Part2光伏材料与器件秋季 太阳能光伏器件的基本原理6精编版

1、光伏材料与器件 2017.9 上次课回顾 ?第一节 人类能源的希望所在太阳能 第二节 太阳和太阳辐射 第三节 太阳能资源的分布特点 第四节 光伏发电历史与现状 人类能源利用历史与展望 http:/ 世界主要能源消耗发展 一次能源一次能源 煤炭 铀 天然气 石油 开采年限开采年限 231年 72年 63年 43年 新能源比较 新能源新能源 太阳能 风能 生物质能 储量储量 特点特点 续能源。 1 x 105 TW 太阳能是目前可以使用的能源中最经济、最清洁、最环保的可持14TW 5-7TW 风能是太阳辐射下流动所形成的。蕴藏量大，风力发电是当代人 利用风能最常见的形式，但是风力断续分散； 生物质

2、能来源于生物质，也是太阳能以化学能形式贮存于生物中 的一种能量形式，它直接或间接地来源于植物的光合作用，农村 的沼气池就属于生物质能的利用，应用规模不大； 指水体的动能、势能和压力能等能量资源，水利发电较为常用； 地热能资源指陆地下5000米深度内的岩石和水体的总含热量，分 布相对来说比较分散，开发难度大； 海洋能指蕴藏于海水中的各种可再生能源，包括潮汐能、波浪能、 海流能、海水温差能、海水盐度差能等，限于技术水平，现尚处 于小规模研究阶段； 水电 地热能 1.2TW 1.9 TW 潮汐/海洋能 0.7 TW 太阳能蕴藏量最丰富，地区分布广泛 太阳辐射能可直接转换为电能，转换环节最少最直接 太

3、阳和太阳能辐射 光球光球 色球色球 第二章 太阳能光伏器件的基本原理 ?第一节 半导体的基本性质 第二节 半导体p-n结 第三节 太阳电池基础 第四节 影响效率的关键因素 2.1 半导体的基本性质 2.1.1 半导体的结构半导体的结构 自然界物质存在的状态分为自然界物质存在的状态分为液态、气态、固态液态、气态、固态。固态物质根据它们的。固态物质根据它们的质点（原子、离子和分子）排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。质点（原子、离子和分子）排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。具有确定熔点的固态物质称为具有确定熔点的固态物质称为晶体晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没，如硅、砷化镓、冰及一

4、般金属等；没有确定的熔点，加热时在某以温度范围内就逐渐软化的固态物质称为有确定的熔点，加热时在某以温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶非晶体体，如玻璃、松香等。，如玻璃、松香等。 晶体晶体又分为又分为单晶体单晶体和和多晶体。多晶体。整块材料从头到尾都按同以规则作周期整块材料从头到尾都按同以规则作周期性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体（即晶粒）组成的晶体，称为多晶体。小晶体（即晶粒）组成的晶体，称为多晶体。 硅材料硅材料有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。有多种形态，按晶体结构

5、，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。 单晶： 原子在整个晶体中排列有序 多晶： 原子在微米数量级排列有序 非晶： 原子在原子尺度上排列有序 短程序包含： 1、近邻原子的种类和数目； 2、近邻原子之间的距离（键长）； 3、近邻原子的几何方位（键角）； 单晶、多晶和非晶体原子排列单晶、多晶和非晶体原子排列 : 晶体的微观结构晶体的微观结构: 晶体是原子在三维空间周期性重复排列拓展而成的。原胞为晶体的最小重复单元，按原胞结构的不同构成不同类型的晶体。以立方晶系的原胞为例，有如下种类： 硅晶体的微观结构硅晶体的微观结构: 金刚石结构（与金刚石结构（与硅硅、锗等半导体类似）、锗等半导体类似） 109o28

6、共价键共价键 金刚石金刚石 顶角、面心 体对角线1/4处 A A ?c?kB A B A ?a晶胞晶胞 ?b?jB B ?i同种原子形成的两类格点相互套构同种原子形成的两类格点相互套构 晶体的晶面晶体的晶面: 1、通过晶格的格点可做许多间距相同而相互平行的平面，为晶面。 2、垂直于晶面的法线方向为晶向。 3、密勒指数（h k l）表示晶面的方向 选晶格的三条棱边作为坐标系的坐标轴，求出晶面在每一坐标轴的截距，将这三个截距分别化为晶格常数的倍数，并把它们化成互质的整数，加上圆括号（h k l）即为一个晶面或一族晶面的密勒指数。 c c c o o o b b a （111） b a （100）

