Aydavz2008新能源发电技术2-太阳能光伏发电技术2

1、.：.；生命是永久不断的发明，由于在它内部蕴含着过剩的精神，它不断流溢，越出时间和空间的界限，它不停地追求，以形形色色的自我表现的方式表现出来。泰戈尔HYPERLINK tm51/童梦无忧网 试管婴儿论坛HYPERLINK tm51/tm51 本文由cipxjc0031奉献 本文由startingsky奉献 ppt文档能够在WAP端阅读体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第2章 章 (2) 2.2太阳能电池任务原理 太阳能电池任务原理 2.2.1太阳能电池 太阳能电池 的物理根底(1) 的物理根底 固体能带实际* 固体能带实际* 能带的构成 单个原子的 能级 North

2、China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering 1 2.2.1太阳能电池的物理根底 太阳能电池的物理根底(2) 太阳能电池的物理根底 固体能带实际* 固体能带实际* 能带的构成 晶体原子共有 化运动 North China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering 2 2.2.1太阳能电池的物理根底 太阳能电池的物理根底(3) 太阳能电池的物理根底 固体能带实际* 固体能带实际* 能

3、带的构成 N个原子构成 个能级 个原子构成2N个能级 个原子构成 能带 允带 禁带又称能隙 North China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering 3 2.2.1太阳能电池的物理根底 太阳能电池的物理根底(4) 太阳能电池的物理根底 固体能带实际* 固体能带实际* 能带的构成 导带: 导带:未被电子填满的能带或空能带 满带或价带: 满带或价带:已被电子填满的能带 满带中的电子在外界电场作用下不能挪动, 满带中的电子在外界电场作用下不能挪动 , 不起导电作用 North China

4、Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering 4 2.2.1太阳能电池的物理根底 太阳能电池的物理根底(5) 太阳能电池的物理根底 固体能带实际* 固体能带实际* 金属, 金属,绝缘体和半导体 导体能带分布图 绝缘体能带分布除非外电场相当强, 绝缘体能带分布除非外电场相当强 , 否那么不 能使电子获得足够能量从满带跃迁到空带. 能使电子获得足够能量从满带跃迁到空带. 在常温下, 在常温下 , 满带中少数电子在热激发下可以 越过禁带跃迁到空带中去, 越过禁带跃迁到空带中去 , 这时半导体具有 一定

5、的导电性. 一定的导电性. North China Electric Power University 金属 Department of Electrical Engineering 电 力 工 绝缘体 程 系 半导体 5 2.2.1太阳能电池的物理根底 太阳能电池的物理根底(6) 太阳能电池的物理根底 本征半导体和参杂半导体* 本征半导体和参杂半导体 元素半导体: 元素半导体:由同一种原子组成的半导体 化合物半导体: 化合物半导体:由两种以上原子组成的半导体 本征半导体: 本征半导体:绝对纯的没有缺陷的半导体 本征载流子浓度n 本征硅中的电子浓度 本征硅中的电子浓度n等于空 本征载流子浓度

6、i:本征硅中的电子浓度 等于空 穴浓度p,称为本征载流子浓度n 穴浓度 ,称为本征载流子浓度 i. ni随温度升高而添加,室温时硅的 i为1010/cm3 随温度升高而添加,室温时硅的n North China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering 6 2.2.1太阳能电池的物理根底 太阳能电池的物理根底(7) 太阳能电池的物理根底 本征半导体和参杂半导体* 本征半导体和参杂半导体 n型半导体:硅晶体中掺入少量 型半导体: 型半导体 五价元素磷或砷原子 或砷原子. 五价元素磷 或砷原子

7、. 磷或砷 原子称为施主. 原子称为施主 . 这种杂质半导 体主要靠施主能级激发到导带 中去的电子来导电, 中去的电子来导电 , 称为电子 型半导体或n型半导体 型半导体. 型半导体或 型半导体. p型半导体:硅晶体中掺入少量 型半导体: 型半导体 三价硼原子 原子. 三价硼原子.硼原子称为受主 .这种杂质半导体的导电机构 主要取决于满带空穴运动, 主要取决于满带空穴运动,故 称空穴半导体或p型半导体 型半导体. 称空穴半导体或 型半导体. North China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engi

