光电及光化学转化原理与应用电化学课件：电化学课件-李明涛

1、教材及主要参考书教材及主要参考书http:/ miller的书的书课时安排课时安排周次周次日期日期内容内容1 111.0511.05概论概论- -光伏光伏11.0711.07光伏光伏2 211.1211.12电化学电化学1 111.1411.14电化学电化学2 23 311.1911.19电化学电化学3 311.2111.21电化学电化学4 44 411.2611.26电化学电化学5 511.2811.28电化学电化学6 65 512.0312.03光电化学光电化学1 112.0512.05光电化学光电化学2 26 612.1012.10光电化学光电化学3 312.1212.12燃料电池燃料电

2、池1 1周次周次日期日期内容内容7 712.1712.17燃料电池燃料电池2 212.1912.19锂电池锂电池8 812.2412.24金属空气电池金属空气电池12.2612.26超级电容器超级电容器9 911.0511.05光催化光催化11.0711.07光催化光催化101011.1211.12光催化光催化11.1411.14光催化光催化111111.1911.19实验111.2111.21实验2121211.2611.26实验311.2811.28复习复习考核办法考核办法平时成绩平时成绩 30% 其中考勤其中考勤5% 作业作业25%期末考试期末考试 70%联系方式联系方式李明涛李明涛 讲

3、师讲师Tel:mail: ADD: 北北二楼二楼15 15楼楼(81517(81517隔壁）隔壁）接收预约答疑接收预约答疑为什么要讲这门课？为什么要讲这门课？讲些什么内容？讲些什么内容？Biting down with a filled tooth on a scrap of aluminum foil will cause pain. The foil acts as an active anode (Ealuminum = -1.66 V), saliva as the electrolyte, and the filling as an inactive cat

4、hode as O2 is reduced to H2O.Oxidation half-reaction2H2O(l) 4H+(aq) + O2(g) + 4e-Reduction half-reaction2H2O(l) + 4e- 2H2(g) + 2OH-(aq)Overall (cell) reaction2H2O(l) H2(g) + O2(g)The electrolysis of water.Lead-acid battery.Hydrogen Fuel CellsA small alkaline dry cellA solid-state lithium-iodide batt

5、ery 太阳能太阳能光电转换光电转换是直接是直接将太阳能转换为电能，实现转换的将太阳能转换为电能，实现转换的主要部件是主要部件是太阳电池太阳电池。 太阳电池太阳电池也称光伏电池，它没有任何运动的机械部件，在能也称光伏电池，它没有任何运动的机械部件，在能量转换中具有重要的地位，被认为是量转换中具有重要的地位，被认为是“最优雅的能量转换器最优雅的能量转换器”。1839年法国科学家贝克勒尔贝克勒尔发现“光生伏打效应光生伏打效应”。1883年Charles Fritts 在锗半导体上覆上金层形成半导体异质结，成功制备第一块第一块太阳电池太阳电池，效率只有1%。1954年美国贝尔实验室研制成实用型实用型

6、硅太阳电池硅太阳电池，效率6%，为光伏发电大规模应用奠定了基础；同年，首次发现了砷化镓有光伏效应，制成了第一块薄膜太阳电池第一块薄膜太阳电池。1958年太阳电池首次在空间应用首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。1958年我国开始太阳电池研制，1971年首次发射用太阳电池作为电池的人造卫星。1959年 第一个多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池问世，效率达5%。1978年 美国建成100 kWp太阳地面光伏电站光伏电站。http:/ http:/ 了解详细发展历史了解详细发展历史 光生伏特效应光生伏特效应是太阳能光电转换的基本过程。太阳光是由光是太阳能光电转换的基本过程。太阳光是由光子组成的，光子

7、的能量和太阳光谱的波长相对应。光照射到太阳子组成的，光子的能量和太阳光谱的波长相对应。光照射到太阳能电池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就能电池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就可以产生电能。可以产生电能。金属电阻率：金属电阻率： 10-8m 绝缘体电阻率：绝缘体电阻率： 1014 1020m 半导体电阻率：半导体电阻率： 10-4107m 半导体半导体的导电能力介于导体和非导体之间，其的导电能力介于导体和非导体之间，其依靠电子依靠电子-空空穴对导电，穴对导电，导电性能非常独特。导电性能非常独特。这些独特的导电性是由其内部的这些独特的导电性是由其内部的微观物质微

8、观物质结构所决定的。下面结构所决定的。下面以半导体以半导体硅硅为例来进行介绍。为例来进行介绍。 硅原子有硅原子有1414个电子，其最外层有个电子，其最外层有4 4个电子，称为个电子，称为价电价电子子，在光生伏特效应中起重要作用。，在光生伏特效应中起重要作用。硅的原子结构示意图硅的原子结构示意图价电子价电子原子核原子核 大量的硅原子通过价电子结合在一起，形成大量的硅原子通过价电子结合在一起，形成晶体晶体。在晶体。在晶体中，每个硅原子通常和邻近的中，每个硅原子通常和邻近的4 4个硅原子以共价键的形式分别共个硅原子以共价键的形式分别共享享4 4个价电子。个价电子。硅晶体结构示意图硅晶体结构示意图 在

