晶体硅太阳能电池基本原理

1、a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c 沈 富 生a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.cpn结的形成结的形成太阳能电池的等效电路太阳能电池的等效电路光电转换原理光电转换原理爱因斯坦划时代的光电理论主要参考

2、文献主要参考文献半导体材料半导体材料a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c爱因斯坦划时代的光电理论爱因斯坦划时代的光电理论 20世纪最伟大的两个物理理论：相对论世纪最伟大的两个物理理论：相对论&量子力学量子力学 相对论（狭义相对论和广义相对论）相对论（狭义相对论和广义相对论） 一人的创作一人的创作 量子力学量子力学 多人的集体创作（以玻尔为首的哥本哈根学派，如玻恩、泡多人的集体创作（以玻尔为

3、首的哥本哈根学派，如玻恩、泡利、海森堡、狄拉克等成员）利、海森堡、狄拉克等成员）a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c爱因斯坦划时代的光电理论爱因斯坦划时代的光电理论 狭义相对论（狭义相对论（1905年发表）年发表） 光速不变，四维时空，否定经典力学的绝对时空观光速不变，四维时空，否定经典力学的绝对时空观 。 e-mc2 物体跑得越快，则时间变得越慢，长度变得越短，重量变得越重。物体跑得越快，则时间

4、变得越慢，长度变得越短，重量变得越重。 广义相对论（广义相对论（1916年发表）年发表） 引力场，宇宙黑洞，宇宙的有限无界引力场，宇宙黑洞，宇宙的有限无界 a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c爱因斯坦于爱因斯坦于1905年发表光量子论，提出光子假说年发表光量子论，提出光子假说爱因斯坦公式：爱因斯坦公式：dn=(kt/q)n dh=(kt/q)h爱因斯坦因为解释光电效应方面的理论爱因斯坦因为解释光电

5、效应方面的理论而不是因为发表相对论获得诺贝尔物理奖（而不是因为发表相对论获得诺贝尔物理奖（1921年）年） 爱因斯坦划时代的光电理论爱因斯坦划时代的光电理论a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c 诺贝尔委员会的错误决定？诺贝尔委员会的错误决定？ 诺贝尔委员会的正确决定！诺贝尔委员会的正确决定！爱因斯坦划时代的光电理论爱因斯坦划时代的光电理论a leading technology superior

6、quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c半半 导导 体体 材材 料料 固体材料按其导电性能可分为三类：固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、绝缘体、半导体及导体。半导体及导体。绝缘体：绝缘体：玻璃、橡胶、塑料、石英玻璃、橡胶、塑料、石英等等半导体：半导体：锗、硅、砷化镓、硫化镉等锗、硅、砷化镓、硫化镉等导体：导体：金、银、铜、铝、铅、锡等金、银、铜、铝、铅、锡等 半导体的电阻率：半导体的电阻率：10-4 10-7 欧姆欧姆米米a leading techno

7、logy superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c半半 导导 体体 材材 料料 1、热敏、热敏 2、光敏、光敏 3、杂质、杂质 4、其它特性（、其它特性（ 温差电效应，霍尔效应，温差电效应，霍尔效应， 发光效应，光伏效应，激光性能等）发光效应，光伏效应，激光性能等） 半导体材料特性半导体材料特性a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷

8、佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c半半 导导 体体 材材 料料eg 半导体的能级半导体的能级/能带能带导带导带禁带禁带满带满带固体固体原子原子si1.1ev a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c半半 导导 体体 材材 料料满带（允带）满带（允带） ：被电子占满的能带：被电子占满的能带 不导电不导电导带（允带）导带（允带） ：被电子部分占领的能带：

9、被电子部分占领的能带 导电导电禁带：没有被电子占领的能带禁带：没有被电子占领的能带价带：处于满带顶的能带价带：处于满带顶的能带a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c半半 导导 体体 材材 料料（a): 绝缘体绝缘体 (b):半导体半导体 (c):导体导体a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市

10、捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c半半 导导 体体 材材 料料半导体除了导电中的电子导电，还有价带上空穴的导电半导体除了导电中的电子导电，还有价带上空穴的导电a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c半半 导导 体体 材材 料料硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有电子对就称为“

11、共价键”。 si+4+4+4+4共价键共价键共用电共用电子对子对a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c半半 导导 体体 材材 料料半导体的掺杂半导体的掺杂一、本征半导体一、本征半导体 电子和空穴（载流子）电子和空穴（载流子） si在在300k：1.5x1010/cm3二、掺杂半导体：少量的掺杂可极大地增加载流子浓度二、掺杂半导体：少量的掺杂可极大地增加载流子浓度 （常温时，（常温时，si：10-6