8、neering 7 2.2.1太阳能电池的物理根底 太阳能电池的物理根底(8) 太阳能电池的物理根底 本征半导体和参杂半导体* 本征半导体和参杂半导体 n型半导体 : 施主浓度为 D , nND , 电子浓度 型半导体: 施主浓度为N 型半导体 远大于空穴浓度,电子为多数载流子称为多子, 远大于空穴浓度,电子为多数载流子称为多子, 空穴称为少子. 空穴称为少子. p型半导体:受主浓度为 A,p NA .电子少子 型半导体: 电子少子, 型半导体 受主浓度为NA, 空穴多子 同时存在施主和受主杂质时 nnND- NA(NDNA) ppNA- ND(NAND) North China Electr

9、ic Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering 8 2.2.1太阳能电池的物理根底 太阳能电池的物理根底(9) 太阳能电池的物理根底 载流子浓度和费米能级 半导体平衡判据 np = N c N v e ( Ec Ev ) / kT = Nc N ve E g / kT =n 2 i 温度升高时,费米能级向本征费米能级接近, 温度升高时,费米能级向本征费米能级接近, 电子和空穴浓度不断添加,不论P型硅还是 型硅还是N型 电子和空穴浓度不断添加,不论 型硅还是 型 在温度很高时都会变本钱征硅, 硅,在温度很高时都

10、会变本钱征硅, 电子浓度 n等于空穴浓度 . 等于空穴浓度p. 等于空穴浓度 North China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering 9 2.2.1太阳能电池的物理根底 太阳能电池的物理根底(10) 太阳能电池的物理根底 电子和空穴的运输 漂移和分散:引起电子和空穴发生净位移, 漂移和分散:引起电子和空穴发生净位移,即产 生电子和空穴的运输, 生电子和空穴的运输, 外电场引起漂移 载流子浓度差引起分散 引起漂移, 外电场引起漂移,载流子浓度差引起分散 半导体在外电场的作用下, 半导

11、体在外电场的作用下,在载流子的热运动上 叠加的一个速度为漂移速度 在同一电场时, 在同一电场时,电子漂移的速度比空穴快 产生与复合 产生-输运-复合过程,反映了包括太阳能 产生-输运-复合过程, 电池在内的大多数半导体器件任务过程, 电池在内的大多数半导体器件任务过程,对于分 析太阳能电池的任务性能很重要. 析太阳能电池的任务性能很重要. North China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering 10 2.2.1太阳能电池的物理根底 太阳能电池的物理根底(11) 太阳能电池的物理根底

12、 产生与复合* 产生与复合 产生 热平衡形状下的 型半导体必需满足 型半导体必需满足n 热平衡形状下的N型半导体必需满足 n0pn0=ni2 非平衡载流子或过剩载流子:遭到光照时, 非平衡载流子或过剩载流子:遭到光照时,价带中的 电子吸收光子中的能量跃迁进入导带, 电子吸收光子中的能量跃迁进入导带,在价带中留下 等两空穴.这些多于平衡浓度的光生电子和空穴叫非 等两空穴.这些多于平衡浓度的光生电子和空穴叫非 平衡载流子或过剩载流子. 平衡载流子或过剩载流子. 载流子的注入: 载流子的注入:这种由于外界条件的改动而使半导体 产生非平衡载流子的过程,称为载流子的注入 载流子的注入, 产生非平衡载流子

13、的过程,称为载流子的注入,简称 注入或激发.有光注入,热注入电注入等. 注入或激发.有光注入,热注入电注入等. 载流子的抽取: 载流子的抽取:半导体载流子浓度积小于平衡载流子 浓度积的情况. 浓度积的情况. 大注入: 大注入: nnpn nn0pn0=ni2 小注入: 小注入:nnpn nn0pn0=ni2 North China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering 11 2.2.1太阳能电池的物理根底 太阳能电池的物理根底(12) 太阳能电池的物理根底 产生与复合* 产生与复合 复合

