第三章晶体硅太阳能电池的基本原理ppt课件

1、 confidential第三章第三章 晶体硅太阳能电池的基本原理晶体硅太阳能电池的基本原理3.1 太阳电池的分类太阳电池的分类按基体材料分按基体材料分1. 硅太阳电池硅太阳电池单晶硅太阳电池单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池非晶硅太阳电池非晶硅太阳电池微晶硅太阳电池微晶硅太阳电池2. 化合物太阳电池化合物太阳电池砷化镓太阳能电池砷化镓太阳能电池碲化镉太阳能电池碲化镉太阳能电池铜铟镓硒太阳能电池铜铟镓硒太阳能电池 confidential3.2 太阳电池的分类工作原理太阳电池的分类工作原理太阳电池基本构造：半导体的太阳电池基本构造：半导体的PN结结导体：铜导体：铜106/(cm)） 绝

2、缘体绝缘体: 石英石英SiO2(10-16/(cm)）半导体半导体: 10-4104/(cm)半导体半导体元素：硅元素：硅SiO2）、锗）、锗Ge）、硒）、硒Se等等化合物：硫化镉化合物：硫化镉CdS）、砷化镓）、砷化镓GaAs等等合金：合金：GaxAl1-xAs(x为为0-1之间的任意数之间的任意数)有机半导体有机半导体3.2.1 半导体半导体 confidential+4+4+4+4+4+4+4+4+4硅是四价元素，每个原子的硅是四价元素，每个原子的最外层上有最外层上有4个电子。个电子。这这4个电子又被称为价电子个电子又被称为价电子硅晶体中，每个原子有硅晶体中，每个原子有4个个相邻原子，并

3、和每一个相邻相邻原子，并和每一个相邻原子共有原子共有2个价电子，形成个价电子，形成稳定的稳定的8原子壳层。原子壳层。 confidential当温度升高或受到光的当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量照射时，束缚电子能量升高，有的电子可以挣升高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参脱原子核的束缚，而参与导电，称为自由电子。与导电，称为自由电子。自由电子产生的同时，自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就在其原来的共价键中就出现一个空位，称为空出现一个空位，称为空穴。穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自在自在电子电子空穴空穴 confidential3.2.2 能带结构能带结构量子力学证明

4、，由于晶体中各原子间的相互影响，原来各原子中量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互影响，原来各原子中能量相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新能级。这些新能量相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新能级。这些新能级基本上连成一片，形成能带能级基本上连成一片，形成能带 当当N N个原子靠近形成晶体时，由于各原子间的相互作用，对应于个原子靠近形成晶体时，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的一个能级，就分裂成原来孤立原子的一个能级，就分裂成N N条靠得很近的能级。使原条靠得很近的能级。使原来处于相同能级上的电子，不再有相同的能量，而处于来处于相同能级上的电子，不再有相同的能量，而处于N N

5、个很接个很接近的新能级上。近的新能级上。由于晶体中原子的周期性排列，价电子不再为单个原子所有的现由于晶体中原子的周期性排列，价电子不再为单个原子所有的现象。共有化的电子可以在不同原子中的相似轨道上转移，可以在象。共有化的电子可以在不同原子中的相似轨道上转移，可以在整个固体中运动。整个固体中运动。 confidentialn = 3n = 2 原子能级原子能级 能带能带N N条能级条能级EE禁带禁带 confidential满带：排满电子的能带满带：排满电子的能带空带：未排电子的能带空带：未排电子的能带未满带：排了电子但未排满的能带未满带：排了电子但未排满的能带禁带：不能排电子的区域禁带：不能排

6、电子的区域11满带不导电满带不导电22未满能带才有导电性未满能带才有导电性导带：最高的满带导带：最高的满带价带：最低的空带价带：最低的空带电子可以从价带激发到导带，价带中产生空穴，导带中出现电子，电子可以从价带激发到导带，价带中产生空穴，导带中出现电子，空穴和电子都参与导电成为载流子空穴和电子都参与导电成为载流子 confidential导体，在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体导体，在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流。定向流动形成电流。绝缘体：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量绝缘体：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量

