第六章 太阳能电池

1、太阳能电池的定义太阳能电池的定义太阳能电池，太阳能电池，又称光伏器件又称光伏器件，是一种利用是一种利用光生伏特效光生伏特效应把光能转变为电能应把光能转变为电能的器件。它是太阳能光伏发电的的器件。它是太阳能光伏发电的基础和核心，基础和核心，是一种具有光伏效应的半导体器件。是一种具有光伏效应的半导体器件。 第一代基于硅片技术的太阳电池第一代基于硅片技术的太阳电池基于半导体薄膜技术的第二代半导体太阳电池基于半导体薄膜技术的第二代半导体太阳电池 “多层膜一叠层半导体材料一量子阱材料一量子点材多层膜一叠层半导体材料一量子阱材料一量子点材料料”为主要路线的第三代太阳能电池为主要路线的第三代太阳能电池按结构

2、按结构分类分类同质结同质结太阳电池太阳电池异质结异质结太阳电池太阳电池肖特基肖特基太阳电池太阳电池太阳能电池的分类太阳能电池的分类传统传统太阳电池太阳电池激子激子太阳电池太阳电池按光电转按光电转换机理换机理硅太阳硅太阳电池电池敏化纳米晶敏化纳米晶太阳电池太阳电池有机化合物有机化合物太阳电池太阳电池塑料塑料太阳电池太阳电池无机化合物无机化合物半导体半导体太阳电池太阳电池按材料按材料分类分类单晶硅电池；单晶硅电池；多晶硅电池；多晶硅电池；非晶硅电池；非晶硅电池；碲化镉电池；碲化镉电池；铜铟硒电池等。铜铟硒电池等。太阳能电池的结构太阳能电池的结构原理原理光生伏特效应光生伏特效应 实质实质光能转换成电

3、能光能转换成电能太阳电池工作原理与性能太阳电池工作原理与性能PN结结内电场方向：内电场方向：N P太阳能电池基本原理太阳能电池基本原理 a b c半导体的能带和电子分布图半导体的能带和电子分布图a 本征半导体本征半导体 b n型半导体型半导体 c p型半导体型半导体h Eg太阳电池工作原理与性能太阳电池工作原理与性能5、光在内部深处被吸收，但由于能量、光在内部深处被吸收，但由于能量小不产生电子空穴对，或不被吸收而透小不产生电子空穴对，或不被吸收而透射出去，这部分是长波长的光，不产生射出去，这部分是长波长的光，不产生光生电动势。光生电动势。1、光在表面被反射；、光在表面被反射；2、光在表面被吸收

4、生产电子、光在表面被吸收生产电子-空穴对，空穴对，但未到达但未到达PN结就被复合掉，这部分光结就被复合掉，这部分光大部分是吸收系数大的短波长的光；大部分是吸收系数大的短波长的光；3、光在、光在pn结附件或在结附件或在pn结上被吸收而结上被吸收而产生电子空穴对，并扩散到产生电子空穴对，并扩散到pn结产生光结产生光电动势；电动势；4、光在材料内部深处被吸收而产生电、光在材料内部深处被吸收而产生电子空穴对，但到子空穴对，但到pn结之间就被复合；结之间就被复合；由于由于pn结势垒区内存在较强的内建势场（从结势垒区内存在较强的内建势场（从n区指向区指向p），结），结两边的光生载流子两边的光生载流子受该电

5、场作用，各自向相反的方向运动受该电场作用，各自向相反的方向运动；p区的电子穿过区的电子穿过p-n结进入结进入n区，区，n区的的空穴进入区的的空穴进入p区，使区，使p端的电势升高，端的电势升高，n端的端的电势降低，于是在电势降低，于是在pn结两端形成了结两端形成了光生电动势光生电动势，这就是，这就是pn结的光生伏特效应。结的光生伏特效应。产生光伏效应的三个条件产生光伏效应的三个条件1、由光照而产生的电子、由光照而产生的电子-空穴对的浓度应超过他们空穴对的浓度应超过他们在热平衡时的浓度；在热平衡时的浓度；2、过剩的异号电荷必须受到内建电场的作用，这种、过剩的异号电荷必须受到内建电场的作用，这种内建

6、电场由内建电场由pn结产生；结产生；3、所产生的电子、所产生的电子-空穴必须可漂移，并有一定长的空穴必须可漂移，并有一定长的寿命。寿命。太阳能电池重要参数太阳能电池重要参数1、短路电流密度、短路电流密度Jsc2、开路电压、开路电压Voc3、填充因子、填充因子FF4、光电转换效率、光电转换效率EFF太阳能电池的等效电路太阳能电池的等效电路1、短路电流密度、短路电流密度Jsc：与光照面积及器件结构有关与光照面积及器件结构有关2、开路电压、开路电压Voc：由由pn结扩散电位及材料的掺杂浓度、吸收层禁带宽结扩散电位及材料的掺杂浓度、吸收层禁带宽度以及度以及p层和层和n层材料的电子亲和势等决定。层材料的

7、电子亲和势等决定。3、填充因子、填充因子FF：描述太阳能电池性能的重要参量；描述太阳能电池性能的重要参量；影响因素：影响因素：结特性，前后表面接触特性，构成器件的材料的点穴特性。结特性，前后表面接触特性，构成器件的材料的点穴特性。太阳能电池的能量损失机理太阳能电池的能量损失机理为热损失；为热损失；和为和为P-N结和接触电压损失；结和接触电压损失；为电子一空穴结合所造成的损失。为电子一空穴结合所造成的损失。太阳能电池的生产工艺过程太阳能电池的生产工艺过程硅片的生产工艺过程硅片的生产工艺过程Wafer单晶硅生长单晶硅生长A pure silicon seed crystalpulled out s

8、lowly as it is rotatedSi ingotCzochralski process Examples of completed ingotsDiameter can be 150mm (6”), 200mm (8”), 300mm (12”), or 400mm (16”)单晶单晶Si WaferWafer太阳能电池的制造过程太阳能电池的制造过程硅片腐蚀硅片腐蚀等离子边缘腐蚀等离子边缘腐蚀减反射膜制备减反射膜制备表面金属化表面金属化扩散制结扩散制结去磷硅玻璃去磷硅玻璃太阳能电池及模块和阵列太阳能电池及模块和阵列单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池一般采用一般采用n+/p同质结的结构同质结的结构，即在，即在p型硅片上用扩散法制作出一型硅片上用扩散法制作出一层很薄的经过种掺杂的层很薄的经过种掺杂的n性层，然后再性层，然后再n性层上制作金属栅线，性层上制作金属栅线，作为正面的接触电极。作为正面的接触电极。为减少光的反射损失，一般在整个表面制作绒面，或覆盖减反射膜。为减少光的反射损失，一般在整个表面制作绒面，或覆盖减反射膜。GaAs太阳能电池