9、一定温度或强光的照射下，在一定温度或强光的照射下，由于热能或光能转化为电子的由于热能或光能转化为电子的动能，如果动能足够大，电子动能，如果动能足够大，电子就可以挣脱束缚而成为就可以挣脱束缚而成为自由电自由电子子。共价电子挣脱束缚而成为。共价电子挣脱束缚而成为自由电子以后，便留下一个自由电子以后，便留下一个空空穴穴。通常把电子看成带负电的。通常把电子看成带负电的载流子，把空穴看成带正电的载流子，把空穴看成带正电的载流子。载流子。 由光照产生的载流子叫做由光照产生的载流子叫做光光生载流子生载流子。电子电子- -空穴示意图空穴示意图 自由电子在电场或热运动作用下，可能遇到已经产生的空穴，自由电子在电

10、场或热运动作用下，可能遇到已经产生的空穴，与空穴进行复合，从而使载流子消失。空穴载流子的不断产生与空穴进行复合，从而使载流子消失。空穴载流子的不断产生和消失，相当于空穴（正电荷）的移动。由于和消失，相当于空穴（正电荷）的移动。由于电子和空穴的移电子和空穴的移动动，就使半导体具有导电性。，就使半导体具有导电性。电子电子- -空穴移动示意图空穴移动示意图 禁带具有一定的能量，这种能量叫做禁带具有一定的能量，这种能量叫做禁带宽度禁带宽度。实际。实际上，这个能量是导带的最低能级与满带的最高能级的能量差。上，这个能量是导带的最低能级与满带的最高能级的能量差。内光电效应内光电效应：当半导体表面受到光的照射

11、时，光可能被反射、吸：当半导体表面受到光的照射时，光可能被反射、吸收或透射。有些光子的能量大到足以使电子挣脱原子的束缚，同收或透射。有些光子的能量大到足以使电子挣脱原子的束缚，同时把电子由价带激发到导带，使半导体中产生大量的电子时把电子由价带激发到导带，使半导体中产生大量的电子- -空穴空穴对。对。实现内光电效应的实现内光电效应的条件条件是：是：其中：其中： 为光子的能量，为光子的能量，eVeV； 为普朗克常数，为普朗克常数，4.13610-15eVs； 是光的频率，是光的频率，1/s1/s； 为禁带宽度，为禁带宽度，eVeV。ghEhgE由于由于 有有波长大于截止波长的光不能实现光电转换。波

12、长大于截止波长的光不能实现光电转换。cghcE截止材料材料禁带宽度禁带宽度/eV截止波长截止波长/m可供利用的太阳能比率可供利用的太阳能比率硅硅6磷化铟磷化铟1.250.970.69砷化镓砷化镓1.350.900.65碲化镉碲化镉1.450.840.61硒硒1.500.810.58锑化铝锑化铝1.550.780.57硒化镉硒化镉1.700.720.51磷化镉磷化镉2.300.530.28硫化镉硫化镉2.400.500.24光子能量通量光子能量通量：单位时间通过单位截面的光子能量。：单位时间通过单位截面的光子能量。其中：其中： 为在深度为在深度x处的光的强度，处的光的强度，

13、W/m2； 为射入正交表面的光强，为射入正交表面的光强，W/m2； 为吸收系数，为吸收系数，1/m。 说明说明：太阳能电池对半导体材料的薄膜厚度有一定的要求。：太阳能电池对半导体材料的薄膜厚度有一定的要求。 例：若要吸收例：若要吸收90%以上的光子能量，半导体以上的光子能量，半导体Si的薄膜厚度需的薄膜厚度需超过超过100m，而半导体，而半导体GaAs的薄膜厚度只需的薄膜厚度只需1m。 0 expI xIax I x 0Ia3 半导体的掺杂特性本征半导体本征半导体完全无杂质且无晶格缺陷的纯净半导体。半导体的半导体的本征导电能力本征导电能力很小，很小，Si在在300K的本征电导率的本征电导率为为

14、2.3105 cm。 具有断键的硅晶体具有断键的硅晶体3 半导体的掺杂特性杂质半导体杂质半导体在半导体中加入少量可能改变其导电机制的杂质。 3 半导体的掺杂特性杂质半导体杂质半导体在半导体中加入少量可能改变其导电机制的杂质。 Si半导体中掺入半导体中掺入3价元素的半导价元素的半导体（如硼、镓、铝等），在晶体体（如硼、镓、铝等），在晶体中会出现一个空穴，形成中会出现一个空穴，形成p型半型半导体导体。多数载流子：空穴多数载流子：空穴 Si半导体中掺入半导体中掺入5价元素的半导价元素的半导体（如磷、砷、锑等），在共价体（如磷、砷、锑等），在共价键之外会出现一个多余的电子，键之外会出现一个多余的电子，

15、形成形成n型半导体型半导体。多数载流子：电子多数载流子：电子4 p-n结结 n型半导体中含有较多的电子，而型半导体中含有较多的电子，而p型半导体中含有较型半导体中含有较多的空穴，这样，当多的空穴，这样，当p型和型和n型半导体结合在一起时，就会型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差形成在接触面形成电势差形成p-n结。结。电子扩散方向电子扩散方向空穴扩散方向空穴扩散方向扩散运动扩散运动空穴：空穴：p区区 n区区电子：电子：n区区 p区区内电场内电场4 p-n结 5 太阳能电池太阳能电池的工作原理的工作原理材料吸收光子后，产生电子材料吸收光子后，产生电子-空穴对空穴对电性相反的光生载流子被半导