7、，所以形不成电流。从能级图上来看，是因为满带与空带之间有，所以形不成电流。从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带一个较宽的禁带Eg Eg 约约3 36 eV6 eV），共有化电子很难从低能级），共有化电子很难从低能级满带跃迁到高能级空带上去。满带跃迁到高能级空带上去。半导体：的能带结构半导体：的能带结构, ,满带与空带之间也是禁带，满带与空带之间也是禁带， 但是禁带很窄但是禁带很窄Eg Eg 约约3 eV3 eV以下以下 ) )。 confidential 导体导体 半导体半导体 绝缘体绝缘体Eg Eg 价带价带导带导带最高的满带最高的满带最低的空带最低的空带导带导带价带价带满带

8、满带部分部分填充填充能带能带 confidential在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成的半导体的半导体2 2 掺杂半导体掺杂半导体3.2.3 3.2.3 杂质半导体杂质半导体1 1 本征半导体本征半导体无杂质，无缺陷的半导体无杂质，无缺陷的半导体本证载流子：电子、空穴均参与导电本证载流子：电子、空穴均参与导电本征半导体中正负载流子数目相等，数目很少本征半导体中正负载流子数目相等，数目很少 confidential根据掺杂的不同，杂质半导体分为根据掺杂的不同，杂质半导体分为N N型半导体型半导体P P型半导体型半导体N N型半导

9、体：掺入五价杂质元素如磷、砷的杂质半导体型半导体：掺入五价杂质元素如磷、砷的杂质半导体P P型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。 confidential空空 带带满满 带带施主能级施主能级DEDDEg空空 带带DEa满满 带带受主能级受主能级DEg confidential掺入少量五价杂质元素磷掺入少量五价杂质元素磷+4+4+4+4+4+4+4+4P P多出一多出一个电子个电子出现了一个出现了一个正离子正离子电子是多数载流子，简电子是多数载流子，简称多子称多子; ;空穴是少数载流子，简空穴是少数载流子，简称少子。称少子。施主杂质

10、施主杂质半导体整体呈电中性半导体整体呈电中性 confidential掺入少量三价杂质元素硼掺入少量三价杂质元素硼+4+4+4+4+4+4+4+4B空穴空穴负离子负离子空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，简称多子简称多子; ;电子是少数载流子，电子是少数载流子，简称少子。简称少子。受主杂质受主杂质半导体整体呈电中性半导体整体呈电中性 confidential3.2.5 PN3.2.5 PN结结半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动. .在半导体中，如果载流子

11、浓度分布不均匀，因为浓度差，在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。运动称为扩散运动。将一块半导体的一侧掺杂成将一块半导体的一侧掺杂成P P型半导体，另一侧掺杂成型半导体，另一侧掺杂成N N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层薄层PN结结 confidential 多子扩散运动形成空间电荷区多子扩散运动形成空间电荷区由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向扩散的结果

12、，扩散的结果，交界面交界面P P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N N区一区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子，这样在交界面处出现侧因失去电子而留下不能移动的正离子，这样在交界面处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区，并产生由由数量相等的正负离子组成的空间电荷区，并产生由N N区指向区指向P P区的内电场区的内电场EINEIN。PNPN结结 confidential1717 内电场内电场EINEIN阻止多子扩散，促使少子漂移阻止多子扩散，促使少子漂移多子扩散多子扩散空间电荷区加宽内空间电荷区加宽内电场电场EINEIN增强增强 少子漂移少子漂

13、移促使促使阻止阻止EINEINEINEIN空间电荷区变窄空间电荷区变窄内电场内电场EINEIN削弱削弱 扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PNPN结结 confidential3.2.6 3.2.6 光生伏特效应光生伏特效应当光照射当光照射p-np-n结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区激结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区激发电子发电子- -空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆着电场运动，最后在场运动，电子逆着电场运动，最后在n n区边界积累光生

14、电子，在区边界积累光生电子，在p p区边区边界积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场，即在界积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场，即在p p区区和和n n区之间产生了光生电压区之间产生了光生电压UOCUOC，这就是，这就是p-np-n结的光生伏特效应。只要光结的光生伏特效应。只要光照不停止，这个光生电压将永远存在。照不停止，这个光生电压将永远存在。 confidential3.2.7 3.2.7 太阳电池的基本工作原理太阳电池的基本工作原理光电转换的物理过程：光电转换的物理过程：（1 1光子被吸收，使光子被吸收，使PNPN结的结的P P侧和侧和N N侧两边产生电子侧两

