清洁能源概论4太阳能光伏发电

太阳电池工作原理

一.太阳电池分类1.

按照基体材料分类：晶硅太阳电池，包括：单晶硅和多晶硅太阳电池非晶硅太阳电池薄膜太阳电池化合物太阳电池，包括：砷化镓电池；硫化镉电池；碲化镉电池；硒铟铜电池等有机半导体太阳电池等单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池非晶硅太阳电池2.按照结构分类：同质结太阳电池异质结太阳电池肖特基结太阳电池复合结太阳电池液结太阳电池等3.按照用途分类：空间太阳电池:在人造卫星、宇宙飞船等航天器上应用的太阳电池。由于使用环境特殊，要求太阳电池具有效率高、重量轻、耐辐照等性能。地面太阳电池:在地面上应用的太阳电池。光敏传感器:光照射时，太阳电池两极之间就能产生电压。连成回路，就有电流流过，光照强度不同，电流的大小也不一样，因此可以作为传感器使用。航天器上的光伏系统

火星车4.按照工作方式分类：平板太阳电池聚光太阳电池聚光太阳电池聚光电池13太阳能电池的基本原理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，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”。14太阳能电池的物理基础本征半导体和掺杂半导体电子和空穴的输运P-N结的光伏效应太阳能电池的工作原理151.固体的能带理论能带理论是解释金属内部结构的一种理论。能级（EnegyLevel）：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。一、太阳能电池的物理基础161.固体的能带理论电子的共有化运动：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化运动。一、太阳能电池的物理基础171.固体的能带理论能带（EnegyBand）：电子的共有化运动使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。每一条能带有许多极其相近的能级组成。一、太阳能电池的物理基础181.固体的能带理论禁带（ForbiddenBand）：能带允许被电子占据的称为允带，允带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。一、太阳能电池的物理基础191.固体的能带理论原子壳层中的内层允带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允带。被电子占满的允带称为满带或者价带。每一个能级上都没有电子的能带称为空带。未被电子填满的能带或者空带称为导带。一、太阳能电池的物理基础201.固体的能带理论实际晶体的能带和孤立原子能级间的关系非常复杂。有时，两个分立的能级会相互交杂，或变为互相叠合的能带而禁带消失；或分裂为另外两组能带。这种过程称为轨道的杂化。硅原子的导带和价带就是轨道杂化而成。一、太阳能电池的物理基础212.导体、绝缘体和半导体导体：导体的导带和价带相邻或者重叠，禁带消失。价带中的电子在电场作用下可以自由地进入导带，表现为良好的导电能力。一、太阳能电池的物理基础222.导体、绝缘体和半导体绝缘体：绝缘体的导带和价带之间的禁带很宽，Eg达5～7eV(1eV为1.602×10-19J或96.48kJ·mol-1)