7、a （110） 2.1.2 半导体的能带半导体的能带 真空中的电子得到的能量值基本是连续的，但在晶体中情况不同。真空中的电子得到的能量值基本是连续的，但在晶体中情况不同。 原子的壳层模型认为，原子的中心是一个带正电荷的核，核外存在原子的壳层模型认为，原子的中心是一个带正电荷的核，核外存在着一系列不连续的、由电子运动轨道构成的壳层，电子只能在壳层里绕着一系列不连续的、由电子运动轨道构成的壳层，电子只能在壳层里绕核转动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具有一定的能量状态，所核转动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具有一定的能量状态，所以一个壳层相当于一个能量等级，称为以一个壳层相当于一个能量等级，

8、称为能级能级。 E5 E4 E3(4) E2(8) E1(2) +14 一一个个能能级级也也表表示示电子的一种运动状态，电子的一种运动状态，所以所以能态能态、状态状态 与与能能级级的含义相同。图为的含义相同。图为硅原子的电子能级图。硅原子的电子能级图。 能带能带 禁带禁带 能带能带 能级能级 能级能级 +14 禁带禁带 能带能带 能级能级 电子轨道对应的能带电子轨道对应的能带 在孤立原子中，电子只能在各允许轨道上运动。晶体中，原子之间在孤立原子中，电子只能在各允许轨道上运动。晶体中，原子之间距离很近，相邻原子的电子轨道距离很近，相邻原子的电子轨道相互重叠相互重叠、互相影响互相影响。与轨道相对应

9、的。与轨道相对应的能级分裂能级分裂成为能量非常接近但又大小不同的许多电子能级，称为能带。成为能量非常接近但又大小不同的许多电子能级，称为能带。每层轨道都有一个对应的能带。每层轨道都有一个对应的能带。 电子在每个能带中的分布，一般是先填满能量较低的能级，然后电子在每个能带中的分布，一般是先填满能量较低的能级，然后逐步填充能量较高的能级，并且每条能级只允许填充逐步填充能量较高的能级，并且每条能级只允许填充 两个两个具有同样能具有同样能量的电子。量的电子。 能带能带 电子电子 能级能级 电子在价带上的分布电子在价带上的分布 内层内层电子能级所对应的能带，都是被电子电子能级所对应的能带，都是被电子填满

10、填满的。最外层价电子的。最外层价电子能级所对应的能带，有的被电子填满，有的未被填满，主要取决于晶能级所对应的能带，有的被电子填满，有的未被填满，主要取决于晶体种类。硅、锗等半导体晶体的价电子能带全部被电子填满。体种类。硅、锗等半导体晶体的价电子能带全部被电子填满。 允许能态的占有几率允许能态的占有几率:费米能级费米能级 低温下（低温下（0K），晶体的某一能级以下的所有可能能态都被两个电子），晶体的某一能级以下的所有可能能态都被两个电子占据，该能级称为占据，该能级称为费米能级费米能级（EF）。）。 1fF(E)?E?EF1?exp()KT 接近于接近于0K时，能量低于时，能量低于EF，f(E)基

11、本上是基本上是1，能量高于，能量高于EF，f(E)为零。温度为为零。温度为T时，电子子占据费时，电子子占据费米能级几率为米能级几率为50%的能级的能级 EF E T0 T=0 0 0.5 1 fF( E )导体、绝缘体以及半导体：导体、绝缘体以及半导体： EF EF EF (a)在金属中在金属中 (b)在绝缘体中在绝缘体中 (c)在半导体中在半导体中 电子和空穴：电子和空穴： 底层完全被汽车占满，而顶层完全空着，因此没任何可供汽车移动的余地。底层完全被汽车占满，而顶层完全空着，因此没任何可供汽车移动的余地。 其中一辆车从第一层移动到第二层，那么第二层的汽车就能任意自由移动。其中一辆车从第一层移