16、体中电性相反的光生载流子被半导体中p-n结所产生的静电场分开结所产生的静电场分开光生载流子被太阳能电池的两极所收集，并在电路中产生电光生载流子被太阳能电池的两极所收集，并在电路中产生电流，因而获得电能流，因而获得电能 太阳能电池的工作原理太阳能电池等效电路太阳能电池等效电路 光照情况下的太阳能电池可以等效为一个理想的电流源、光照情况下的太阳能电池可以等效为一个理想的电流源、一个理想二极管、旁路电阻一个理想二极管、旁路电阻 和串联电阻和串联电阻 的组合。的组合。scIDIshILIRRshRLRVshRRR太阳能电池的等效电路图太阳能电池的等效电路图太阳能电池等效电路 在没有光辐射的情况下，太阳

17、能电池在没有光辐射的情况下，太阳能电池就是一个普通的半导体二极管。恒定的入射就是一个普通的半导体二极管。恒定的入射辐射使太阳能电池内部形成稳定的从辐射使太阳能电池内部形成稳定的从n n型区型区到到p p型区的反向光生电流型区的反向光生电流 ，二极管中的，二极管中的电流电流 是由于空穴、电子扩散而形成的正是由于空穴、电子扩散而形成的正向电流。向电流。 为为p p型区和型区和n n型区半导体材料的体电阻、型区半导体材料的体电阻、p-np-n结扩散层的薄层电阻、电结扩散层的薄层电阻、电池电极的欧姆接触电阻等。池电极的欧姆接触电阻等。为考虑电流损失而增加的电阻。为考虑电流损失而增加的电阻。 当流过负载

18、当流过负载 的电流为的电流为 ，负载的端电压为，负载的端电压为 时，有时，有scIDIshRRRLRLIVLscDshIIII负载电阻上电流与电压的关系，也就是光电池的伏安特性方程。 图中的曲线是负载图中的曲线是负载从零变到从零变到 无穷大时，太阳能电池的无穷大时，太阳能电池的负载特负载特 性曲线。工作点性曲线。工作点（ ， ）界）界 定的矩形面积是定的矩形面积是电池在该工作点电池在该工作点 的输出功率。使的输出功率。使 达到最大值的达到最大值的 工作点（工作点（ ， ）称为）称为最佳工最佳工 作点。作点。 从上图可见，负载特性曲线不会超过开路电压从上图可见，负载特性曲线不会超过开路电压 和短

19、路电流和短路电流 界定的矩形范围。这就意味着太阳能电池的输出特性曲线越充满该矩形界定的矩形范围。这就意味着太阳能电池的输出特性曲线越充满该矩形越好。常用越好。常用填充因子填充因子的大小来评价太阳能电池输出特性的优劣。的大小来评价太阳能电池输出特性的优劣。伏安特性和转换效率伏安特性和转换效率mpImpVmPmVmIocVscIu填充因子填充因子定义定义：电池最大输出功率与开路电压与短路电流乘积的比值。：电池最大输出功率与开路电压与短路电流乘积的比值。u光电转换效率光电转换效率定义定义：太阳能电池的最大输出电功率与输入光功率之比。：太阳能电池的最大输出电功率与输入光功率之比。其中：其中： 是太阳能

20、电池单位表面积上的入射太阳总辐射；是太阳能电池单位表面积上的入射太阳总辐射； 为太阳能电池的上表面积。为太阳能电池的上表面积。伏安特性和转换效率mocscPFFV ImgTPAIgTIAu光电转换效率光电转换效率由开路电压、短路电流和太阳能电池表面的入射太阳辐射的关由开路电压、短路电流和太阳能电池表面的入射太阳辐射的关系，得系，得综上可得太阳能电池的效率为综上可得太阳能电池的效率为伏安特性和转换效率scgTImIln/gocsoscEkTVIIeeln/gsoscEFF mkTIIAee开路电压、短路电流和开路电压、短路电流和入射辐射强度的关系入射辐射强度的关系影响太阳能电池转换效率的因素主要

21、有三类：影响太阳能电池转换效率的因素主要有三类：u太阳能电池半导体材料的性质太阳能电池半导体材料的性质包括基体材料性质和掺杂特性。材料性质影响到对光辐射的吸包括基体材料性质和掺杂特性。材料性质影响到对光辐射的吸收和反射，禁带宽度，载流子的产生、扩散与复合等光电转换中的基收和反射，禁带宽度，载流子的产生、扩散与复合等光电转换中的基本微观物理过程。本微观物理过程。u太阳能电池的制造工艺太阳能电池的制造工艺制造工艺是否精良直接关系到电池的等效串联电阻和等效并联制造工艺是否精良直接关系到电池的等效串联电阻和等效并联电阻。电阻。u太阳能电池的工作条件太阳能电池的工作条件如工作温度。如工作温度。影响太阳能

22、电池转换效率的因素影响太阳能电池转换效率的因素光损耗光损耗复合损失复合损失电压因子损失电压因子损失串联电阻上的损失串联电阻上的损失本小节主要介本小节主要介绍的影响因素绍的影响因素u光损耗光损耗光损耗来自三个方面：光损耗来自三个方面： 入射光在太阳能电池表面受到反射；入射光在太阳能电池表面受到反射； 能量小于能量小于 的光子的能量变为热能损耗掉；的光子的能量变为热能损耗掉； 光谱中长波一侧的一小部分辐射能量穿透电池片损失掉。光谱中长波一侧的一小部分辐射能量穿透电池片损失掉。光谱因子：受入射光子激发而产生的光生载流子获得的能量与光谱因子：受入射光子激发而产生的光生载流子获得的能量与入射总光强度的比