，导带几乎是空的，若电场既不能使位于价带的电子移动，也不能使其跃迁到导带，因此不能导电。一、太阳能电池的物理基础232.导体、绝缘体和半导体半导体：半导体的导带和价带之间禁带的宽度较小，一般Eg≤3eV。在一定能量（例如外电场）的激发下，价带中的电子总会被激发到空带中，使之成为导带，而在价带中留下空穴。半导体就是利用这种方式传导电流的。一、太阳能电池的物理基础241.本征半导体由同一种原子组成的半导体称元素半导体，两种以上原子组成的半导体称化合物半导体。完全纯净和结构完整的半导体为本征半导体，是共价键晶体。二、本征半导体和掺杂半导体251.本征半导体二、本征半导体和掺杂半导体以硅为例，如图中每个硅原子最外层有四个价电子，这些价电子的轨道通过适当的杂化，恰好与最近邻的四个硅原于形成四面体型共价键结构。当共价键中的电子因热、光、电场等因素的作用获得足够的能量时，能够克服共价键的束缚从价带跃迁到导带而成为自由电子。261.本征半导体二、本征半导体和掺杂半导体这时在原来的共价键位置上就留下一个空位，而周围近邻键上的电子随时可能跳过来填补这个空位，因而使空位又转移到了邻近的键上去，这种可移动的空位称为空穴。271.本征半导体二、本征半导体和掺杂半导体半导体就是这样靠着电子和空穴的移动来导电的，所以电子（电子浓度n）和空穴（空穴浓度p）皆为半导体的载流子。本征载流子浓度随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小。282.掺杂半导体二、本征半导体和掺杂半导体根据需要在本征半导体中掺入其它杂质以后就得到掺杂半导体。292.掺杂半导体二、本征半导体和掺杂半导体在晶体硅中加进Ⅴ族元素磷后，磷原子除了拿出4个价电子和周围最邻近的4个硅原子组成共价键外，还多余一个价电子，使磷原子电离成正离子。302.掺杂半导体二、本征半导体和掺杂半导体只要很小的能量，就可以使多余的价电子跳到导带上，因此，其禁带要比纯硅晶体窄得多。掺杂硅中的磷元素全部电离时可提供同等数量的导电电子。这种提供电子的杂质称为施主，对应的半导体称为N型半导体。312.掺杂半导体二、本征半导体和掺杂半导体在晶体硅中加进Ⅲ族元素硼后，硼原子在和周围最邻近的4个硅原子组成共价键时，还缺少一个价电子，因而很容易从别处夺来一个价电子，自身电离成负离子。可以认为硼原子带着一个容易电离的空穴。322.掺杂半导体二、本征半导体和掺杂半导体只要很小的能量，就可以使空穴跳至价带上，因此，其禁带要比纯硅晶体也要窄得多。掺杂硅中的硼元素全部电离时可向价带提供同等数量的空穴。这种从半导体接受电子的杂质称为受主，对应的半导体称为P型半导体。332.掺杂半导体二、本征半导体和掺杂半导体掺有施主的硅称为N型硅。在N型半导体中，由于n>p，一般把电子称为多数载流子，而空穴称为少数载流子。掺有受主的硅称为P型硅。在P型半导体中，由于n<p，一般把电子称为少数载流子，而空穴称为多数载流子。34三、电子和空穴的输运常态时，半导体中的电子和空穴始终在进行无规则的热运动，这种运动没有方向性，不引起静位移，对电流没有贡献。有两种原因可引起电子和空穴的静位移，产生电子和空穴的输运，即漂移和扩散。外电场引起漂移，载流子浓度差引起扩散。35三、电子和空穴的输运半导体受外电场作用，在载流子的热运动上叠加一个附加速度，称为漂移速度。对于电子，漂移速度与电场反向；对于空穴，漂移速度与电场同向。漂移速度使电子和空穴有一个静位移，从而形成电流。1.漂移36三、电子和空穴的输运在半导体中电子（或空穴）的浓度不均匀，则电子（或空穴）将在浓度梯度的影响下扩散，从而使电子（或空穴）有一个静位移，形成电流。浓度梯度越大，扩散越快。2.扩散37三、电子和空穴的输运平衡状态下，受到光照时，价带中的电子吸收光子能量跃入导带，在价带中留下等量空穴。这些多余平衡浓度的光生电子和空穴，称为非平衡载流子或过剩载流子。3.过剩载流子38三、电子和空穴的输运这种由外界条件改变使半导体产生过剩载流子的过程称为载流子的注入（简称注入或激发）。反之，半导体中载流子浓度小于平衡载流子浓度的情况，称为载流子的抽取（简称抽取）。太阳能电池一般只研究注入。3.过剩载流子39三、电子和空穴的输运由光照而产生光注入或光激发；由热运动引起热注入或热激发；由电场则引起电注入或电激发。当载流子浓度偏离其平衡值时，它们有恢复平衡的倾向。在注入情况，恢复平衡是靠复合来实现；在抽取情况，则靠载流子的产生实现。3.过剩载流子40三、电子和空穴的输运产生和复合互为逆过程。产生时价带中的电子跃迁至导带要吸收能量，导带中的电子和价带中的空穴复合时也要以各种方式释放能量。4.产生与复合41四、P-N结的光伏效应常温下，N型半导体的施主杂质将电离成带负电的电子和带正电的施主杂质离子；P型半导体的受主杂质也将电离成带正电的空穴和带负电的受主杂质离子。1.P-N结的形成42四、P-N结的光伏效应当两块不同导电类型的P型半导体和N型半导体紧密接触时，其交界面称为形成P-N结。交界面上存在电子和空穴的浓度差，N区的电子浓度比较高，P区的空穴浓度比较高，电子和空穴都要从浓度高的

地方向浓度低的地

方扩散。1.P-N结的形成43四、P-N结的光伏效应由于扩散作用，必然有一部分电子从N区进入P区，也有一部分空穴从P区进入N区。扩散的结果在交界面附近P区一边失去了带正电的空穴和接受了带负电的电子，因而呈现负电；N区一边失去带负电的

电子，并接受了带正电

的空穴因而呈现正电。1.P-N结的形成44四、P-N结的光伏效应正负电荷集中在P区和N区的交界面附近，形成空间电荷区，并产生一个从带正电荷的N区指向带负电荷的P区的内建电场，称为势垒电场。1.P-N结的形成45四、P-N结的光伏效应1.P-N结的形成在内建电场的作用下，空间电荷区内的电子从P区向南N区漂移，空穴从N区向P区漂移。随着载流子扩散运动的不断进行，空间电荷区不断扩大，内建电场

也不断增强，载流

子的漂移运动也不

断增大。46四、P-N结的光伏效应在无外电场的情况下，最终载流子的扩散运动与漂移运动达到平衔，电子和空穴的扩散电流和漂移电流大小相等方向相反，所以无净电流流过P-N结，这种状态称为平衡态P-N结。1.P-N结的形成47四、P-N结的光伏效应空间电荷区的势垒电场对电子和空穴的扩散运动起阻碍作用。必须指出，内建电场一旦建立，它一方而阻碍扩散的运动，另一方面又起漂移作用。P-N结的扩散作用和阻碍作用使其具有单向导电性。1.P-N结的形成48四、P-N结的光伏效应当太阳光照射到半导体上时，一部分光将深入到半导体及P-N结内部。半导体中的电子吸收了能量大于禁带宽度的光子后，发生带间跃迁，在势垒区附近产生光生电子-空穴对。2.P-N结的光伏效应49四、P-N结的光伏效应在内建电场的作用下，势垒区内及其附近扩散到势垒区的光生空穴被扫向P区，光生电子被扫向N区；从而在P区内储存大量过剩的空穴，形成空穴积累，在N区内储存大量过剩的电子，形成电子积累。2.P-N结的光伏效应50四、P-N结的光伏效应这种积累使P区端电势升高，N区端电势降低，其效果是中和了部分空间电荷，使P-N结内建电场的作用减弱．势垒高度降低，从而在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场，产生光生电压，这就是P-N结的光生伏特效应，简称光伏效应。2.P-N结的光伏效应

