新能源发电技术第7讲 太阳能电池工作原理

1、第三章第三章 太阳能光伏发电技术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 基本原理基本原理 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电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，这就是半导数量会剧增，导电能力随之增强，这就是半导 体的光敏特性。体的光敏特性。 基本原理基本原理 n当太阳

2、光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射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，于是产生电子价电子碰撞，于是产生电子空穴对。这样，光能就空穴对。这样，光能就 以产生电子以产生电子空穴对的形式转变为电能。空穴对的形式转变为电能。 基本原理基本原理 n如果半导体内存在如果半导体内存在pn结，则在结，则在p型和型和n型交界面两型交界面两 边形成势垒电场，能将电子驱向边形成势垒电场，能将电子驱向n

3、区，空穴驱向区，空穴驱向p区，区， 从而使得从而使得n区有过剩的电子，区有过剩的电子，p区有过剩的空穴，在区有过剩的空穴，在 pn结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。 基本原理基本原理 n若分别在若分别在p型层和型层和n型层焊上金属引线，接通负载，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，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，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。输出功率。 基本原理基本原理 基本原理基本原理 n制造太阳电池的半导体材

4、料已知的有十几种，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。太阳能电池的工作原理。 一、太阳能电池的物理基础一、太阳能电池的物理基础 1、本征半导体、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素，它们的最外层电子极易挣

5、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（电性极差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅（si）和锗）和锗 （ge）均为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那）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么容易挣脱原子核的束

6、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。缚的那么紧，因而其导电性介于二者之间。 1、本征半导体、本征半导体 定义：定义： 将纯净的半导体将纯净的半导体 经过一定的工艺过程制经过一定的工艺过程制 成单晶体，成单晶体， 即为即为本征半本征半 导体。导体。 晶体中的原子在空间形晶体中的原子在空间形 成排列整齐的成排列整齐的点阵，点阵，相相 邻的原子邻的原子 形成形成共价键。共价键。 共价键共价键 1、本征半导体、本征半导体 晶体中的共价键具有极强的结合力，因此，在常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）获温下，仅有极少数

7、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。子与空穴数目相等。 1、本征半导体、本征半导体 本征激发本征激发: 半导体在半导体在 光照或热辐射激发光照或热辐射激发 下产生自由电子和下产生自由电子和 空穴对的现象称为空穴

8、对的现象称为 本征激发本征激发。 空穴空穴 自由自由 电子电子 1、本征半导体、本征半导体 复合复合: 自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就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，这种现象称为会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。复合。 在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与在一定的温度下，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，故达空穴对，与复合的自由电子和空穴对数目相等，故达 到到动态平衡。动态平衡。 1、本征半导体、本征半导体 能带理论：能带理论： n单个原子中的电子在绕核运单个原子中的电子在绕核运 动时，在各个轨道

9、上的电子动时，在各个轨道上的电子 都各自具有特定的能量；都各自具有特定的能量； n越靠近核的轨道，电子能量越靠近核的轨道，电子能量 越低；越低； n根据能量最小原理电子总是根据能量最小原理电子总是 优先占有最低能级；优先占有最低能级； 能带理论解释本征激发能带理论解释本征激发 1、本征半导体、本征半导体 能带理论：能带理论： n价电子所占据的能带称为价带；价电子所占据的能带称为价带； n价带的上面有一个禁带，禁带中不存在为电子所占据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；的能级； n禁带之上则为导带，导带中的能级就是价电子挣脱共禁带之上则为导带，导带中的能级就是价电子挣脱共 价

10、键束缚而成为自由电子所能占据的能级；价键束缚而成为自由电子所能占据的能级； n禁带宽度用禁带宽度用eg表示，其值与半导体的材料及其所处的表示，其值与半导体的材料及其所处的 温度等因素有关。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 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，便可得到量杂质元素，便可得到杂质半导体杂质半导体。 按掺入的杂质元素不用，可形成按掺入的杂质元素不用，可形成n型半导体型半导体和和p型型 半导体半导体；控制掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半；控制

11、掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半 导体的导电性能导体的导电性能。 2、杂质半导体、杂质半导体 n型半导体：型半导体： 在纯净在纯净 的硅晶体中掺入五价的硅晶体中掺入五价 元素（如磷），使之元素（如磷），使之 取代晶格中硅原子的取代晶格中硅原子的 位置，就形成了位置，就形成了n型半型半 导体。导体。 自由自由 电子电子 施主施主 原子原子 2、杂质半导体、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。出的电子不