23、。入射总光强度的比。影响太阳能电池转换效率的因素gE不同材料的表面对光的反射系不同材料的表面对光的反射系数不同，可在表面镀减反射膜数不同，可在表面镀减反射膜两者统称为量子损失，它依赖两者统称为量子损失，它依赖于材料的禁带宽度。于材料的禁带宽度。 00ggiiEIdhcSFId 为截止波长为截止波长为入射光强度为入射光强度giIu复合损失复合损失半导体电池在接受光照工作时，其内部可能同时存在三种机制半导体电池在接受光照工作时，其内部可能同时存在三种机制的载流子复合：直接复合、中心复合和表面复合。载流子的复合导致的载流子复合：直接复合、中心复合和表面复合。载流子的复合导致被吸收能量的损失。被吸收能

24、量的损失。l 直接复合直接复合在光生电池和热运动的作用下，有一部分电子少子和空穴少子在光生电池和热运动的作用下，有一部分电子少子和空穴少子分别向分别向p p型方向和型方向和n n型方向作扩散运动，当一个少子在扩散运动中遇到型方向作扩散运动，当一个少子在扩散运动中遇到一个多子时，就发生直接复合，电子从导带回归满带，实现了电子一个多子时，就发生直接复合，电子从导带回归满带，实现了电子- -空穴对的湮灭，同时释放出从辐射光获得的等于禁带宽度的能量，造空穴对的湮灭，同时释放出从辐射光获得的等于禁带宽度的能量，造成光电转换的能量损失。成光电转换的能量损失。影响太阳能电池转换效率的因素u复合损失复合损失l

25、 中心复合中心复合在内建电场力的作用下，从在内建电场力的作用下，从p p型区和型区和n n型区运动到与型区运动到与p-np-n结边界的结边界的距离在扩散长度以内的多子被吸入势垒区；在这个区域范围内产生的距离在扩散长度以内的多子被吸入势垒区；在这个区域范围内产生的少子被扫入势垒区；在势垒区里有电子少子被扫入势垒区；在势垒区里有电子- -空穴对生成。此处电子与空空穴对生成。此处电子与空穴的复合属于复合中心的复合，复合使电子释放出能量。穴的复合属于复合中心的复合，复合使电子释放出能量。l 表面复合表面复合由于电池的表面结构异常复杂，形成了大量的表面复合中心。由于电池的表面结构异常复杂，形成了大量的表

26、面复合中心。光的辐照首先在电池表面层激发产生电子光的辐照首先在电池表面层激发产生电子- -空穴对，其中一部分少子空穴对，其中一部分少子还来不及向晶体内部扩散就被表面复合中心复合了，导致能量损失。还来不及向晶体内部扩散就被表面复合中心复合了，导致能量损失。影响太阳能电池转换效率的因素u电压因子损失电压因子损失 理论上，开路电压应等于理论上，开路电压应等于p-np-n结的势垒：结的势垒： 实际上，由于电池的实际上，由于电池的p-np-n结等处存在电流泄漏，使开路电压降低，结等处存在电流泄漏，使开路电压降低，从而造成效率损失。从而造成效率损失。常用电压损失因子来表示这种损失：常用电压损失因子来表示这

27、种损失：影响太阳能电池转换效率的因素gocjEVVeocgeVVFEu串联电阻上的损失串联电阻上的损失 太阳能电池串联电阻的存在直接影响填充因子的大小。在运行条太阳能电池串联电阻的存在直接影响填充因子的大小。在运行条件下，太阳能电池的填充因子永远不可能达到件下，太阳能电池的填充因子永远不可能达到1 1。对于理想电池，填。对于理想电池，填充因子为充因子为0.80.8，由于串联电阻的存在，填充因子为，由于串联电阻的存在，填充因子为50.75。故太阳。故太阳能电池的效率远小于图中的值。能电池的效率远小于图中的值。电池的极限转换效率电池的极限转换效率/ /理想理想转换效率可以表示为：

28、转换效率可以表示为：影响太阳能电池转换效率的因素VF FF SF极限不同太阳能电池的理论效率不同太阳能电池的理论效率半导体的能带结构半导体的能带结构金刚石结构金刚石结构CBVB导体、绝缘体和半导体导体：(导)价带电子绝缘体：无导带电子禁带太宽半导体：价带充满电子禁带较窄外界能量激励满带电子激励成为导带电子满带留下空穴绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体EcEvEgE9导导带带禁禁带带价价带带半导体的导电机构导带 EC价带 EV电子跃迁带隙 Eg = 1.1 eV电子态数量空穴态数量电子浓度分布空穴浓度分布空穴电子电子向导带跃迁空穴向价带反向跃迁本征半导体的能带图多余电子多余电子图图1.6-2掺杂（

29、n型）施主能级施主能级导带导带电离能电离能价带价带掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后，某些电子受到很弱的束缚，只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。施主能级电子浓度分布空穴浓度分布施主杂质电离使导带 电子浓度增加 被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级施主能级位于离导带很近的禁带施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量DEA Eg 就可以产生自由空穴B受主杂质非本征半导体材料：p型半导体的光吸收半导体的光吸收为了解释光电效应，1905年，