12、动到第二层，那么第二层的汽车就能任意自由移动。 2.1.3 半导体的光吸收半导体的光吸收 电磁波谱的范围 31 吸 收 光 谱 待待测测样样品品 吸收系数? ：光在介质中传播时有衰减，说明介质对光有吸收。用透射法测定光在介质中传播的衰减情况时，发现介质中光的衰减率与光的强度成正比，引入比例系数?，即： dI?x积分得 I?I e? ?Idx0 其中x是介质的厚度，比例系数 ? 的大小和光的强度无关，称为光的吸收系数。对上式积分反映出吸收系数?的物理含义是：当光在介质中传播1/? 距离时，其能量减弱到原来的 1/e。 光在导电介质中传播时具有衰减现象，即产生光的吸收，半导体材料通常能强烈的吸收光

13、能，具有105cm-1的吸收系数。对于半导体材料，自由电子和束缚电子的吸收都很重要。 价带电子吸收足够的能量从价带跃迁入导带，是半导体研究中最重要的吸收过程。与原子吸收的分立谱线不同，半导体材料的能带是连续分布的，光吸收表现为连续的吸收带。 光吸收的种类： ? 本征吸收 ? 激子吸收 ? 晶格振动吸收 ? 杂质吸收 ? 自由载流子吸收 参与光吸收跃迁的电子可涉及以下几类： ? 价电子 ? 内壳层电子 ? 杂质或缺陷中的束缚电子 本征吸收 价带电子吸收能量大于或等于禁带宽度的光子使电子从价带跃迁入导带的过程被称为本征吸收 。 当半导体被光照射后，如果光子的能量等于禁带宽度(即h=Eg)，则半导体

14、会吸收光子而产生电子-空穴对，如(a)所示。若h大于Eg，则除了会产生电子-空穴对之外，多余的能量(h-Eg)将以热的形式耗散，如(b)所示。 以上(a) 与(b) 的过程皆称为本征跃迁，或称为能带至能带的跃迁。另一方面，若h小于Eg，则只有在禁带中存在由化学杂质或物理缺陷所造成的能态时，光子才会被吸收，如 (c)所示，这种过程称为非本征跃迁。 E C E t u h ( a ) ( b ) ( c ) E g E V （2）直接跃迁和直接带隙半导体 参照右图所示的一维E(k)曲线可见，为了满足选择定则，吸收光子只能使处在价带中状态A的电子跃迁到导带中k相同的状态B。A与B在E(k)曲线上位于

15、同一竖直线上，这种跃迁称为直接跃迁。在A到B的直接跃迁中所吸收的光子能量h与图中垂直距离相对应。就是说，和任何一个k值相对应的导带与价带之间的能量差相当的光子都有可能被吸收，而能量最小的光子对应于电子从价带顶到导带底的跃迁，其能量等于禁带宽度Eg。 本征吸收形成一个连续吸收带，并具有一长波吸收限0Egh。因而，从光吸收谱的测量可以求出禁带宽度Eg。在常用半导体中， III-族的GaAs、InSb及-族等材料，导带极小值和价带极大值对应于相同的波矢，常称为直接禁带半导体。这种半导体在本征吸收过程中发生电子的直接跃迁。 由理论计算可知，在直接跃迁中，如果对于任何k值的跃迁都是允许的，则吸收系数与光

16、子能量的关系为： 1/2h?E?(h?)?A(h?E )gg h?Eg?(h?)?0（3）间接跃迁与间接带隙半导体：诸如硅和锗的一些半导体材料，导带底和价带顶并不像直接带隙半导体那样具有相同的波矢k。这类半导体称为间接带隙半导体，对这类半导体，任何直接跃迁所吸收的光子能量都应该比其禁带宽度Eg大得多。因此，若只有直接跃迁，这类半导体应不存在与禁带宽度相当的光子吸收。这与实际情况不符。 这就意味着在本征吸收中除了有符合选择定则的直接跃迁外，还存在另外一种形式的跃迁，如右图中的OS跃迁。在这种跃迁过程中，电子不仅吸收光子，同时还和晶格振动交换一定的能量，即放出或吸收一个或多个声子。这时，准能量守恒