12、受共价键的束缚，成为自由电子。n型半型半 导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称自由自由 电子为多数载流子，空穴为少数载流子。电子为多数载流子，空穴为少数载流子。由于杂质原由于杂质原 子可以提供电子，故称之为子可以提供电子，故称之为施主原子。施主原子。 2、杂质半导体、杂质半导体 p型半导体：型半导体：在纯净在纯净 的硅晶体中掺入三的硅晶体中掺入三 价元素（如硼），价元素（如硼）， 使之取代晶格中硅使之取代晶格中硅 原子的位置，就形原子的位置，就形 成了成了p型半导体。型半导体。 空位空位 受主受主 原子原子 空穴空穴 2、杂质半导体、杂质半导体

13、由于杂质原子的最外层有三个价电子，所以当它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，就产生了一个们与其周围硅原子形成共价键时，就产生了一个“空空 位位”，当硅原子的最外层电子填补此空位时，其共价，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。因而键中便产生一个空穴。因而p型半导体中，型半导体中，空穴为多空穴为多 子，自由电子为少子。子，自由电子为少子。因杂质原子中的空位吸收电子，因杂质原子中的空位吸收电子， 故称之为故称之为受主原子。受主原子。 3、pn结结 pn结：结：采用不同的采用不同的 掺杂工艺，将掺杂工艺，将p型半型半 导体与导体与n型半

14、导体制型半导体制 作在同一块硅片上，作在同一块硅片上， 在它们的交界面就形在它们的交界面就形 成成pn结。结。 正离子正离子负离子负离子空穴空穴自由电子自由电子 空间电荷区空间电荷区 p区区n区区 n区区p区区 3、pn结结 扩散运动：扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的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地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩 散运动。散运动。 当把当把p型半导体和型半导体和n型半导体制作在一起时，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，因在它们的交界面，两种载流子的浓度差很大，因 而而p区的空穴必然向

15、区的空穴必然向n区扩散，与此同时，区扩散，与此同时，n区的区的 自由电子也必然向自由电子也必然向p区扩散，如图示。区扩散，如图示。 3、pn结结 由于扩散到由于扩散到p区的自由电子与空穴复合，而扩散区的自由电子与空穴复合，而扩散 到到n区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多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，子的浓度下降，p区出现负离子区，区出现负离子区，n区出现正离子区，区出现正离子区， 它们是不能移动的，称为它们是不能移动的，称为空间电荷区空间电荷区，从而形成，从而形成内建内建 电场电场。 随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内建电随着扩散运动的进行，空间电荷区加

16、宽，内建电 场增强，其方向由场增强，其方向由n区指向区指向p区，正好阻止扩散运动的区，正好阻止扩散运动的 进行。进行。 3、pn结结 漂移运动：漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动称为漂移在电场力作用下，载流子的运动称为漂移 运动。运动。 当空间电荷区形成后，在内建电场作用下，少子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，空穴从产生飘移运动，空穴从n区向区向p区运动，而自由电子从区运动，而自由电子从 p区向区向n区运动。区运动。 在无外电场和其它激发作用下，参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，与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的

17、少子数目， 从而达到动态平衡，形成从而达到动态平衡，形成pn结，结，如图示。如图示。 此时，空此时，空 间电荷区具有一定的宽度，电位差为间电荷区具有一定的宽度，电位差为 =uho，电流为，电流为 零。零。 二、太阳能电池工作原理二、太阳能电池工作原理 1、光生伏打效应、光生伏打效应: 太阳能电池能量转换的基础是半导体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。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，如前所述，当光照射到半导体光伏器件上时，能量能量 大于硅禁带宽度的光子大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中，穿过减反射膜进入硅中，在在n区、区、 耗尽区和耗尽区和p

18、区中激发出光生电子区中激发出光生电子-空穴对。空穴对。 耗尽区：耗尽区：光生电子光生电子-空穴对在耗尽区中产生后，立即空穴对在耗尽区中产生后，立即 被内建电场分离，光生电子被送进被内建电场分离，光生电子被送进n区，光生空穴则被推区，光生空穴则被推 进进p区。根据耗尽近似条件，耗尽区边界处的载流子浓度区。根据耗尽近似条件，耗尽区边界处的载流子浓度 近似为近似为0，即，即p=n=0。 1、光生伏打效应、光生伏打效应 内建电场内建电场 n区区p区区 1、光生伏打效应、光生伏打效应 在在n区中：区中：光生电子光生电子-空穴对产生以后，光生空穴便空穴对产生以后，光生空穴便 向向p-n结边界扩散，一旦到达

