第三章太阳能电池—第一讲

1、第三章第三章 太阳能电池太阳能电池 本章主要就太阳能的特点，太本章主要就太阳能的特点，太阳能电池的原理，设计制备与利用阳能电池的原理，设计制备与利用等方面作简单介绍等方面作简单介绍 。 参考资料参考资料题名责任者出版信息索书号1太阳能电池新技术林明献编著科学出版社 2012TM914.4/4642太阳能电池技术手册戴宝通, 郑晃忠主编人民邮电出版社 2012.5 TM914.4/4333太阳能电池:制备开发应用黄惠良 . 等 著科学出版社 2012TM914.4/4534太阳能电池原理与应用靳瑞敏编著北京大学出版社 2011TM914.4/4185太阳能电池工作原理、技术和系统应用编著Mart

2、in A. Green上海交通大学出版社 2010TM914.4/3407太阳能电池基础与应用熊绍珍, 朱美芳主编科学出版社 2009TM914.4/2218太阳能电池:从原理到新概念:from principles to new concepts(德)彼得乌夫尔(Peter Wurfel)著化学工业出版社 2009TM914.4/252内容概述内容概述3.6 3.6 、太阳能电池的应用与未来展望、太阳能电池的应用与未来展望可再生能源不可再生能源3.1 3.1 太阳能电池的发展背景太阳能电池的发展背景人类迄今已有400万年的历史，在这期间，人类从学会使用火开始，经过石器、铁器时代，直到近代工业

3、化革命，各种技术发明使人类文明到达了一个前所未有的高度，同时，人类消耗的能源也日益增长。随着人类活动的不断进行，地球的环境问题也日益突出温室效应、酸雨、沙漠化等清洁能源的开发与利用清洁能源的开发与利用哪些是清洁能源？哪些是清洁能源？当代和未来能源消耗的发展趋势当代和未来能源消耗的发展趋势煤、石油等是今天主要的能源来源，未来主要以清洁能源为主 太阳大气的上层，被称为“色球层”，厚约11.5104km，大部分由氢和氦组成。“色球层”外是伸入太空的银白色日冕，温度高达1百万度，高度有时达几十个太阳半径。太阳的特点太阳的特点 从太阳的构造可见，太阳并不是一个温度恒定的黑体，而是一个多层的有不同波长发射

4、和吸收的辐射体。不过在太阳不过在太阳能利用中通常将它能利用中通常将它视 为 一 个 温 度 为视 为 一 个 温 度 为6000K，发射波长为，发射波长为0.33m的黑体。的黑体。 太阳光谱太阳光谱太阳能波长分布在紫外光、可见光和红外光波段。这些波段受大气衰减的影响程度各不相同。可见光辐射的大部分可到达地面，但是上层大气中的臭氧却吸收了大部分紫外光辐射。 地球上不同地区、不同季节、不同气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的。下表给出了热带、温带和比较寒冷地带的太阳平均辐射强度。地区太阳平均辐射强度(w/m2)热带、沙漠210-250温带130-210阳光较少地区（北欧）80-130通常根

5、据各地的地理和气象情况已将到达地面的太阳辐射强度制成各种可供工程使用的图表，它们不但对太阳能利用，而且对建筑物的采暖、空调设计也是至关重要的数据。 中国太阳能资源分布我国地处北半球，绝大部分地区位于北纬45C以南，拥有丰富的太阳能资源。我国整个太阳能年辐射总量超过16.3x102KWh/m2a，约相当于1.2x104亿吨标准煤。主要特点：西部高于东部； 北方高于南方像青藏高原，年总辐射量在1860KWh/m2以上，太阳能利用条件优越。太阳辐射能实际上是地球上最主要的能量源泉， 其利用的主要途径有以下几种：直接转换为热能；即靠吸收太阳辐射的光能直接转换为热能。直接转换为热能；即靠吸收太阳辐射的光

6、能直接转换为热能。这种途径历史最为悠久，而且普及性广，工业化程度高。但这种途径历史最为悠久，而且普及性广，工业化程度高。但利用品位较低。利用品位较低。通过光电效应转换为电能通过光电效应转换为电能通过光化学反应转换为电能或制氢；目前处于研究开发阶段。通过光化学反应转换为电能或制氢；目前处于研究开发阶段。通过光合作用收集和存储太阳能；处于研究初始阶段。通过光合作用收集和存储太阳能；处于研究初始阶段。太阳能电池的特点：太阳能电池的特点：优点电池寿命长达数十年；太阳能极其丰富，30分钟辐照到地球的能量就够全世界一年的能源消耗；太阳能是绿色环保能源，太阳能电池对环境污染小？ ？ ？缺点：太阳辐射尽管遍及