15、边产生电子- -空穴对空穴对（2 2在离开在离开PNPN结一个扩散长度以内产生的电子和空穴通过扩散到达空结一个扩散长度以内产生的电子和空穴通过扩散到达空 间电荷区间电荷区（3 3电子电子- -空穴对被电场分离，空穴对被电场分离，P P侧的电子从高电位滑落至侧的电子从高电位滑落至N N侧，空穴侧，空穴沿着相反的方向移动沿着相反的方向移动（4 4若若PNPN结开路，则在结两边积累的电子和空穴产生开路电压结开路，则在结两边积累的电子和空穴产生开路电压 confidential3.2.8 3.2.8 晶硅太阳电池的结构晶硅太阳电池的结构 confidential confidential由于半导体不是

16、电的良导体，电子在通过由于半导体不是电的良导体，电子在通过p pn n结后如果在半导体中结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p pn n结如图栅状电极），以增加入射光的面积。结如图栅状电极），以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射为此

17、，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射损失减小到损失减小到5 5甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池通常是限，于是人们又将很多电池通常是3636个并联或串联起来使用，个并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。形成太阳能光电板。 confidential3.3 3.3 太阳能电池的电学性能太阳能电池的电学性能3.3.1 3.3.1 标准测试条件标准测试条件光源辐照度：光源辐照度：1000W/m21000W/m2测试温度：测试温度：250C250CAM1.5AM1.5太阳光谱辐照度分布太阳光谱辐照度分布 co

18、nfidential3.3.2 3.3.2 太阳电池等效电路太阳电池等效电路 RseRse表示来自电极接触、基体材料等欧姆损耗的串联电阻表示来自电极接触、基体材料等欧姆损耗的串联电阻RshRsh表示来自泄漏电流的旁路电阻表示来自泄漏电流的旁路电阻RLRL表示负载电阻表示负载电阻IDID表示二极管电流表示二极管电流ILIL表示光生电流表示光生电流晶体硅太阳电池的等效电路晶体硅太阳电池的等效电路 confidentialseLDshV + IRI = I + I +R根据等效电路根据等效电路将将p-np-n结二极管电流方程结二极管电流方程qVnkTD0I= Ie-1代入上式的输出电流代入上式的输出

19、电流seq(V+IR)senkTL0shV + IRI = I - Ie-1 -R式中式中q q为电子电量，为电子电量， k k为波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，T T为绝对温度，为绝对温度，n n为二极管质量因子。为二极管质量因子。理想情况下，理想情况下， Rsh ,Rse0 Rsh ,Rse0seq(V+IR)nkTL0I = I - Ie-1 confidential3.3.3 3.3.3 太阳电池的主要技术参数太阳电池的主要技术参数伏安特性曲线伏安特性曲线I-VI-V曲线）曲线）当负载当负载RLRL从从0 0 变化到无穷大时，输出电压变化到无穷大时，输出电压V V 则从则从0 0 变到变

20、到VOCVOC，同时输出电流便从同时输出电流便从ISCISC变到变到0 0，由此得到电池的输出特性曲线，由此得到电池的输出特性曲线太阳能电池的伏安曲线太阳能电池的伏安曲线电池产生电池产生的电能的电能MvmIm0 confidential最大功率点最大功率点mmmaxP = IU= PM M点为改太阳电池的最佳工作点点为改太阳电池的最佳工作点太阳能电池的伏安曲线太阳能电池的伏安曲线电池产生电池产生的电能的电能MvmIm0 confidential短路电流是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流或者短路电流是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流或者说电池被短路时的电流）。通常记作说电池被短路时的

21、电流）。通常记作ISC。短路电流源于光生载流子的产生和收集。对于电阻阻抗最小的短路电流源于光生载流子的产生和收集。对于电阻阻抗最小的理想太阳能电池来说，短路电流就等于光生电流。因此短路电理想太阳能电池来说，短路电流就等于光生电流。因此短路电流是电池能输出的最大电流。流是电池能输出的最大电流。在在AM1.5AM1.5大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电流为流为46mA/cm246mA/cm2。实验室测得的数据已经达到。实验室测得的数据已经达到42mA/cm242mA/cm2，而商，而商业用太阳能电池的短路电流在业用太阳能电池的短路电流在2828