19、结边界扩散，一旦到达p-n结边界，便立即受到内结边界，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）则被留在区，光生电子（多子）则被留在n区。区。 在在p区中：区中：的光生电子（少子）同样的先因为扩散、的光生电子（少子）同样的先因为扩散、 后因为漂移而进入后因为漂移而进入n区，光生空穴（多子）留在区，光生空穴（多子）留在p区。如区。如 此便在此便在p-n结两侧形成了正、负电荷的积累，使结两侧形成了正、负电荷的积累，使n区储存区储存 了过剩的电子，了过剩的电子，p区有过剩的空穴。从而区有过剩的空穴。从而形

20、成与内建电场形成与内建电场 方向相反的光生电场。方向相反的光生电场。 1、光生伏打效应、光生伏打效应 p区区 光生电场光生电场 n区区 内建电场内建电场 1、光生伏打效应、光生伏打效应 n 光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正区带正 电，电，n区带负电，在区带负电，在n区和区和p区之间的薄层就产生电动势，区之间的薄层就产生电动势， 这就是这就是光生伏打效应光生伏打效应。当电池接上一负载后，光电流就从。当电池接上一负载后，光电流就从 p区经负载流至区经负载流至n区，负载中即得到功率输出。区，负载中即得到功率输出。 n如果将如果将p-n结两端

21、开路，可以测得这个电动势，称之为结两端开路，可以测得这个电动势，称之为开开 路电压路电压uoc。对晶体。对晶体硅电池硅电池来说，开路电压的典型值为来说，开路电压的典型值为 0.50.6v。 n如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比 的光电流流过，这个电流称为的光电流流过，这个电流称为短路电流短路电流isc。 1、光生伏打效应、光生伏打效应 影响光电流的因素：影响光电流的因素： n 通过光照在界面层产生的电子通过光照在界面层产生的电子-空穴对愈多，电流愈大。空穴对愈多，电流愈大。 n界面层吸收的光能愈多，界面层即电池面积愈大，在太阳界

22、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。电池中形成的电流也愈大。 n太阳能电池的太阳能电池的n区、耗尽区和区、耗尽区和p区均能产生光生载流子；区均能产生光生载流子； n各区中的光生载流子必须在复合之前越过耗尽区，才能对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。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、太阳能电池材料的光学性 质质 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，太阳

23、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。而且也是工艺设计的依据。 吸收定律吸收定律 当一束光谱辐照度为当一束光谱辐照度为i0的光正交入射到半导体表面上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时，扣除反射后，进入半导体的光谱辐照度为i0(1-r)，在，在 半导体内离前表面距离为半导体内离前表面距离为x处的光谱辐照度处的光谱辐照度ix由吸收定律由吸收定律 决定：决定： 吸收定律吸收定律 x x erii )1 ( 0 进入半导体的光到达进入半导体的光到达x 处的光谱辐照度。处的光谱辐照度。 反射率反射率 吸收吸收 系数系数 d er

24、i i t 2 0 2 )1 ( 吸收定律吸收定律: 当薄片厚度为当薄片厚度为d时，我时，我 们可以得到关于透射率更们可以得到关于透射率更 完整的近似表达式。完整的近似表达式。 单晶硅、砷化镓和一些重要单晶硅、砷化镓和一些重要 太阳能电池材料的吸收系数太阳能电池材料的吸收系数 与波长的关系如图所示。与波长的关系如图所示。 2、太阳能电池材料的光学性质、太阳能电池材料的光学性质 本征吸收本征吸收 在原子图像中，硅的本征吸收可以理解为一个硅在原子图像中，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