7、全球，但单位面积上的入射功率却很小，因此要得到较大的功率，就必须要庞大的受光面积。太阳能利用时稳定性受到季节、时间与气候的影响，因而需要配备相当容量的储能设备，增加了设备与维持费用。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件。3.2 3.2 半导体物理基础半导体物理基础它们的导电性能不同，是因为它们的能带它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。结构不同。固体按导电性能的高低可以分为固体按导电性能的高低可以分为导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体 从能级图上来看，是因为其共有化电从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。子很易从低能级跃迁

8、到高能级上去。导体导体E导带导带价带在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，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。集体定向流动形成电流。电阻率电阻率 1010-8-8 m m 从能级图上来看，是因从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较为满带与空带之间有一个较宽的禁带（宽的禁带（ Eg 约约46 eV），共有化电子很难从低），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。（空带）上去。绝缘体绝缘体E导带导带价带Eg=36eV在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，所以形

9、不成电流。的能量，所以形不成电流。电阻率电阻率 10108 8 m m 半导体的能带结构与绝缘体的能带结构类似半导体的能带结构与绝缘体的能带结构类似, , 但是禁带很窄（但是禁带很窄（ E g约约0.13 eV) )。本征半导体本征半导体 E导带导带价带Eg=0.13eV杂质半导体杂质半导体如在纯净的半导体中适当掺入杂质，如在纯净的半导体中适当掺入杂质，能改变半导体的导电机制。能改变半导体的导电机制。按导电机制，杂质半导体可分为按导电机制，杂质半导体可分为n型型(电子导电电子导电)和和 p型型(空穴导电空穴导电)两种。两种。n型半导体型半导体n型半导体型半导体：四价的本征半导体：四价的本征半导

10、体Si、Ge等掺入少量五价的等掺入少量五价的杂质杂质(impurity)元素元素(如如P、As等等)就形成了电子型半导体，也称就形成了电子型半导体，也称n型半型半导体。导体。 P，As为施主为施主 p型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体Si、e等掺入少量三价的杂质元素等掺入少量三价的杂质元素(如等如等)形成形成空穴型半导体空穴型半导体， 也称也称p型半导体型半导体。 B为受主为受主p-n结平衡能带结构结平衡能带结构p-n结平衡电势结平衡电势p-n结的制备工艺结的制备工艺合金法合金法扩散法扩散法3.3.1太阳能电池的结构和基本工作原理太阳能电池的结构和基本工作原理 本章以单晶硅pn结

11、太阳能电池为例，介绍半导体太阳能电池的基本工作原理、结构及其特性分析。左图示意地画出了单晶硅pn结太阳能电池的结构，其包含上部电极，无反射薄膜覆盖层，n型半导体，p型半导体以及下部电极和基板。当有适当波长的光照射到这个pn结太阳能电池上后，由于光伏效应而在势垒区两边产生了电动势。光伏效应是半导体电池实现光电转换光伏效应是半导体电池实现光电转换的理论基础的理论基础 3.3 太阳能电池的基本原理太阳能电池的基本原理如果结较浅，光子将进入pn结区，甚至更深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子-空穴对。在光激发下多数载流子浓度一般改变较小，而少数载流在光激发下多数载流子

12、浓度一般改变较小，而少数载流子浓度却变化很大。子浓度却变化很大。设入射光垂直pn结面由于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 p区的电子穿过区的电子穿过p-np-n结进入结进入n n区；区；n n区的空穴进入区的空穴进入p p区，使区，使p p端端电势升高，电势升高，n n端电势降低，于是在端电势降低，于是在p-np-n结两端形成了光生电结两端形成了光生电动势，这就是动势，这就是p-np-n结的光生伏特效应。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qVD-q

13、V，产生正向电流IF.光照前光照后少数载流子的漂移在pn结开路的情况下，最终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。 由上面分析可以看出，为使半导体光电器件能产生光生电动势（或光生积累电荷），它们应该满足以下两个条件：1、半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数，即要求入射光子的能量h大于或等于半导体材料的带隙Eg，使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。2、具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。

14、势垒区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子，在p区内积累了非平衡空穴，而在n区内积累起非平衡电子。产生了一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场，于是在p区和n区间建立了光生电动势（或称光生电压）。1、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：V是光生电压，Is是反向饱和电流。 3.3. 2、太阳能电池的输出特性、太阳

15、能电池的输出特性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。左图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、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、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：FF = 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