12、105 ） 1、n型半导体型半导体 2、p型半导体型半导体a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c半半 导导 体体 材材 料料1、n型半导体型半导体在在si材料中掺入第材料中掺入第v族元素族元素（p，as等）等）多数载流子电子多数载流子电子少数载流子空穴少数载流子空穴在si材料中掺入第iii族元素（b, al等）多数载流子空隙少数载流子电子2、p型半导体型半导体多余多余电子电子空空键键接受接受电子电子

13、空空穴穴a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c半半 导导 体体 材材 料料pnpqnq1)(1pniqnnnq1ppq1电阻率与杂质浓度有如下关系：本征半导体：p型半导体：n型半导体：a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基

14、本原理 www.c 扩散运动扩散运动 因浓度差，载流子沿浓度梯度由高浓度向低浓度方向因浓度差，载流子沿浓度梯度由高浓度向低浓度方向的运动。的运动。 漂移运动漂移运动 受电场力的驱使，载流子沿由高电势向低电势方向的受电场力的驱使，载流子沿由高电势向低电势方向的运动运动pn结的形成结的形成a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.cnpnpnppn结的形成结的形成n区：高浓度电子向低浓度区：高浓度电子向低浓度

15、p区扩散区扩散p区：高浓度空穴向低浓度区：高浓度空穴向低浓度n区扩散区扩散n区：电子是多子，空穴是少子。区：电子是多子，空穴是少子。p区：空穴是多子，电子是少子。区：空穴是多子，电子是少子。n区：电子（带负电）移动后留下正电荷区：电子（带负电）移动后留下正电荷p区：空穴（带正电）移动后留下负电荷区：空穴（带正电）移动后留下负电荷以上为多数载流子由高浓度向低浓度区的扩散运动的过程以上为多数载流子由高浓度向低浓度区的扩散运动的过程npnpnp电场方向由电场方向由n区指向区指向p区区a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷

16、佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.cpn结的形成结的形成 npnpn区：多子即电子被由区：多子即电子被由n区指向区指向p区的电场阻挡无法向区的电场阻挡无法向p区做扩散运动，区做扩散运动， 少子即空穴在由少子即空穴在由n区指向区指向p区的电场驱动下向区的电场驱动下向p区做漂移运动。区做漂移运动。电场方向由电场方向由n区指向区指向p区区电场方向由电场方向由n区指向区指向p区区p区：多子即空穴被由区：多子即空穴被由n区指向区指向p区的电场阻挡无法向区的电场阻挡无法向n区做扩散运动，区做扩散运动， 少子即电子在由少子即电

17、子在由n区指向区指向p区的电场驱动下向区的电场驱动下向n区做漂移运动。区做漂移运动。以上为少数载流子由电场力驱动做漂移运动的过程以上为少数载流子由电场力驱动做漂移运动的过程a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.cpn结的形成结的形成 空间电荷区即内建电场（势垒区、阻挡层）：阻碍多数载流子做扩散运动空间电荷区即内建电场（势垒区、阻挡层）：阻碍多数载流子做扩散运动 驱动少数载流子做漂移运动驱动少数载流子做

18、漂移运动扩散运动和漂移动最终达到平衡，即扩散电流扩散运动和漂移动最终达到平衡，即扩散电流=漂移电流，此时建立了空间电荷区。漂移电流，此时建立了空间电荷区。 a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c 平衡载流子平衡载流子)exp(0kteennifi)exp(0kteenpfii 处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一定的，这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。 n0 p0

19、= ni2pn结的形成结的形成a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c光电转换过程光电转换过程 太阳能电池发电要求：太阳能电池发电要求： 1、必须有光的照射，可以是太阳光、单色光或模拟光。、必须有光的照射，可以是太阳光、单色光或模拟光。 2、光子注入到半导体后激发出电子、空穴对，此对电子空穴、光子注入到半导体后激发出电子、空穴对，此对电子空穴 必须有足够长的寿命，确保在分离前不会复合消失；必须有足够长

20、的寿命，确保在分离前不会复合消失； 3、必须有一个静电场，使电子、空穴分离；、必须有一个静电场，使电子、空穴分离； 4、必须有电极分别收集电子和空穴输出到电池体外形成电流。、必须有电极分别收集电子和空穴输出到电池体外形成电流。a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c光电转换过程光电转换过程a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳

21、市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c 非平衡载流子（光照产生非平衡载流子）非平衡载流子（光照产生非平衡载流子） 光电转换过程光电转换过程非平衡载流子平均生存的时间称为非平衡载流子的寿命。非平衡载流子平均生存的时间称为非平衡载流子的寿命。 由于相对于非平衡多数载流子，非平衡少数载流子的影响处由于相对于非平衡多数载流子，非平衡少数载流子的影响处于主导地位，因而非平衡载流子的寿命（常称为少数载流子于主导地位，因而非平衡载流子的寿命（常称为少数载流子寿命，简称少子寿命）被用来衡量材料的质量。寿命，简称少子寿命）被用来

