4.2.6光学特性朗伯背反射层,朗伯背反射层是一种特殊的背反射层，它能使反射光的方向随机化。电池背反射层的高反射率减小了背电极对光的吸收和光穿出电池的几率，并把光反弹回电池体内。方向的随机化使得许多反射光都被全反射回去。有些被反射回电池顶端表面的光与表面的角度大于临界角，则又再次被全反射回电池内。这样一来，光被吸收的机会就大大增加了，因为光的路径长度能达到4n2，n为半导体的折射率。使光的路径长度长达电池厚度的50倍，因此这是一个十分有效的围困光线的技术。朗伯背反射层在下图有描述：,顶角小于临界角的光逃出电池。,光被全反射并围困在电池内。,入射光,在电池背面的随机反射,2020/5/22,.,179,&4.3.1减少复合效应复合损耗,复合效应同时造成光生电流（即短路电流）和前置偏压注入电流（即开路电压）的损失。人们通常依据发生在电池内的区域不同来对复合进行分类。一般来说，发生在电池表面（表面复合）和电池体内（体复合）的复合是主要的复合形式。而耗尽区则是另外一个会发生复合的区域。,2020/5/22,.,180,&4.3.2减少复合效应复合引起的电流损失,为了让pn结能够吸收所有的光生载流子，表面复合和体复合都要尽量减到最小。对于硅太阳能电池，要达到这样的效果，所需条件为：载流子必须在与pn结距离小于扩散长度的区域产生，才能扩散到pn结并被收集。对于局部高复合区域（比如，没有钝化的表面和多晶硅的晶界），光生载流子与pn结的距离必须小于与高复合区域的距离。相反，在局部低复合区域（比如钝化的表面），光生载流子可以与低复合区域距离更近些，因为它依然能扩散到pn结并被收集，而不会复合。电池的前表面和背表面存在局部复合区域，意味着能量不同的光子将有不同的收集概率。蓝光的吸收率很高，并且在距离前表面非常近处被吸收，所以如果前表面是个高复合区域的话，那么蓝光产生的载流子就不怎么可能被pn结收集。类似的，如果电池的被表面的复合效应很强，将主要影响由红外光产生的载流子（红外光在电池深处产生载流子）。太阳能电池的量子效率量化了复合效应对光生电流的影响。下图描述了太阳能电池的量子效率。,2020/5/22,.,181,&4.3.2减少复合效应复合引起的电流损失,理想和现实太阳能电池的典型量子效率，描述了复合损失和光损失的影响，,前表面的反射和复合。,体内和背面的复合加上没被吸收的光。,三种不同类型的晶体硅太阳能电池的量子效率曲线。埋栅和丝网印刷曲线表示的是电池的内部量子效率，而PERL曲线则表示电池的外部量子效率。PERL电池对红外光的响应最好，因为被良好地钝化，有高效率的背表面反射。,丝网印刷埋栅PERL,2020/5/22,.,182,&4.3.3减少复合效应复合引起的电压损失,开路电压是指当前置扩散电流与短路电流大小相当时的光电压。前置扩散电流的大小取决于pn结处复合效应的大小，即扩散电流随着复合的提高而上升。结果是，高复合提高了前置扩散电流反过来却降低了开路电压。能表示在前置电压下的复合大小的材料参数是“二极管饱和电流”。而复合的大小由pn结边缘的少数载流子的数量控制，即它们离开pn结的速度有多快，复合的速度就有多快。所以，黑暗前置电流以及开路电压将受到下面几个因素影响：Pn结边缘的少数载流子数量。从pn结另一边注入的少数载流子数量，等于在平衡状态下的少数载流子数量乘以一个由电池电压和温度决定的指数因子。因此，尽量减少平衡少数载流子浓度将减少复合。而减少平衡少数载流子浓度可以通过增加掺杂来实现。材料的扩散长度。短的扩散长度意味着，少数载流子过复合在pn结边缘处快速消失，以使得更多的载流子通过电池，提高前置电流。因此，必须有长的扩散电流才能尽量减少复合并获得高电压。而扩散长度怎取决于电池材料的类型、制造电池片的过程和掺杂的情况。高掺杂导致低扩散长度，因此需要找到长扩散长度(它同时影响着电流和电压)与高电压之间的平衡。,2020/5/22,.,183,&4.3.3减少复合效应复合引起的电压损失,与pn结距离小于扩散长度的区域存在局部复合区。靠近pn结的高复合区（通常为表面或晶界）使得载流子迅速的移向它，接着被复合，因此大幅度提高复合电流。通过表面钝化能够降低表面复合的影