22、到到35mA/cm235mA/cm2之间。之间。 confidential开路电压开路电压VOC是太阳能电池能输出的最大电压，此时输出电流是太阳能电池能输出的最大电压，此时输出电流为零。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的正向偏为零。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的正向偏压。开路电压如下图伏安曲线所示。压。开路电压如下图伏安曲线所示。开路电压是太阳能电池的开路电压是太阳能电池的最大电压，即净电流为零最大电压，即净电流为零时的电压。时的电压。 confidential上述方程显示了上述方程显示了VOC取决于太阳能电池的饱和电流和光生电流。取决于太阳能电池的饱和电流和光生电流。由于

23、短路电流的变化很小，而饱和电流的大小可以改变几个数由于短路电流的变化很小，而饱和电流的大小可以改变几个数量级，所以主要影响是饱和电流。饱和电流量级，所以主要影响是饱和电流。饱和电流I0主要取决于电池主要取决于电池的复合效应。即可以通过测量开路电压来算出电池的复合效应。的复合效应。即可以通过测量开路电压来算出电池的复合效应。实验室测得的硅太阳能电池在实验室测得的硅太阳能电池在AM1.5光谱下的最大开路电压能光谱下的最大开路电压能达到达到720mV，而商业用太阳能电池通常为，而商业用太阳能电池通常为600mV。01LOCInkTVlnqI 通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路电压方程：

24、通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路电压方程： confidential填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路VOC和和ISC的乘积的乘积的比值。的比值。短路电流和开路电压分别是太阳能电池能输出的最大电流和最大短路电流和开路电压分别是太阳能电池能输出的最大电流和最大电压。然而，当电池输出状态在这两点时，电池的输出功率都为电压。然而，当电池输出状态在这两点时，电池的输出功率都为零。零。“填充因子填充因子”，通常使用它的简写，通常使用它的简写“FF”，是由开路电压，是由开路电压VOC和短路电流和短路电流ISC共同决定的参数，它决定了太阳能电池的

25、输共同决定的参数，它决定了太阳能电池的输出效率。从图形上看，出效率。从图形上看，FF就是能够占据就是能够占据IV曲线区域最大的面积。曲线区域最大的面积。如下图所示。如下图所示。 confidential confidential太阳能电池的转换：太阳电池接受的最大功率与入射到该电池太阳能电池的转换：太阳电池接受的最大功率与入射到该电池上的全部辐射功率的百分比。上的全部辐射功率的百分比。mmtin= I U/ A PUmUm、ImIm分别为最大功率点的电压分别为最大功率点的电压AtAt为包括栅线面积在内的太阳电池总面积为包括栅线面积在内的太阳电池总面积PinPin为单位面积入射光的功率。为单位面

26、积入射光的功率。 confidential在太阳能电池中，受温度影响最大的参数是开路电压。温度的改在太阳能电池中，受温度影响最大的参数是开路电压。温度的改变对伏安曲线的影响如下图所示。变对伏安曲线的影响如下图所示。短路电流短路电流ISC提高幅度很提高幅度很小小温 度 较 高 的温 度 较 高 的电池电池开路电压开路电压Voc下降幅度大下降幅度大 confidential太阳辐照度对太阳能电池的伏安特性的影响太阳辐照度对太阳能电池的伏安特性的影响短路电流短路电流ISCISC随着随着聚光呈线性上升聚光呈线性上升开路电压随光强呈对数上升开路电压随光强呈对数上升 confidential3.3.4 3

27、.3.4 影响太阳电池转换效率的因素影响太阳电池转换效率的因素 1. 1. 禁带宽度禁带宽度VOCVOC随随EgEg的增大而增大，但另一方面，的增大而增大，但另一方面，ISCISC随随EgEg的增大而减小。结的增大而减小。结果是可期望在某一个确定的果是可期望在某一个确定的EgEg随处出现太阳电池效率的峰值。随处出现太阳电池效率的峰值。 随温度的增加，效率随温度的增加，效率下降。下降。ISCISC对温度对温度T T不很敏感，温度主要对不很敏感，温度主要对VOCVOC起作用。起作用。 对于对于SiSi，温度每增加，温度每增加10C10C，VOCVOC下降室温值的下降室温值的0.4%0.4%，也因而