22、衡量材料的质量。 a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c 非平衡载流子（光照产生非平衡载流子）非平衡载流子（光照产生非平衡载流子） 光电转换过程光电转换过程 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0，可以比他们多出一部分，多出这部分载流子称为非平衡载流子，用n和p 表示。a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市

23、捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c光电转换过程光电转换过程teptp0)()(teptp0)()(即此时就是材料的少子寿命 少子寿命少子寿命当当 时时a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c光电转换过程光电转换过程a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品

24、质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c光电转换过程光电转换过程 pn结加正向偏压结加正向偏压 即即p区接电源正极，区接电源正极， n区接电源负极区接电源负极 空间电荷区的宽度减小，势垒高度从空间电荷区的宽度减小，势垒高度从qvd下降为下降为q（vd-v）a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c光电转换过程光电

25、转换过程 pn结加反向偏压结加反向偏压 即即p区接电源负极，区接电源负极， n区接电源正极区接电源正极空间电荷区的宽度减小，势垒高度从空间电荷区的宽度减小，势垒高度从qvd增大为增大为q（vd+v）a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c光电转换过程光电转换过程p-n结的结的i-v特性特性 shockley 方程：方程： id =i0exp(qv/kt)-1特点：单向导电性特点：单向导电性dpipan

26、innlnqdnlnqdai220a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c 光电转换的三个物理过程光电转换的三个物理过程1、吸收光能激发出非平衡电子一空穴对、吸收光能激发出非平衡电子一空穴对2、非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动、非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动3、非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动、非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动 而分离而分离 光生电

27、流的方向相当于普通二极管的反向电流的方向。光生电流的方向相当于普通二极管的反向电流的方向。光照使光照使pn结势垒降低等效于结势垒降低等效于pn结外加正向偏压，形成正结外加正向偏压，形成正向注入电流。这个电流的方向与光生电流刚好相反，是太向注入电流。这个电流的方向与光生电流刚好相反，是太阳电池中的不利因素。阳电池中的不利因素。光电转换过程光电转换过程a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c光电转换过程光

28、电转换过程viilviila leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c太阳电池的等效电路太阳电池的等效电路重要参数重要参数 1、短路电流（、短路电流（isc），），2、开路电压（、开路电压（voc），），3、填充因子（、填充因子（ff），），4、转换效率（、转换效率（ ）5、串联电阻（、串联电阻（rs）6、并联电阻（、并联电阻（rsh）输出功率：功率输出功率：功率=isc*voc*ff 最大工作电流（最大

29、工作电流（im），），最大工作电压（最大工作电压（vm），），a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c理想理想pn结特性：结特性：太阳电池的等效电路太阳电池的等效电路10eiiiiiktqvldl10iiillnqktviiscli iscrs = 0 rsh = rloada leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电

30、子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c太阳电池的等效电路太阳电池的等效电路1、短路电流、短路电流isc：当当v=0,即短路情况下即短路情况下: （最大光生电流）（最大光生电流）iiscli iiscli 10eiiiiiktqvldli = iscr = 0a leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c太阳电池的等效电路太阳电池的等效电路

31、2、开路电压、开路电压voc：iiscli 10iilvlnocqktdpipaninnlnqdnlnqdai220当i=0,即开路情况下: 最高输出暗电流 10iiillnqktvi = 0r = +_v = voca leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c太阳电池的等效电路太阳电池的等效电路3、填充因子、填充因子ff：是输出特性曲线是输出特性曲线“方形方形”程度的量程度的量度度最佳工作点，负载匹配。

32、最佳工作点，负载匹配。最大输出功率点所对应的面积在最大输出功率点所对应的面积在isc和和voc所组成的面积中的百分比。所组成的面积中的百分比。iiscli scocmscocmpmpivpivviffa leading technology superior quality 科技领先科技领先 品质超然品质超然深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司深圳市捷佳伟创微电子设备有限公司 晶体硅太阳能电池基本原理晶体硅太阳能电池基本原理 www.c4、转换效率、转换效率 ： 表示为有多少光能转换为电能。表示为有多少光能转换为电能。太阳电池的等效电路太阳电池的等效电路iiscli inmpmpinpvippmaxscocmscocmpmpivpivviffinscocpiffv 填充因子正好是i-v曲线下最大长方形面积与乘积vocisc之比，所以转换效率可表示为a leading technol