30、爱因斯坦在德国物理学家普朗克研究电磁辐射的基础上提出了光子说。他指出：在空间传播的光不是连续的，在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子。每个光子所具有的能量而是一份一份的，每一份叫做一个光子。每个光子所具有的能量E跟光跟光的频率的频率成正比成正比。E=h其中h是一个常量，叫普朗克常量。h=6.6310-34焦.秒直接带隙：直接带隙：导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合伴随光子的发射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。间接带隙：间接带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合需要声子的参与，声子振动导致热能，降低了发光量子效率。pn

31、结的特性与光电压的产生结的特性与光电压的产生由于pn结势垒区内存在较强的内建电场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过p-n结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在p-n结两端形成了光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。由于光照在p-n结两端产生光生电动势，相当于在p-n结两端加正向电压V，使势垒降低为，产生正向电流IF.在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，p-n结两端建立起稳定的电势差Voc，（p区相对于n区是正的），这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的

32、电流通过电路，p-n结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区两个条件两个条件太阳电池的特性太阳电池的特性IV特性开路电压短路电流最大工作点填充因子转换效率量子效率影响效率的因素光谱响应特性能量效率光电池的电流电压特性光电池的电流电压特性光电池工作时共有三股电流：光生电流IL，在光生电压V作用下的pn结正向电流IF，流经外电路的电流I。IL和IF都流经pn结内部，但方向相反。pn负载光电流IL结正向电流IFI根据p-n结整流方程，在正向偏压下，通过结的正向电流为：IF=Isexp(qV/kT)-1其中：

33、V是光生电压，Is是反向饱和电流。如光电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流应该是：I = IF-IL = Isexp(qV/kT)-1-IL这就是负载电阻上电流与电压的关系，也就是光电池的伏安特性方程。1和2分别是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线。 不论是一般的化学电池还是太阳能电池，其输出特性一般都是用如下图所示的电流电压曲线来表示。由光电池的伏安特性曲线，可以得到描述太阳能电池的四个输出参数。描述太阳能电池的参数描述太阳能电池的参数、开路电压Voc在p-n结开路情况下（R=），此时pn结两端的电压即为开路电压Voc。这时，I=0，即：IL=IF。将I=0代入光电池的电流电压方程，得

34、开路电压为：Voc kTqln(ILIs+1)2、短路电流Isc如将pn结短路（V=0），因而IF=0，这时所得的电流为短路电流Isc。显然，短路电流等于光生电流，即：Isc = IL对于在整个器件中均匀吸收的情形，短路光电流可以用下式表示式中GL 为光照电子空穴对的产生率A 为P-N结面积A（Ln+Lp）为半导体产生光生载流子的体积。由上式可知短路光电流取决于光照强度和P-N结的性质。、填充因子FF在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vop和最佳工作电流Iop。填充因子定义为：F

35、F = VopIopVocIsc=PmaxVocIsc它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积在Voc和Isc所组成的矩形面积中所占的百分比。特性好的太阳能电池就是能获得较大功率输出的太阳能电池，也就是Voc，Isc和FF乘积较大的电池。对于有合适效率的电池，该值应在0.70-0.85范围之内。4.太阳电池的转化效率 其中Pin是入射光的能量密度，S为太阳能电池的面积，当S是整个太阳能电池面积时，称为实际转换效率，当S是指电池中的有效发电面积时，叫本征转换效率。表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。 =（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）x100%= （Vop x Iop/Pin

36、x S）X100%= VocIscFFPin S影响效率的因素影响效率的因素带隙典型的太阳能电池I-V特性曲线光照强度温度的影响光生电流的光学损失反射损失反射损失栅指电极遮光损失栅指电极遮光损失透射损失透射损失表面绒面化表面绒面化太阳电池的能量损失太阳电池的能量损失光生少子的收集几率在太阳能电池内，由于存在少子的复合，所产生的每一个光生少数载流子不可能百分之百地被收集起来。定义光激发少子中对太阳能电池的短路电流有贡献的百分数为收集几率。决定开路电压Voc大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短， Voc也就越低。体复合和表面复合都是重要的。体相复合包括复合中心复合、

37、俄歇复合及直接辐射复合欧姆损失与漏电损失pn结太阳能电池存在着Rs和Rsh的影响。其中， Rs是由材料体电阻、薄层电阻、电极接触电阻及电极本身传导电流的电阻所构成的总串联电阻。 Rsh是在pn结形成的不完全的部分所导致的漏电流，称为旁路电阻或漏电电阻。考虑串联电阻PHOTORESPONSIVITYEXTERNAL QUANTUM EFFICIENCYThe photoresponsivity is defined as the photocurrent extracted from the solar cell divided by the incident power of the ligh

38、t at a certain wavelength.The external quantum efficiency is defined as the number of charges Ne extracted at the electrodes divided by the number of photons Nph of a certain wavelength incident on the solar cell太阳电池的光谱响应太阳电池的光谱响应太阳电池的光谱响应太阳电池的光谱响应按结构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

39、按材料按材料分类分类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太阳电池的分类太阳电池的分类太阳电池太阳电池体电池体电池太阳电池的分类与发展薄膜电池薄膜电池锗硅单晶硅多晶硅带硅硅微晶硅非晶硅化合物薄膜CISCIGSGaAs染料敏化、量子点CdTe几种太阳电池效率比较多结电池薄膜电池块硅电池有机太阳电池晶体硅太阳电池的结构晶体硅太阳电池的结构晶体硅太阳电池的制造工艺晶体硅太阳电池的制造工艺（1） 切片：采用多线切割（2） 清洗：用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或碱）溶液将硅