17、不再是电子和光子之间所能满足的关系，更主要的参与者应该是声子。这种跃迁被称为非直接跃迁，或称间接跃迁。 ? 总之，半导体材料的光吸收过程中，如果只考虑电子和光子的相互作用，则根据动量守恒要求，只可能发生直接跃迁；但如果还考虑电子与晶格的相互作用，则非直接跃迁也是可能的，这是由于依靠发射或吸收一个声子，使动量守恒原则仍然得到满足。 ? 由于间接跃迁的吸收过程一方面依赖于电子和光子的相互作用，另一方面还依赖于电子与晶格的相互作用，因此理论上这是一种二级过程。其发生概率要比直接跃迁小很多。因此，间接跃迁的光吸收系数比直接跃迁的光吸收系数小很多。3-1前者一般为1110 cm 数量级，而后者一般为11

18、041106cm-1。 常规半导体的吸收谱线 载流子的运动与传输载流子的运动与传输 载流子的运动形式有两种：漂移运动与扩散运动。载流子的运动形式有两种：漂移运动与扩散运动。 1.漂移运动漂移运动 载流子在外电场作用下的运动称为漂移运动，由此引起的电流称为载流子在外电场作用下的运动称为漂移运动，由此引起的电流称为漂移电流。漂移电流。 E? ?vP? ? ?ve? ? ?I2、扩散运动、扩散运动 半导体材料内部由于载流子的浓度差而引起载流子的移动称为载流子半导体材料内部由于载流子的浓度差而引起载流子的移动称为载流子的扩散运动。的扩散运动。 ? ?IP空穴将从浓度高的向浓度空穴将从浓度高的向浓度低的

19、方向扩散，形成扩散低的方向扩散，形成扩散P(x)电流电流I IP P，浓度差越大，扩散，浓度差越大，扩散电流越大。电流越大。 0 x 载流子的复合载流子的复合 1.直接复合直接复合 导带电子直接跳回价带与空穴复合叫直接复合。导带电子直接跳回价带与空穴复合叫直接复合。 导带导带 EF 价带价带 2. 间接复合间接复合 电子和空穴通过复合中心复合叫作间接复合。由于半导体中晶体的电子和空穴通过复合中心复合叫作间接复合。由于半导体中晶体的不完整性和存在有害杂质，在禁带中存在一些深能级，这些能级能俘不完整性和存在有害杂质，在禁带中存在一些深能级，这些能级能俘获自由电子和自由空穴，从而使它们复合，这种深能

20、级称为获自由电子和自由空穴，从而使它们复合，这种深能级称为 复合中心复合中心。 导带导带 通常，在自由载流子密度通常，在自由载流子密度复合复合中心中心 较低时，复合过程主要是较低时，复合过程主要是通过复合中心进行；在自通过复合中心进行；在自由载流子密度较高时，复由载流子密度较高时，复合过程则主要是直接复合。合过程则主要是直接复合。 EF 价带价带 3. 表面复合表面复合 复合过程可发生在半导体内，也可发生在半导体表面。电子和空穴复合过程可发生在半导体内，也可发生在半导体表面。电子和空穴发生于半导体内的复合叫体内复合；电子和空穴发生于靠近半导体表发生于半导体内的复合叫体内复合；电子和空穴发生于靠

21、近半导体表面的一个非常薄的区域内的复合叫作表面复合。面的一个非常薄的区域内的复合叫作表面复合。 导带导带 表面表面陷阱陷阱 EF 价带价带 半导体的掺杂半导体的掺杂 硅的晶体结构：硅的晶体结构： 在硅晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都在硅晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成原子与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。 硅晶体中的正常键硅晶体中的正常键 共价键共价键 SiSiSiSiSiSiSiSiSi+

22、4 +4 电子被激发，晶体中出现空穴电子被激发，晶体中出现空穴 +4 +4 SiSi?eSiSiSi? eSiSiSiSi族和族和族掺杂剂族掺杂剂 ?五价原子砷掺入四价硅中，多余的价电子环五价原子砷掺入四价硅中，多余的价电子环As绕绕 离子运动离子运动 e?导带导带 SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiA?sSiSiSiSiSiSiSiSi施主能级施主能级 价带价带 SiSiSi 三价原子硼掺入四价锗晶三价原子硼掺入四价锗晶 体中，空穴环绕体中，空穴环绕 ?B离子运动离子运动 空穴空穴 导带导带 GeGeGeGeGeGeGeGe受主能级受主能级 价带价带 BGe?Ge2.2 半