25、键断裂处留下一个空变成了自由电子，同时在共价键断裂处留下一个空 穴。穴。 实验发现，只有那些实验发现，只有那些 大于禁带宽度大于禁带宽度eg的光子，的光子， 才能产生本征吸收。才能产生本征吸收。 h 本征吸收本征吸收 显然入射光子必须满足显然入射光子必须满足 g ehh 0 g e hchc 0 或或 式中式中 -刚好能产生本征吸收的光的频率刚好能产生本征吸收的光的频率（频率吸限）；（频率吸限）； -刚好能产生本征吸收的光的波长刚好能产生本征吸收的光的波长（波长吸收限）。（波长吸收限）。 0 0 可以认为，硅对于波长大于可以认为，硅对于波长大于1.15m的红外光是透明的。的红外光是透明的。 3

26、、太阳能电池等效电路、输出功率和填充因数、太阳能电池等效电路、输出功率和填充因数 等效电路等效电路 为了描述电池的工作状态，往往将电池及负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。载系统用一个等效电路来模拟。 不考虑串联电阻不考虑串联电阻 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同质结太阳能电池等效电路 等效电路等效电路 n恒流源恒流源: 在恒定光照下，一个处于工作状态的太阳电在恒定光照下，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。把它看做是恒流源。 n暗电

27、流暗电流ibk : 光电流一部分流经负载光电流一部分流经负载rl，在负载两端，在负载两端 建立起端电压建立起端电压u，反过来，它又正向偏置于，反过来，它又正向偏置于pn结，引结，引 起一股与光电流方向相反的暗电流起一股与光电流方向相反的暗电流ibk。 。 n这样，一个理想的这样，一个理想的pn同质结太阳能电池的等效电路同质结太阳能电池的等效电路 就被绘制成如图所示。就被绘制成如图所示。 等效电路等效电路 n串联电阻串联电阻rs: 由于前面和背面的电极接触，以及材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

28、附加电阻。流经负载的电流经过它们时，必然要引入附加电阻。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 串联电阻串联电阻rs来表示。来表示。 n并联电阻并联电阻rsh 由于电池边沿的漏电和制作金属化电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 一个并联电阻一个并联电阻rsh来等效。来等效。 输出功率输出功率 当流进负载当流进负载rl的电流为的

29、电流为i，负载，负载rl的端电压为的端电压为u时，可得：时，可得： sh ls aktiruq lshbkl r rri eiiiiii s )( ) 1( / )( 0 l iru l sh ls aktiruq l sh ls aktiruq l r r rri eii u r rri eiiiup s s 2 / 0 / 0 )( ) 1( )( 1 式中的式中的p就是太阳能电池被照射时在负载就是太阳能电池被照射时在负载rl上得到的输出功率。上得到的输出功率。 输出功率输出功率 当负载当负载rl从从0变到无穷变到无穷 大时，输出电压大时，输出电压u则从则从0变变 到到u0c，同时输出电流

30、便从，同时输出电流便从 isc变到变到0，由此即可画出，由此即可画出 太阳能电池的负载特性曲太阳能电池的负载特性曲 线。曲线上的任一点都称线。曲线上的任一点都称 为工作点，工作点和原点为工作点，工作点和原点 的连线称为负载线，负载的连线称为负载线，负载 线的斜率的倒数即等于线的斜率的倒数即等于rl， 与工作点对应的横、纵坐与工作点对应的横、纵坐 标即为工作电压和工作电标即为工作电压和工作电 流。流。 输出功率输出功率 调节负载电阻调节负载电阻rl到某一值到某一值rm时，在曲线上得到时，在曲线上得到 一点一点m，对应的工作电流，对应的工作电流im和工作电压和工作电压um之积最大，之积最大， 即：

31、即： pm=imum 一般称一般称m点为该太阳能电池的最佳工作点（或称点为该太阳能电池的最佳工作点（或称 最大功率点），最大功率点），im为最佳工作电流，为最佳工作电流，um为最佳工作电为最佳工作电 压，压，rm为最佳负载电阻，为最佳负载电阻，pm为最大输出功率。为最大输出功率。 填充因数填充因数 n最大输出功率与（最大输出功率与（uocisc）之比称为填充因数（）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。这是用以衡量太阳能电池输出特性好坏的重要指标之一。 n填充因数表征太阳能电池的优劣，在一定光谱辐照度下，填充因数表征太阳能电池的优劣，在一定光谱辐照度

32、下， ff愈大，曲线愈愈大，曲线愈“方方”，输出功率也愈高。，输出功率也愈高。 scoc mm scoc m iu iu iu p ff 4、太阳能电池的效率、影响效率的因素、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电路连接最佳负载电阻rl时的最大能量转换效率。时的最大能量转换效率。 0 )()( d hc a uiff pa uiff pa ui pa