14、 载流子浓度偏离了其平衡值时, 载流子浓度偏离了其平衡值时 , 它们就有恢 复平衡的倾向, 在注入的情况, 复平衡的倾向 , 在注入的情况 , 恢复平衡是 靠复合来实现的, 在抽取的情况, 靠复合来实现的 , 在抽取的情况 , 那么靠载流 子的产生来实现. 子的产生来实现. 复合与产生互为逆过程, 产生时吸收能量, 复合与产生互为逆过程 , 产生时吸收能量 , 复合时释放能量. 表现为放出光子, 复合时释放能量 . 表现为放出光子 , 声子和 传送能量给其它载流子. 传送能量给其它载流子. 3种复合机构:直接复合,经过复合中心复合 种复合机构: 种复合机构 直接复合, ,外表复合 North

15、China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering 12 2.2.2太阳能电池资料的光学特性 太阳能电池资料的光学特性(1) 太阳能电池资料的光学特性 半导体对光的吸收 吸收定律 垂直入射光I 反射率 , 垂直入射光 0,反射率R,吸收系数 间隔 前外表x处光谱辐照度: 处光谱辐照度:I 间隔 前外表 处光谱辐照度: x=I0(1-R)e-x 本征吸收和非本征吸收 本征吸收:由于电子在能带间跃迁由价带到导 本征吸收:由于电子在能带间跃迁由价带到导 带而构成导电的自在电子和空穴的吸收过程,

16、带而构成导电的自在电子和空穴的吸收过程,即 半导体本身原子对光的吸收.产生电子- 半导体本身原子对光的吸收.产生电子-空穴对 条件光子能量h .条件光子能量 h0=Eg 非本征吸收:激子吸收(电子空穴团) 非本征吸收:激子吸收(电子空穴团),自在 载流子吸收(多为红外吸收) 载流子吸收(多为红外吸收),杂质吸收和晶格 振动吸收. 振动吸收. North China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering 13 2.2.2太阳能电池资料的光学特性 太阳能电池资料的光学特性(2) 太阳能电池资

17、料的光学特性 直接资料和间接资料 直接跃迁:坚持能量守恒和动量守恒 的跃迁, 直接跃迁 :坚持能量守恒和动量守恒的跃迁 , 例 :坚持 能量守恒和动量守恒的跃迁 如砷化镓,只需直接跃迁能带构造的资料称为直接 如砷化镓, 资料. 资料. 间接跃迁:坚持能量守恒但动量不守恒的跃迁 :坚持能量守恒但动量不守恒的跃迁, 间接跃迁 :坚持 能量守恒但动量不守恒 的跃迁 , 需吸收声子,例如硅, 需吸收声子,例如硅,具有间接跃迁能带构造的材 料称为间接资料. 料称为间接资料. 间接资料吸收太阳光能比直接资料要求更厚资料 强光照射半导体后,较大浓度的上外表光生载流 强光照射半导体后, 子向反面分散过程中,由

18、于电子比空穴先到达反面 子向反面分散过程中,由于电子比空穴先到达反面 而产生由上外表指向下外表的分散电压. 而产生由上外表指向下外表的分散电压. North China Electric Power University 丹倍效应 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering 14 2.2.3同质结太阳能电池 同质结太阳能电池(1) 同质结太阳能电池 P-N结的构成及内建电场 结的构成及内建电场* 结的构成及内建电场 North China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Ele

19、ctrical Engineering 15 2.2.3同质结太阳能电池 同质结太阳能电池(2) 同质结太阳能电池 P-N结的构成及内建电场 结的构成及内建电场* 结的构成及内建电场 P型硅 空穴 多子 浓度 p,电子 少子 浓度 p 型硅:空穴 多子)浓度 电子 少子)浓度 型硅 空穴(多子 浓度p 电子(少子 浓度n N型硅 电子(多子 浓度nn,空穴 少子)浓度 p 型硅:电子 多子)浓度 空穴(少子 浓度p 型硅 电子 多子 浓度 空穴 少子 浓度 分散运动构成阻挠层或耗尽层 构成阻挠层或耗尽层, 分散运动构成阻挠层或耗尽层,也叫空间电荷区 构成由N区指向 区的内建电场 区指向P区的内