23、导体p-n结 2.2.1 PN静电学静电学 导电能力最终决定于：导电能力最终决定于： 1. 载流子的多少载流子的多少； 一一. 本征半导体本征半导体 2. 载流子的性质；载流子的性质； 3. 载流子的运动速度。载流子的运动速度。 指指“纯净纯净”的半导体单晶体。在常温下，它有微弱的导电能力，其中载的半导体单晶体。在常温下，它有微弱的导电能力，其中载流子是由本征热激发产生的。流子是由本征热激发产生的。 激发使激发使“电子电子空穴对空穴对”增加，复合使增加，复合使“电子电子空穴对空穴对”减少，一定温减少，一定温度下，这两种过程最终将达到动态平衡，在动态平衡状态下，单位时间内激发度下，这两种过程最终

24、将达到动态平衡，在动态平衡状态下，单位时间内激发产生的载流子数目等于因复合消失的载流子数目，因而自由电子（或空穴）的产生的载流子数目等于因复合消失的载流子数目，因而自由电子（或空穴）的浓度不再发生变化，该浓度统称为浓度不再发生变化，该浓度统称为“本征载流子浓度本征载流子浓度” ni。 ni=n0=p0 式中，式中，n0表示热平衡状态下的电子浓度，表示热平衡状态下的电子浓度，p0表示热平衡状态下的空穴浓度，在表示热平衡状态下的空穴浓度，在T=300K时，时， Si的的ni = 1.51010/cm3, Ge的的ni = 2.41013/cm3 温度愈高，本征激发产生的载流子数目愈多，温度愈高，本

25、征激发产生的载流子数目愈多，ni愈大，导电性能也就愈好。愈大，导电性能也就愈好。 注意：注意： ni的绝对数值似乎很大，但与原子密度相比，本征载的绝对数值似乎很大，但与原子密度相比，本征载 流子浓度仍然极小流子浓度仍然极小，所以本征半导体的导电能力是很差的。，所以本征半导体的导电能力是很差的。 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中，掺入即使是极微量的其他元素（统称为杂质），其导电在本征半导体中，掺入即使是极微量的其他元素（统称为杂质），其导电性能将大大增强。例如掺入性能将大大增强。例如掺入0.0001%杂质，半导体导电能力将提高杂质，半导体导电能力将提高106倍！倍！ +4+4“多余多余”价电

26、子价电子+4+4+4+4+5+5+4+4+4+4+3+3+4+4杂质离子杂质离子+4+4+4+4p-n结的形成 2.3 太阳电池基础 ? 吸收光，产生电子空穴对 只有高于带隙能量的光能够被吸收 产生的载流子须具有足够长的寿命 ? 在PN结的作用下，电子空穴分别被两个电极收集 /pvcdrom/light-generated-current 太阳电池的能带 太阳电池的结构太阳电池的结构 太阳光太阳光 栅线栅线 减反膜减反膜 n n型掺杂层型掺杂层 p p型衬底型衬底 背电极背电极 太阳电池的组件 ? 前面板（通常为玻璃） 对光的高透过 低反射（镀

27、膜、绒面结构） 良好的防水（汽） 性能稳定（抗紫外辐射） 足够的机械强度，支撑作用 ? 封装材料（常用EVA材料） 使得电池片与前面板和后面板紧密贴合 耐高温和耐紫外辐射 太阳电池的组件 ? 后封装材料（有机材料或玻璃） 防止水汽进入 良好的导热性能 ? 接线盒 ? 框架（通常为铝合金） ? 电池（片） 电气上串并联连接 尽量密布 太阳能电池的输出参数太阳能电池的输出参数 1. 短路电流短路电流ISC，理想情况下为光生电流，理想情况下为光生电流IL 2. 开路电压开路电压VOC VOCILkT?ln(?1)qI0二极管饱和电流二极管饱和电流 I 暗特性暗特性 O IL Imp VOC Vmp 输出功率输出功率 V 3. 填充因子填充因子FF FF?VmpImpVOCIscIsc 是输出特性曲线是输出特性曲线“方形方形”程度的量度，一般在程度的量度，一般在0.70.85范围内。范围内。 能量转换效率为：能量转换效率为： ?VmpImpPinVocIscFF?Pin商用