光伏基本知识

1、光伏基本知识 忠诚/勤奋/创新/激情 http:/ 主要内容 光电效应简介 太阳能电池的开发背景 光伏效应的基本原理 忠诚/勤奋/创新/激情 http:/ 光电效应(photoelectric)：物体吸收了光能后转换为该物体中某 些电子的能量而产生的电效应。 1887年Heinrich Hertz在实验中发现了光电效应，爱因斯坦 因采用光量子(photon)的概念成功的解释了光电效应而获得了 1921年诺贝尔物理奖。根据电子吸收光子能量后的不同行为 ，光电效应可分为外光电效应和内光电效应。 外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外 发射的现象。 其主要应用有光电管和光电倍增管。

2、忠诚/勤奋/创新/激情 http:/ 内光电效应：光照射到半导体材料上激发出电子-空穴对而使半导体 产了产生的电效应。内光电效应可分为光电导效应、光生伏特效应 光电导效应是指光照射下半导体材料的电子吸收光子能量从键合状 态过渡到自由状态，从而引起材料电阻率的变化。其应用为光敏电 阻。 光生伏特效应是指光照射下物体内产生一定方向的电动势的现象。 其应用主要有光伏电池、光(电)敏二极管、光(电)敏三极管等。 忠诚/勤奋/创新/激情 http:/ 忠诚/勤奋/创新/激情 http:/ 化石能源的大量使用导致了全球气候变化。政府间气候化石能源的大量使用导致了全球气候变化。政府间气候 变化专门委员会变化

3、专门委员会(IPCC)的综合评估结果表明：近的综合评估结果表明：近50年全年全 球大部分增暖，非常可能球大部分增暖，非常可能(90%以上以上)是人类活动的结果，是人类活动的结果， 特别是源于化石燃料使用导致的人为温室气体排放。特别是源于化石燃料使用导致的人为温室气体排放。 化石能源的开发利用造成环境污染。我国每年排入大化石能源的开发利用造成环境污染。我国每年排入大 气的污染物中，有约气的污染物中，有约80%的烟尘、的烟尘、87%的的SO2和和67% 的的NOx来源于煤的燃烧。这些污染物会形成硫酸烟雾来源于煤的燃烧。这些污染物会形成硫酸烟雾 、酸雨以及其它光化学烟雾等。、酸雨以及其它光化学烟雾等

4、。 化石能源行将枯竭带给人类巨大的挑战。按照化石能源行将枯竭带给人类巨大的挑战。按照2008年的年的 开采速度计算，全球石油剩余探明储量可供开采开采速度计算，全球石油剩余探明储量可供开采42年，年， 天然气和煤炭分别可供应天然气和煤炭分别可供应60年和年和122年。年。2008年我国煤年我国煤 炭储采比约为炭储采比约为41年，天然气和石油储采比分别约为年，天然气和石油储采比分别约为32年年 和和11年。年。必须加强替代能源必须加强替代能源 包括核能、风能、包括核能、风能、 太阳能、水能、地太阳能、水能、地 热和海洋能等的开热和海洋能等的开 发利用。发利用。 忠诚/勤奋/创新/激情 http:/

5、 太阳能的优点：太阳能是人类可利用的最直接的清洁 能源，它分布广阔，获取方便；不会污染环境，没有废 水、废渣、废气的排放；可以就地开发利用，不存在运 输问题。太阳表面释放的能量换算成电能的功率约为 3.81023KW左右，其中约22亿分之一到达地球，约 1.21014KW(1.35KW/m2,太阳常数)，这相当于现在地球上 消耗能量的约1万倍。根据目前太阳产生的核能速率估算 ，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几 十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是取自不 尽，用之不竭的。 太阳能的缺点：能源密度较低，并且具有间歇性，使 其大规模使用的成本和技术难度均很高，目前太阳能所 提供的

6、能源占世界商业能源总量不足1%。 忠诚/勤奋/创新/激情 http:/ 金属金属半导体半导体绝缘体绝缘体 金属的价带是半满的，所以金属能够导电；绝缘体的价带是全满的，金属的价带是半满的，所以金属能够导电；绝缘体的价带是全满的， 并且具有较大的禁带宽度，所以不能导电；半导体的价带也是全满的，并且具有较大的禁带宽度，所以不能导电；半导体的价带也是全满的， 但由于其具有较窄的禁带宽度，所以在一定的条件下能够导电。其电但由于其具有较窄的禁带宽度，所以在一定的条件下能够导电。其电 导率在导率在10-4到到1010欧姆欧姆 厘米之间。厘米之间。 忠诚/勤奋/创新/激情 http:/ 本征半导体：没有杂质和

7、缺陷的半导体。其原子的排列处 于非常整齐的状态，在一定条件下少数电子可能挣脱束缚而 形成电子载流子n0，同时留下带正电的空位(空穴hole)p0，且 浓度n0=p0。在本征半导体中载流子的总数仍然不能满足导电 性的需要，所以本征半导体实际用处不大。常见的本征半导 体有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等。 掺杂半导体：为了提高半导体的导电性能，可以通过添加 杂质的办法降低其电阻率，提高其导电性。例如对本征半导 体硅掺入百万分之一的杂质，其电阻率就会从105下降到只有 几个欧姆厘米。 p-型半导体：positive, 通过掺杂增加半导体内的空穴载流 子的浓度，使空穴(正电子)成为多数载流