40、片表面切割损伤层除去3050um。（3） 制备绒面：用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。（4） 磷扩散：采用涂布源（或液态源，或固态氮化磷片状源）进行扩散，制成PN结，结深一般为0.30.5um。（5） 周边刻蚀：去除周边扩散层。（7） 制作上下电极：用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺，先制作下电极，然后制作上电极。（8） 制作减反射膜：为了减少入反射损失，要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有MgF2 、SiO2 、Al2O3 、Si3N4 、TiO2 、Ta2O5等。（9） 烧结：将电池芯片烧结于镍或铜底板上。（10）测试分档：按规定参数规范，测试分类。晶

41、体硅电池的现代发展晶体硅电池的现代发展太阳电池的新发展太阳电池的新发展叠层太阳电池中间带太阳电池热载流子太阳电池染料敏化太阳电池量子点太阳电池多结（叠层）太阳电池Cell 1Cella 2Cella 3Eg1Eg2Eg1Eg3Eg2Eg=1.9eVEg=1.42eVEg=0.7eV染料敏化太阳电池基本原理Dye Molecules on TiO2Glass Substrate Electrolyte I-/I-3Catalyst (Platinum, graphite)Glass Substrate Transparent Conducting Oxide (ITO or SnO2:F) Tr

42、ansparent Conducting Oxide (ITO or SnO2:F) nanocristalline TiO2柔性太阳电池 封闭系统航标灯光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉太阳能无人值守微波中继站、太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播光缆维护站、广播/ /通讯通讯/ /寻寻呼电源系统呼电源系统并网发电系统3-5KW3-5KW家庭屋顶并网发电系统家庭屋顶并网发电系统光伏电站光伏电站10KW-50MW10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。电站、各种大型停车厂充电站等。集成方式整体屋顶跟踪方式框架固定太阳能

43、电池的利用情况太阳能电池的利用情况日本、欧洲、日本、欧洲、美国一直是美国一直是发展和利用发展和利用太阳能电池太阳能电池的主要国家的主要国家和地区。和地区。太阳能电池的利用情况 新千年开始，世界其他国家和地区的太阳能电池产业发展新千年开始，世界其他国家和地区的太阳能电池产业发展速度明显加快了。速度明显加快了。第四章第四章 太阳能光电转换太阳能光电转换第1节概论第2节光电转换的理论基础第第3节节太阳能电池的基本特性太阳能电池的基本特性第第4节节几种典型的太阳能电池几种典型的太阳能电池第第5节节太阳能光伏系统太阳能光伏系统第四章第四章 太阳能光电转换太阳能光电转换第1节概论第第2节节光电转换的理论基

44、础光电转换的理论基础第第3节节太阳能电池的基本特性太阳能电池的基本特性第4节几种典型的太阳能电池第第5节节太阳能光伏系统太阳能光伏系统按结构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按材料按材料分类分类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太阳电池的分类与发展几种太阳电池效率比较多结电池薄膜电池块硅电池有机太阳电池晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池是典型的晶体硅太阳能电池是典型的p-n结型太阳电结型太

45、阳电池，它的研究最早、应用最广。池，它的研究最早、应用最广。分类：单晶硅电池和多晶硅电池。分类：单晶硅电池和多晶硅电池。u单晶硅太阳电池单晶硅太阳电池原料原料: 高纯的单晶硅棒，高纯的单晶硅棒，纯度要求纯度要求99.999。单晶硅太阳能电池的实验单晶硅太阳能电池的实验室最高效率为室最高效率为25%（澳大利亚新（澳大利亚新南威尔士大学，马丁南威尔士大学，马丁格林教授组）格林教授组）单晶硅棒的制备：单晶硅棒的制备：坩埚拉直法和悬浮区熔法坩埚拉直法和悬浮区熔法硅的基本性质金属硅金属硅石英砂（石英砂（SiO2）多晶硅多晶硅单晶硅单晶硅晶体硅太阳能电池u多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池目前太阳电池使用的多晶

46、硅目前太阳电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废弃单晶硅料和的集合体，或用废弃单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。冶金级硅材料熔化浇铸而成。多晶硅太阳电池的制作工艺多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率稍低于单晶硅太阳电电转换效率稍低于单晶硅太阳电池，但是材料制造简便，节约电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。到大量发展。晶体硅太阳能电池u非晶硅与单晶硅、多晶硅非晶硅与单晶硅、多晶硅非晶硅的禁带宽度为非晶硅的禁带宽度为1.6eV，非常

47、接近最优值，非常接近最优值1.5eV。其吸收系数比单晶硅高其吸收系数比单晶硅高12个数量级。个数量级。非晶硅的晶体结构不规则，通过渗入氢，可以弥补大非晶硅的晶体结构不规则，通过渗入氢，可以弥补大部分的晶体缺陷，同时氢又相当于硅中的杂质。部分的晶体缺陷，同时氢又相当于硅中的杂质。由于制造工艺简单，非晶硅受到了科学家和制造商的由于制造工艺简单，非晶硅受到了科学家和制造商的关注。关注。晶体硅太阳能电池u硅太阳电池的生产流程硅太阳电池的生产流程生产过程大致可分为五个步骤：生产过程大致可分为五个步骤：a a、提纯过程、提纯过程 b b、拉、拉棒过程棒过程 c c、切片过程、切片过程 d d、制电池过程、

