第二讲太阳能电池之工作原理

1、 太阳能电池工作原理及效率太阳能电池基本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效应，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，载流子数量会剧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，这就是半导体的光敏特增，导电能力随之增强，这就是半导体的光敏特性。性。基本原理基本原理Y当太阳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

2、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Y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Y若分别在若分别在P型层和型层和N型层焊上

3、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Y制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因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。此太阳电池的种类也很多。Y目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例，要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例

4、，详细介绍太阳能电池的工作原理详细介绍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。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子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。由电子，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），它们的最外层电子高价元素（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，所以导电性极差，成为绝

5、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。缘体。常用的半导体材料硅（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）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缚的那么紧，因而其导电性介于二者之间。核束缚的那么紧，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：将纯净的半导体经将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单过一定的工艺过程制成单晶体，晶体， 即为即为本征半导体。本征半导体。 晶体中的原子在空间形成晶体中的原子在

6、空间形成排列整齐的点阵，相邻的排列整齐的点阵，相邻的原子原子 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，在常温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）获得下，仅有极少数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足够的能量，从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子自由电子。 与此同时，在共价键中留下一个与此同时，在共价键中留下一个空穴空穴。 原子因失掉一个价电子而带正电，或者说原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正空穴带正电电。在本征半导体中，自由电子与空穴是成对

7、出现的，。在本征半导体中，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。即自由电子与空穴数目相等。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。 动态平衡：动态平衡： 在一定的温度下，本征激发所产生的自由在一定的温度下，本征激发

8、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，电子与空穴对，与复合的自由电子和空穴对数目相等，故达到故达到动态平衡。动态平衡。1、本征半导体、本征半导体能带理论：能带理论：Y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；Y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；Y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：Y价电子所占据的能带称为价带；价电子所

9、占据的能带称为价带；Y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；Y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；Y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。(ev电子伏特）电子伏特）T=300K时，硅的Eg=1.1eV；锗的Eg=0.72eV。 晶体中大量电子能级分布组成密集的能级带，称为能带。晶体中大量电子能级分布组成密集的能

10、级带，称为能带。其中其中“价带价带”能级最低，能级最低，“导带导带”能级最高。处于导电状态的能级最高。处于导电状态的能级区域称为导带。导带与价带之间区域称为禁带。能级区域称为导带。导带与价带之间区域称为禁带。 能带理论：能带理论：P4光生伏特效应（光伏效应）Y指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。间产生电位差的现象。Y工作原理：当太阳光照射到半导体表面时，半导体内部工作原理：当太阳光照射到半导体表面时，半导体内部N区和区和P区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，通过光辐区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，通过光辐射

11、获取到超过禁带射获取到超过禁带Eg的能量，脱离共价键的束缚从价带激的能量，脱离共价键的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子状态的电子-空穴对。空穴对。Y这些被光激发的电子空穴，或自由碰撞，这些被光激发的电子空穴，或自由碰撞， 或在半导体中复合恢复到平衡状态。或在半导体中复合恢复到平衡状态。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

12、元素不用，可形成N型半导体型半导体和和P型半型半导体导体； 控制掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半导体的导控制掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半导体的导电性能电性能。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，所以除了与其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。多出的周围硅原子形

13、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。电子不受共价键的束缚，成为自由电子。 N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。 由于杂质原子可以提供电子，故称之为由于杂质原子可以提供电子，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： 在纯净的硅晶体中掺在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了子的位置，就形成了P型半导体。型半导体。 空位

14、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 由于杂质原子的最外层有三个价电子，所以当它们与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，就产生了一个其周围硅原子形成共价键时，就产生了一个“空位空位”当硅原子的最外层电子填补此空位时，其共价键中便产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。因而生一个空穴。因而P型半导体中，型半导体中，空穴为多子，自由空穴为多子，自由电子为少子。电子为少子。 因杂质原子中的空位吸收电子，故称之为因杂质原子中的空位吸收电子，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

15、掺杂工艺，将P型半型半导体与导体与N型半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地方运动，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散运动。这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。 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，在它们的交界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，因而面，两种载流子的浓度差很大，因

16、而P区的空穴必然向区的空穴必然向N区扩散，与此同时，区扩散，与此同时，N区的自由电子也必然向区的自由电子也必然向P区扩散，区扩散，如图示。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区出现正离子区出现正离子区，它们是不能移动的，称为区，它们是不能移动的，称为空间电荷区空间电荷区，从而形成，从而形成内建电场内建电场。 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

17、荷区加宽，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，正好阻止扩散运动区，正好阻止扩散运动的进行。的进行。3、PN结结 漂移运动：漂移运动：在电场力作用下，载流子的在电场力作用下，载流子的 运动称为漂移运动。运动称为漂移运动。 当空间电荷区形成后，在内建电场作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，空穴从用下，少子产生飘移运动，空穴从N区区向向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区运区运动。动。 在无外电场和其它激发作用下，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参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态

18、平衡，运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成形成PN结，结，如图示。如图示。 此时，空间电荷此时，空间电荷区具有一定的宽度，电位差为区具有一定的宽度，电位差为 =Uho，电流为零。电流为零。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，能量大于硅禁带宽能量大于硅禁带宽度的光子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、耗尽区和区、耗尽区和P区中激发出光区中激发出

19、光生电子生电子-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，立即被内建电场空穴对在耗尽区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被送进分离，光生电子被送进N区，光生空穴则被推进区，光生空穴则被推进P区。根据耗尽近似区。根据耗尽近似条件，耗尽区边界处的载流子浓度近似为条件，耗尽区边界处的载流子浓度近似为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，一旦到达结边界扩散，一旦到达P-N结边界，

20、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。从而形成与内建电场形成与内建电场方向相反的光生电场

21、。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Y 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。Y如果将如果将P-N结两端开路，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，

22、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。Y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：Y 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。Y界面层吸收的光能愈多，界面层即电池面积愈大，在太阳界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

23、成的电流也愈大。 Y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；Y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质、太阳能电池材料的光学性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

24、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： 太阳能电池的效率太阳能电池的效率:Y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

25、。些，这一点在阅读国内外文献时应注意。Y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）。Y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

26、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

27、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

28、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

29、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统称为高掺高掺杂效应，也应予以避免。杂效应，也应予以避免。 影响效率的因素影响效率的因素u光生载流子复合寿命光生载流子复合