8、子(多子)； n-型半导体：negative, 通过掺杂增加半导体内的电子载流 子的浓度，是电子称为多数载流子。 忠诚/勤奋/创新/激情 http:/ 以硅为例，理想的硅原子结构示 意图： 添加3价元素硼后的示意图： 黄色表示B元素，蓝色点表示空穴。空 穴容易吸收电子而中和，就像空穴在流 动一样。 掺杂5价元素磷后的示意图： 黄色表示P元素，红色点表示多余的电 子，它非常活跃，容易流动形成电流。 忠诚/勤奋/创新/激情 http:/ 当p-型和n-型半导体结合在一起时，由于p-型半 导体多空穴，n-型半导体多自由电子，在界面处出 现了浓度差。n-区的电子会扩散到p-区，p-区的空穴 会扩散到n

9、-区，这样会在交界面区域形成一个特殊 的薄层，即空间电荷区。空间电荷区存在一个从n- 区指向p-区的内建电场阻止扩散进行，内建电场与 半导体内的扩散达到平衡后，就形成了这样一个特 殊的薄层，这就是p-n结。 忠诚/勤奋/创新/激情 http:/ 当光照射p-n结上时，如果入射电子的能量大于半导 体材料的禁带宽度(Eg)，就会在半导体内产生大量的自 由载流子-空穴和电子。它们在p-n结内建电场的作用下 ，空穴往p-区移动，使p-区获得附加正电荷；而电子往 n-型区移动， n-区获得负电荷，产生一个光生电动势 ，这就是光伏效应(光生伏打效应)。当用导线连接p-型 区和n-型区时，就会形成电流. 忠

10、诚/勤奋/创新/激情 http:/ 关于光电效应和光伏效应的关系，有以下两种观点： 光伏效应是光电效应的一种：基于这种观点的光电效应是指物体吸收 光能后引起电性能变化的效应，包括内、外光电效应。 光电效应和光伏效应是不同的两个概念：可以从两个方面理解： 这种观点中的光电效应是狭义上的光电效应，仅指外光电效应。 这种观点中的光电效应定义不同，即photoemission非photoelectric，其 对应的材料仅指的是金属。“利用金属的光电效应也可以制备太阳电 池，有光照的金属其化学势会稍微大于没有光照的金属的化学势，从 而产生光伏电压”，而“光生伏特效应是指光子入射到半导体的 p-n 结后，

11、从 p-n 结的二端电极产生可输出功率的电压伏特值”。 这篇文章中还指出：并不是能够转换入射光子能量而直接产生输出电 压的器件都叫光生伏特效应。例如Dember效应，指半导体吸收光子后 产生能自由移动的电子和空穴，由于电子和空穴的扩散系数不一样， 因此会在分布不均的电子和空穴间产生内建电场。又如基于光电化学 效应的染料敏化太阳电池，因为要用到电解质且涉及到了化学反应， 也不属于光生伏特效应。 忠诚/勤奋/创新/激情 http:/ 光伏电池和光电二极管都是基于光伏效应的光电器件。其主要区别 在于：光伏电池在零偏置下工作，而光电二极管在反向偏置下工 作光伏电池的掺杂浓度较高1016-19从而具有较

12、强的光伏效应，而 光电二极管掺杂浓度较低1012-13光伏电池的电阻率较低0.1-0.01 /cm，而光电二极管则为1000/cm光伏电池的光敏面积要比光 电二极管大得多，因此光电二极管的光电流小得多，一般在uA级 。 忠诚/勤奋/创新/激情 http:/ 发光二极管：Light Emitting Diode，在电场作用下， 电子和空穴分别从阴极和阳极注入，空穴和电子在 发光层中相遇、复合形成激子，激子经过驰豫、扩 散、迁移等过程复合而产生光子。 忠诚/勤奋/创新/激情 http:/ 光伏电池的主要性能参数有开路电压VOC、短路电流ISC、最大输出 功率Pm、填充因子FF、能量转换效率PCE等

13、。 开路电压open-circuit voltage：太阳电池处于开路状态时两端的电 压，可用高内阻的直流毫伏计测量。 短路电流short-circuit current：太阳电池处于短路状态时流过的电流 ，常用短路电流密度JSC代替，用内阻小于1的电流表测量。 最大输出功率：太阳电池的输出功率随负载电阻而变化，其最大 值成为最大输出功率，Pm=VmIm。 填充因子Fill Factor：最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之 比，始终小于1，代表太阳能电池在最佳负载时能输出的最大功率 的特性。 能量转换效率Power Conversion Efficiency：太阳电池的最大输出功率 和入射

14、光的功率之比。 OCSCmm inin FF VIVI PP 忠诚/勤奋/创新/激情 http:/ 太阳能电池输出特性测量电路示意图。当负载从太阳能电池输出特性测量电路示意图。当负载从0 变化到无穷大时，输出电压变化到无穷大时，输出电压V则从则从0变到变到VOC，同时，同时 输出电流便从输出电流便从ISC变到变到0，由此得到电池的输出特性，由此得到电池的输出特性 曲线。曲线。 A V 太阳电池太阳电池 电压计电压计 电流计电流计 可变电阻可变电阻 除了以上5个主要参数，有些文献上还提到了其它参数，如光 电转换效率IPCE(mono-chromatic incident photon-to-electron conversion efficiency )、外量子效率EQE(external quantum efficiency ) 及内量子效率IQE(Internal Quantum Effi