48、制电池过程 e e、封装过程。、封装过程。 晶体硅晶体硅太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺6.2 6.2 冶金级硅提纯为半导体级硅冶金级硅提纯为半导体级硅6.4 6.4 单晶硅片制成太阳能电池单晶硅片制成太阳能电池6.3 6.3 半导体级多晶硅转变为单晶硅片半导体级多晶硅转变为单晶硅片6.1 6.1 由砂还原为冶金级硅由砂还原为冶金级硅6.5 6.5 太阳能电池封装成太阳能电池组件太阳能电池封装成太阳能电池组件6.6 6.6 能量收支结算能量收支结算太阳能电池材料太阳能电池材料l禁带宽度1.1eV1.7eV，以直接带隙半导体为佳；l组成的材料不具有毒性；l材料易取得，成本低；l有良好的光电转

49、换效率；l有长期的稳定性；硅太阳能电池的种类硅太阳能电池的种类单晶硅多晶硅非晶硅6.1 由砂还原为冶金级硅由砂还原为冶金级硅 提炼硅的原始材料是SiO2，是砂的主要成分。 在电弧炉中加入碳，利用氧化还原反应提取硅： 所得到的硅为冶金级硅（MG-Si），纯度为98%99%。2SiO +2CSi+2CO 将液态硅倒入铸模内进行凝固，用压碎机压成小块。生产冶金级多晶硅原料的电弧炉生产冶金级多晶硅原料的电弧炉电能加热石墨电极产生电弧 焦炭、煤炭和木屑为还原剂电弧炉外观液态硅倒入铸模铝和铁为主要杂质冶金级硅中杂质的浓度冶金级硅中杂质的浓度 可在液化硅中加入氧化气体，与比硅活性强的元素（Al，Ca，Mg等

50、）发生反应，形成炉渣，从而移除杂质。只有很少的一部分用于半导体行业，用于制作太阳能电池的更少。 生产的冶金级硅中，大部分被用于钢铁与铝工业上。6.2 冶金级硅提纯为半导体级硅冶金级硅提纯为半导体级硅 将冶金级硅转变为挥发性的化合物，采用分馏的方法将它冷凝、提纯，然后提取超纯硅。23HSiHCl3HClSi3HClSiHSiHCl23 1. 利用HCl将冶金级硅原料转换为液态的三氯硅烷SiHCl3。 2. SiHCl3为无色易燃液体，沸点为31.9 ，通过多重的分馏法可将它与其他卤化物分离，提高纯度。 3. 采用西门子化学沉积法，将SiHCl3及H2通入1100反应炉内，进行200300小时：S

51、i被还原，以细晶粒的多晶硅形式沉积到电加热的硅棒上。这一过程中，Fe、Al、B等杂质也形成了各自的卤化物。在600三氯硅烷的制造与纯化三氯硅烷的制造与纯化13013023HSiHCl3HClSi600 时， 低温保存，避免日照，防止SiHCl3发生急速气化而爆炸。Siemens方法生产多晶硅方法生产多晶硅3HClSiHSiHCl231100反应炉：将晶种固定在电极上，加热电极H2还充当了SiHCl3的运输气体被还原的Si将沉积在晶种上多晶硅原料多晶硅原料多晶棒块状多晶原料 硅多晶棒经过敲打成为块状，通过酸洗、干燥、包装等程序后，成为CZ硅单晶生长或铸造多晶硅使用的块状原料。半导体级硅原料制备流

52、程图半导体级硅原料制备流程图1331336.3 半导体级多晶硅转变为单晶硅片半导体级多晶硅转变为单晶硅片 单晶硅片通常都拥有比较好的材料性能，但因为需要精确和缓慢的制造过程，但成本较高，是最为昂贵的硅材料。单晶硅原子的价带结构。每个硅原子的最外层都有四个电子，与相邻原子共享电子对。单晶硅通常被制成大的圆筒形硅锭，然后切割成圆形或半方的太阳能电池。还需将边缘切掉，便于装入模块。单晶硅片的制备单晶硅片的制备生长单晶硅的方法：CZ法（Czochralski） FZ法（Float Zone 浮融法）CZ 拉晶法： Czochralski于1917年发明。在石英坩埚中加入半导体级多晶硅，熔融。加入微量掺

53、杂剂。控制温度，籽晶能够从熔融硅中拉出圆柱形单晶硅。电池理论转换效率24.7%。CZ拉晶设备137 石英坩埚（SiO2）是最为重要的热场组件。 石英坩埚内装有熔融态的硅熔液，两者会发生化学反应，产生SiO,将影响长出晶棒的质量。降低成本：设计热场，提高长晶的良率（生产不含任何位错的硅单晶棒的能力）重复加料，增加出产率CZ拉晶炉设备的外观拉晶炉内部石英坩埚2SiOSi+2O石英坩埚溶解反应：SiO易挥发，通入Ar2将其带走CZ拉晶流程a.加料b.熔化c.稳定化 在石英坩埚中加入多晶硅原料和掺杂物。P型掺杂B，N型掺杂P。 长晶炉关闭并抽成真空，使其保持一定的压力值。打开石墨加热器电源，将原料加热

54、至熔融。 将硅溶液的温度调节到适合拉晶的稳定状态。CZ拉晶流程f.晶冠和晶肩生长e.晶颈生长d.晶种浸入 一般使用方向的硅晶片，将该方向的晶种浸入硅熔液。 降低拉速与温度，使得晶体直径渐渐增大到所需大小。 将晶种快速向上提升，使长出的晶体直径缩小到一定的大小（36mm）。CZ拉晶流程g.晶身生长h.晶尾生长i.单晶棒 直径固定的部分为晶身。硅晶片取自晶身。将晶棒直径慢慢缩小，直到成一个尖点再与液面分开。 长完后的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出。修边与切片修边与切片 在整个太阳能电池级单晶硅片的制造中，成本构成为：多晶硅原料：40%；CZ拉晶：30%；晶圆加工成型：30%，切片最为重要。修边