33、p t ocsc int ocsc int mm int m 式中式中 at包括栅线图形面积在内的太阳能电池总面积包括栅线图形面积在内的太阳能电池总面积 d hc p in 0 -单位面积入射光功率单位面积入射光功率 太阳能电池的效率太阳能电池的效率: n在上式中，如果把在上式中，如果把at换为有效面积换为有效面积aa（也称活性面积），（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。些，这一点在阅读国内外文献时应注意。 n美国的普林斯最早算出美国的普林斯最早算出硅太阳能电池的理论效率为

34、硅太阳能电池的理论效率为21.7%。 20世纪世纪70年代，华尔夫（年代，华尔夫（m.wolf）又做过详尽的讨论，）又做过详尽的讨论， 也得到也得到硅太阳能电池的理论效率在硅太阳能电池的理论效率在am0光谱条件下为光谱条件下为 20%22%，以后又把它修改为，以后又把它修改为25%（am1.0光谱条件）。光谱条件）。 n估计太阳能电池的理论效率，必须把估计太阳能电池的理论效率，必须把从入射光能到输出电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。能之间所有可能发生的损耗都计算在内。其中有些是与材其中有些是与材 料及工艺有关的损耗，而另一些则是由基本物理原理所决料及工艺有关的损耗，而另

35、一些则是由基本物理原理所决 定的。定的。 影响效率的因素影响效率的因素 综上所述，提高太阳能电池效率，必须提高综上所述，提高太阳能电池效率，必须提高开路开路 电压电压uoc、短路电流、短路电流isc和填充因子和填充因子ff这三个基本参量这三个基本参量。 而这而这3个参量之间往往是互相牵制的，如果单方面提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，工艺时必须全盘考虑，力求使力求使3个参量的乘积

36、最大。个参量的乘积最大。 影响效率的因素影响效率的因素 u材料能带宽度材料能带宽度: 开路电压开路电压uoc随能带宽度随能带宽度eg的增大而增大，但的增大而增大，但 另一方面，短路电流密度随能带宽度另一方面，短路电流密度随能带宽度eg的增大而减的增大而减 小。结果可期望在某一个确定的小。结果可期望在某一个确定的eg处出现太阳电池处出现太阳电池 效率的峰值。效率的峰值。用用eg值介于值介于1.21.6ev的材料做成太的材料做成太 阳电池，可望达到最高效率。阳电池，可望达到最高效率。薄膜电池用直接带隙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。半导体更为可取，因为它能在表面附近

37、吸收光子。 影响效率的因素影响效率的因素 u温度温度 : 少子的扩散长度随温度的升高稍有增大，因此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，但光生电流也随温度的升高有所增加，但uoc随温度的升随温度的升 高急剧下降。填充因子下降，所以高急剧下降。填充因子下降，所以转换效率随温度的增转换效率随温度的增 加而降低。加而降低。 地面应用的硅太阳能电池一般工作在地面应用的硅太阳能电池一般工作在-40+70之间，之间， 空间应用的硅太阳能电池可在空间应用的硅太阳能电池可在-135+125条件下工作。条件下工作。 温度每升高温度每升高1， 电池的输出功率损失约为电池的输出功

38、率损失约为 0.35%0.45%，也就是，也就是 说，在说，在20工作的硅太阳工作的硅太阳 能电池的输出功率要比在能电池的输出功率要比在 70工作时高工作时高20%。 影响效率的因素影响效率的因素 u辐照度辐照度: 随辐照度随辐照度 的增加短路电流线性的增加短路电流线性 增加，增加，最大功率不断最大功率不断 增加。将阳光聚焦于增加。将阳光聚焦于 太阳电池，可使一个太阳电池，可使一个 小小的太阳电池产生小小的太阳电池产生 出大量的电能。出大量的电能。 影响效率的因素影响效率的因素 u掺杂浓度掺杂浓度: 对对uoc有明显影响的另一因素是半导体掺杂浓度。有明显影响的另一因素是半导体掺杂浓度。掺掺 杂浓度越高，杂浓度越高，uoc越高越高。但当硅中杂质浓度高于。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、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为杂质不能全部电离和少子寿命下降等等现象