28、降低约，也因而降低约同样的百分数。例如，一个硅电池在同样的百分数。例如，一个硅电池在200C200C时的效率为时的效率为20%20%，当温度，当温度升到升到1200C1200C时，效率仅为时，效率仅为1212。又如。又如GaAsGaAs电池，温度每升高电池，温度每升高10C10C，VOCVOC降低降低1.7mv 1.7mv 或降低或降低0.2%0.2%。 2. 2. 温度温度 confidential希望载流子的复合寿命越长越好，这主要是因为这样做希望载流子的复合寿命越长越好，这主要是因为这样做ISCISC大。大。少子长寿命也会减小暗电流并增大少子长寿命也会减小暗电流并增大VOCVOC。在间接

29、带隙半导体材。在间接带隙半导体材料如料如SiSi中，离结中，离结100m100m处也产生相当多的载流子，所以希望它处也产生相当多的载流子，所以希望它们的寿命能大于们的寿命能大于1s1s。在直接带隙材料，如。在直接带隙材料，如GaAsGaAs或或Gu2SGu2S中，只中，只要要10ns10ns的复合寿命就已足够长了。的复合寿命就已足够长了。达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中，要避达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中，要避免形成复合中心。在加工过程中，适当而且经常进行工艺处免形成复合中心。在加工过程中，适当而且经常进行工艺处理，可以使复合中心移走，因而延长寿命。理，可以使复合

30、中心移走，因而延长寿命。 将太阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大将太阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。设想光强被浓缩了量的电能。设想光强被浓缩了X X倍，单位电池面积的输入功率和倍，单位电池面积的输入功率和JSCJSC都将增加都将增加X X倍，同时倍，同时VOCVOC也随着增加也随着增加(kT/q)lnX(kT/q)lnX倍。因而输出倍。因而输出功率的增加将大大超过功率的增加将大大超过X X倍，而且聚光的结果也使转换效率提高倍，而且聚光的结果也使转换效率提高了。了。 3. 3. 复合寿命复合寿命4. 4. 光强光强 confidential5. 5.

31、掺杂浓度及剖面分布掺杂浓度及剖面分布 对对VOCVOC有明显的影响的另一因素是掺杂浓度。虽然有明显的影响的另一因素是掺杂浓度。虽然NdNd和和NaNa出现在出现在VocVoc定义的对数项中，它们的数量级也是很容易改变的。掺杂浓度愈高，定义的对数项中，它们的数量级也是很容易改变的。掺杂浓度愈高，VocVoc愈高。一种称为重掺杂效应的现象近年来已引起较多的关注，在愈高。一种称为重掺杂效应的现象近年来已引起较多的关注，在高掺杂浓度下，由于能带结构变形及电子统计规律的变化，所有方高掺杂浓度下，由于能带结构变形及电子统计规律的变化，所有方程中的程中的NdNd和和NaNa都应以都应以NdNdeffeff和

32、和NaNaeffeff代替。如图代替。如图2.182.18。既然。既然NdNdeffeff和和NaNaeffeff显现出峰值，那么用很高的显现出峰值，那么用很高的NdNd和和NaNa不会再有不会再有好处，特别是在高掺杂浓度下寿命还会减小。好处，特别是在高掺杂浓度下寿命还会减小。高掺杂效应。随高掺杂效应。随掺杂浓度增加有掺杂浓度增加有效掺杂浓度饱和，效掺杂浓度饱和，甚至会下降甚至会下降 confidential目前，在目前，在SiSi太阳电池中，掺杂浓度大约为太阳电池中，掺杂浓度大约为1016cm-31016cm-3，在直接带，在直接带隙材料制做的太阳电池中约为隙材料制做的太阳电池中约为1017 cm-31017 cm-3，为了减小串联电阻，为了减小串联电阻，前扩散区的掺杂浓度经常高于前扩散区的掺杂浓度经常高于1019 cm-31019 cm-3，因此重掺杂效应在扩，因此重掺杂效应在扩散区是较为重要的。散区是较为重要的。 当当NdNd和和NaNa或或NdNdeffeff和和NaNaeffeff不均匀且朝着结的方向降低不均匀且朝着结的方向降低时，就会建立起一个电场，其方向能有助于光生载流子的收集，时，就会建立起一个电场，其方向能有助于光生载流子的收集，因而也改善了因而也改善了ISCISC。这种不均匀掺杂的剖面分布，在电池基区中。这种