55、 圆形的单晶硅片浪费了许多面积 使用方形的硅晶片可以有效的吸收太阳能修边切片切片 在切割中，对钢线施加适当的张力，使钢线来回拉动。使用线切割机进行切片 钢 线 带 动 浆 料 （ 油 及SiC），使其对晶棒进行切割。浆料不仅是研磨剂，还带走研磨中的热量。占整个切片成本的25%35%。 太 阳 能 电 池 厚 度 为200280m。钢线直径1 8 0 m ， 碳 化 硅 为530m 。蚀刻清洗蚀刻清洗 在切割中，硅片表面会有一层因机械应力所造成的结构损失层，影响了太阳能电池效率，所以需去掉。 通常用化学蚀刻的方法，加入HF和HNO3调配的混酸，去除10m 20m厚的表层。单晶硅太阳电池的制造与结

56、构 制备多晶硅的技术相对要简单一些，成本也因此比单晶硅更低一些。然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能不如单晶硅材料。多晶硅的制备多晶硅的制备1. 在石英坩埚中放入纯硅；2. 加热坩埚，直至硅熔融；3. 打开底部散热开关，硅从坩埚底部往上缓慢固化，从而得到多晶硅锭。 铸造多晶硅一般采用定向凝固定向凝固的方式。可以长出宽度约数毫米到数厘米的柱状排列晶粒。热交换法布里基曼法布里基曼法Si3N4防止多晶硅与坩埚粘结在一起。凝固速度1cm/h，完成一次铸造需要23天。将坩埚缓慢移出加热器，硅从坩埚底部往上缓慢固化，从而得到多晶硅锭。晶界降低了电池的性能多晶硅的晶界多晶硅的晶界 1.晶界将额外的能级

57、缺陷引入到了禁带中，导致了局部高复合，减少了少数载流子寿命。2.晶界还阻碍了载流子的流动，为穿过pn结的电流提供分流路径，这也降低太阳能电池的性能。方形切片切片151151多晶硅太阳电池的制造方法与结构6.4 单晶硅片制成太阳能电池单晶硅片制成太阳能电池（2 2）金属电极的制作）金属电极的制作（1 1） NN型杂质的掺入型杂质的掺入(1) N型杂质的掺入型杂质的掺入154154 在标准太阳能电池工艺中，通常将硼（B）加入到熔料中，生产出p型硅片。 为制造pn结，需在P型硅片表面制备一层薄的、重掺杂的n型区。将硅片置入石英炉管将硅片置入石英炉管磷扩散制作工艺磷扩散制作工艺石英炉管石英炉管1.P型

58、半导体为基板，三氯氧磷（POCl3）通过载气进入被加热的炉管；2.在高温扩散作用下（800900），硅片表面形成含磷的氧化层，磷原子进入硅晶格内，；3.硅片表面区域，磷杂质浓度超过硼杂质；322524POCl +3O2P O +6Cl2522P O +5Si4P+6SiO4.硅片表面区域，会产生一层SiO2，需用氢氟酸HF来去除。2262SiO6HFH SiF +2H O边缘绝缘处理边缘绝缘处理NPN 需把边缘的N型掺杂区移除，不然将出现正面与背面电极的导通。 采用低温干蚀刻方法： 将晶片堆栈在一起； 放入反应炉； 用CF4和O2的等离子进行干蚀刻；（2）金属电极的制作）金属电极的制作 金属电

59、极位于太阳能电池结构的表面，通过它，可以取出带电的光生载流子，进而在半导体与外电路之间产生流通。 太阳能电池正面与背面，会有两条平行的金属电极(Bus Bar)，提供了与外界线路的接焊。宽度在500 m左右。 正面的金属电极向侧面伸展出一系列的细金属线，称为格子线格子线。用于收集载流子。为了防止遮光，宽度在50m以下。 金属电极材料通常以铝或者银合金为主。正面电极的网印正面电极的网印太阳能电池对正面金属电极的要求：与硅接触时电阻低金属线宽小：与硅之间的黏着力强可焊性高；可以大量生产、制造成本低等。网印技术是目前最为普遍的正面电极制造技术。正面电极的网印正面电极的网印涂覆了感光胶的丝印网板正面电

60、极的网印正面电极的网印金属膏：有机溶剂，使金属膏呈现流体状态，有利于印刷的进行；有机结合剂，用于固定金属粉末；导电金属材料，一般是银的粉末，颗粒大小约为数十微米，质量约占整个金属膏的6080%；玻璃粉，由低熔点、高活性氧化物粉末组成。可对硅表面进行蚀刻反应，帮助硅表面与银粉接合。正面电极的网印正面电极的网印 将金属膏添加到印刷板上面，用滚轮对金属膏施压，从一端滑倒另一端，金属膏就会依据印刷板上的图案印制到晶片上。 将晶片置于100200的环境下，进行干燥处理，去除有机挥发物。背面电极的网印背面电极的网印 背面金属电极也采用网印技术制造。 与正面制造情况不同点在于，金属膏成分同时含有Ag粉和Al