太阳电池在光照下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。这样形成的电子-空穴对由于热运动，向各个方向迁移。光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n区，光生空穴被推进p区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。

在n区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向p-n结边界扩散，一旦到达p-n结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入p区，而光生电子（多数载流子）则被留在n区。

p区中的光生电子也会向p-n结边界扩散，并在到达p-n结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动，进入n区，而光生空穴（多数载流子）则被留在p区。

因此在p-n结两侧形成了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n型层带负电，因此产生了光生电动势。这就是“光生伏打效应”（简称光伏）。

如果使太阳电池开路，即负载电阻，RL=∞，则被p-n结分开的全部过剩载流子就会积累在p-n结附近，于是产生了等于开路电压VOC的最大光生电动势。如果把太阳电池短路，即RL=0，则所有可以到达p-n结的过剩载流子都可以穿过结，并因外电路闭合而产生了最大可能的电流，即短路电流ISC。

如果把太阳电池接上负载RL，则被结分开的过剩载流子中就有一部分把能量消耗于降低p-n结势垒，即用于建立工作电压Vm，而剩余部分的光生载流子则用来产生光生电流Im。62四、P-N结的光伏效应光生伏特效应最重要的应用之一是将太阳辐射能直接转变为电能。2.P-N结的光伏效应63四、P-N结的光伏效应半导体中受光照电离产生的电子-空穴对，必须及时将电子和空穴分离开来，否则它们又将复合而还原，对外便不起导电作用，因此一般不能用纯净的半导体制成太阳能电池。2.P-N结的光伏效应64五、太阳能电池的工作原理2-2太阳能电池的基本原理照射到太阳能电池表面的太阳光不可能全部转变成电能，这是因为不同波长的光线，具有不同的能量。只有能量大于禁带宽度的光才能激发电子-空穴对。1.太阳能电池的效率分析65五、太阳能电池的工作原理已产生的电子-空穴对，有一部分将复合还原，对光生电流没有什么作用，这也是光能的一部分损失。太阳能电池在进行能量转换的过程中，主要的损失包括：反射损失、长波损失、短波损失、复合损失、结区损失、电阻损失等。1.太阳能电池的效率分析66五、太阳能电池的工作原理以硅太阳能电池为例，硅对光能的吸收，随不同的光波波长而不同，它对短波的吸收系数较大，对长波的吸收系数则较小。不同波长的光线在硅中的穿透深度也不同，短波在硅的表面被吸收，而长波则可以穿透到硅的深处，甚至可以穿透硅片的厚度。1.太阳能电池的效率分析67五、太阳能电池的工作原理图中光线①表示有一

部分光线在表面被反

射回去。光线②表示在接近电

池表面被吸收的光线，

它们可以产生电子-空穴对，但是这些少数载流子在达到P-N结之前又复合还原，对外不产生光生电压，它们大部分是吸收系数较大的短波光线。1.太阳能电池的效率分析太阳能电池受光照的情况68五、太阳能电池的工作原理光线③表示在P-N结附近被吸收生成电子-空穴对的光线，这些电子-空穴对被P-N结的漂移作用分离而产生光生电压，这是使太阳能电池能够发电的有用光线。1.太阳能电池的效率分析太阳能电池受光照的情况69五、太阳能电池的工作原理光线④表示在电池片深处、离P-N结较远的地方被吸收的光线，也产生电子-空穴对，仅在到达P-N结之前又被复合，不产生光生电压。1.太阳能电池的效率分析太阳能电池受光照的情况70五、太阳能电池的工作原理⑤表示被电池吸收，但是出于能量较小，不能产生电子-空穴对的光线，这部分能量加热太阳能电池，使太阳能电池温度上升。光线⑥表示未被电池吸收而透射过去的光线。1.太阳能电池的效率分析太阳能电池受光照的情况71五、太阳能电池的工作原理可以看出，能够产少光生电压的是光线③，必须尽可能增加它的数量，才能提高太阳能电池的光电转换效率。1.太阳能电池的效率分析太阳能电池受光照的情况72五、太阳能电池的工作原理所谓光电转换效率．是指受光照的单体太阳能电池所产生的最大输出电功率与入射到该电池受光几何平面面积上的全部光的辐射功率的百分比。1.太阳能电池的效率分析太阳能电池受光照的情况73五、太阳能电池的工作原理对于单晶硅太阳能电池，理论上限是27%，目前研究得到的最大值为24