20、建电场,阻挠载流子分散 构成由 区指向 区的内建电场 阻挠载流子分散 内建电场与分散运动构成平衡, 内建电场与分散运动构成平衡,漂移电流等于扩 散电流 根据杂质分布可以分为突变结和缓变结 根据杂质分布可以分为突变结和缓变结 缓变结的杂质浓度梯度小, 缓变结的杂质浓度梯度小,耗尽区比较宽 势垒宽度即是阻挠层宽度 UD 空间电荷区 两端电动势差 , 自建电压 , 接触 空间电荷区两端电动势差 自建电压, 两端电动势差, 电动势差或 电动势差或内建电动势差 North China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical

21、 Engineering 16 2.2.3同质结太阳能电池 同质结太阳能电池(3) 同质结太阳能电池 反偏压与正偏压 正偏: 区接正 区接负, 外加电压U 区接正,N区接负 正偏 : P区接正 区接负 , 外加电压 F 与内建电 场UD相反为正向电压,构成正向电流. 相反为正向电压,构成正向电流. 反偏:加反向电压 构成反向电流, :加反向电压, 反偏 :加反向电压 , 构成反向电流 , 但是由于少 子数目少,反向电流小. 子数目少,反向电流小. North China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical E

22、ngineering 17 2.2.3同质结太阳能电池 同质结太阳能电池(4) 同质结太阳能电池 肖克莱方程 P-N结电容 结电容 正向电流密度 J D = J 0 ( e qU AkT 1) 空间电荷区由于正负电荷的电偶层构成的电容 对于太阳能电池发电没有多大影响 用作信号转换的时候, 用作信号转换的时候,影响频率特性 North China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering 18 2.2.3同质结太阳能电池 同质结太阳能电池(5) 同质结太阳能电池 硅太阳能电池的构造和任务原理*

23、 硅太阳能电池的构造和任务原理 North China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering 19 2.2.3同质结太阳能电池 同质结太阳能电池(6) 同质结太阳能电池 硅太阳能电池的构造和任务原理* 硅太阳能电池的构造和任务原理 内建电场(多子分散作用) 内建电场(多子分散作用)由NP 耗尽区光生载流子( 电子空穴对) 耗尽区光生载流子 ( 电子空穴对 ) 被内建 电场分别,空穴 区 电子 区先漂移后 电场分别,空穴 P区,电子N区先漂移后 分散 N区或 区光生载流子(电子空穴对),先

24、 区或P区光生载流子( 电子空穴对) 区或 区光生载流子 分散后漂移,空穴 区 电子 区 分散后漂移,空穴 P区,电子 N区 P区构成太阳能电池 区构成太阳能电池(P-N结)正极,N区构成 正极, 区构成 区构成太阳能电池 结 正极 负极 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering North China Electric Power University 20 2.2.3同质结太阳能电池 同质结太阳能电池(7) 同质结太阳能电池 硅太阳能电池的构造和任务原理* 硅太阳能电池的构造和任务原理 North China Electric Power

25、 University 电 力 工 程 系 Department of Electrical Engineering 21 2.2.3同质结太阳能电池 同质结太阳能电池(8) 同质结太阳能电池 光电流和光电压* 光电流和光电压 光电流:光生载流子的定向运动 影响光电流的要素有:光的反射 , 资料的吸 影响光电流的要素有: 光的反射, 光的反射 电池厚度, 收,电池厚度,光生载流子的实践产生率 太阳能电池的N区 耗尽区和P区 太阳能电池的 区 , 耗尽区和 区 都产生光生 载流子但其必需在复合之前越过耗尽区才对 光电流有奉献, 因此需求思索复合, 光电流有奉献 , 因此需求思索复合 , 分散和 漂移等要素. 漂移等要素. 光电流密度J 光电流密度 L()= Jn() +Jc()+ Jp() 教材式(2-45)-(2-49)是描画太阳能电池任务状 教材式 是描画太阳能电池任务状 态的根本方程.均匀参杂时简化求解为(2-57)态的根本方程.均匀参杂时简化求解为 (2-59) North China Electric Power University 电 力 工 程 系 Department of