太阳能电池原理

1、2.2了解太阳能电池片的基本原理，一、本章的教学目的和要求：太阳能电池片的本质、太阳能电池片的发电原理、制造过程。 熟悉影响太阳能电池片转换效率的因素和转换效率的界限。 掌握太阳能电池片的特征残奥仪表，太阳能电池片的等效电路。 二、教学内容和要求：光电效应、光电效应、哑元效应、散粒牛鼻子效应、太阳能电池片发电原理、太阳能电池片特征残奥表、太阳能电池片电路模型、太阳能电池片转换效率影响因素、太阳能电池转换效率极限、太阳能电池制造工艺。 三、教育重点：太阳能电池片特征残奥表、太阳能电池片等效电路、电池能效的影响因素和效率极限。 四、教育难点：太阳能电池片光源、光电效应、光电效应、哑效应、散粒牛鼻子

2、效应，2020/7/10、光电材料、2、2， 2.2.1太阳能电池片的基本原理，光电效应是德意志物理学家赫兹1887年研究麦斯威尔电磁理论时到1905年爱因斯坦利用光量子理论所说的全面光电效应是指光照射到金属材料表面、金属内的自由电子吸收光子能量、脱离金属束缚， 真空中的自由电子脱离了金属束缚的自由电子在外加电压的作用下向金属阳极移动，形成光电流，形成光电效应，太阳能电池片(Solar Cells )是能够将太阳光的放射能直接转换为电能的解老虎钳。 理论上金属光电效应是太阳能电池片的。 在太阳能电池片工业生产中的重要考虑之一是转换效率。 光电效应电池转换效率理论值为1%，实验室仅为0.001%

3、； 晶体硅太阳能电池转换效率的理论值为27%，工业生产产品的转换效率为18%。 光电效应不现实应用，2020/7/10，光伏材料，3，光电效应太阳能电池片不能利用的原因金属中的电子吸收光子能量从费米能级转移到真空能级，吸收能量是必需的3-5ev。 可见光的能量范围为0.4-4ev。 半导体光电效应中电子吸收1-2ev时，从价电子带向传导带的过渡金属光电效应导电的只有电子，半导体光电效应中与导电相关的载流子包含电子和空穴。 由于光电效应光电流远小于光电效应光电流，所以太阳能电池片材料还是半导体、非金属材料。 光电效应主要应用于光电子倍增管。2020/7/1.0、光电材料、4、2020/7/1.0

4、、光电材料、5、光生伏特效应是指，在光照射到半导体的P-N结而产生能够输出的电位差的现象的过程中，电子吸收光子能量而产生电子空穴对，电子空穴对被内置电场分离，电子空穴对移动到端电极光电电流：漂移电流、扩散电流、二、光生伏特效应实质、2020/7/10、光电材料、6、丹佛效应也是光扩散效应。 入射光照射到半导体表面时，光子被吸收，产生电子和空穴。 由于表面电子和空穴浓度的增大，产生向内部扩散的运动，但由于两者的扩散系数不同，在空间中产生电子和空穴相对分离的区域，产生内置电场。 此电场的两端电压为阻尼电压，影响Dember效应的一个原因是散粒牛鼻子效应。 该效果是在电池片的电极制作过程中金属与半导

5、体接触产生的，由于散粒牛鼻子电压远远大于阻尼电压，实际测量的阻尼电压应该是金属-半导体间散粒牛鼻子效应电压。 三、丹伯效应和散粒牛鼻子效应、火力发电系统利用燃烧将水加热为蒸汽、推进发电机发电的水力发电利用水的重力势发电的核裂变发电系统利用核裂变能发电的聚合能发电前景好的光伏发电系统与上述完全不同，电机既没有旋转噪声也没有污染物排放。是清洁长期的发电方式，而且现在已经商业化，2020/7/1.0，光电材料，7，太阳能电池片发电原理，2020/7/1.0，光电材料，8，一，太阳能电池片的基本构造，Ag阳极，Ag阴极，减反射膜n型硅p型硅Al背阴极， 如果太阳光照射到太阳能电池片表面，则光子透过减反

6、射膜，然后照射到n型硅表面，传导带电子吸收光子能量，从而转变为自由电子。 用引线通过负载连接电池片的正负极时，光电流在负载中流动，2020/7/10、光伏材料、9、短路电流(Short Circuit Current ) :经由引线直接连接电池的阴阳极，此时在引线中流动的电流在短路电流即ISC中开路电压此时，电池两端测得的电位差为开路电压，用VOC表示最高输出功率： Pm=VmIm，二，太阳能电池片的特征残奥仪，传统的电池输出电压和输出功率是一定的，但太阳能电池片的输出电压、电流及其功率与光的条件和负载有很大关系，为2020/7/10，光电材料，1.0， I Vm Voc V Im Isc，填

7、充因子(Fill Factor ) :测量太阳能电池片整体性能的重要残奥仪表，表示太阳能电池片能够以最佳负载输出的最大功率特性。 变换效率：2020/7/10，光伏材料，1.1，空间用太阳能电池片变换效率测定标准空气质量为AM0时的光谱分布，入射太阳辐射度为1367W/m2，温度为2.5。 地面用太阳能电池片转换效率的测量标准是大气质量AM1.5时的光谱分布，入射的太阳辐射度为1000W/m2，温度为2.5。 在此条件下，太阳能电池片的输出被定义为太阳能电池片的峰值功率，并且表示为WP (峰功率)。 例如，1m2、转换效率为18%的太阳能电池片在赤道附近输出为180Wp(1000W/m21m2

8、18% )，三、在太阳能电池片电路模型中，在光不照射的情况下，太阳能电池片在电流从p型半导体流向n型半导体的情况下，在P-N结内产生光电流即光产生电流， 其方向上n型半导体指向p型半导体太阳能电池片的电流电压的关系可以表示为： 2020/7/10、光电材料、1.2、 1 )理想太阳能电池片、2020/7/10、光伏材料、1.3、光照射不到的情况下，太阳能电池片为理想二极管短路的状态，短路电流为短路时电流入射光产生光电流的开路状态，开路电压为太阳能电池片的输出功率分别求出最高输出功率功率时的输出电压。、2020/7/10、光电材料、1.4、2 )实际太阳能电池片的等效电路非常复杂，必须考虑P-N

9、结的质量以及实际存在的串联电阻Rs(Series resistance )和并联电阻Rsh(Shunt resistace )。 串联电阻：半导体材料的体电阻、电极和半导体接触电阻、电极金属的电阻并联电阻是由P-N结泄漏引起的，包含由于在电池边缘泄漏和P-N结区域存在结晶缺陷和杂质引起的内部漏电电流(leakage current )在内的实际的太阳能电池片电流电压关系：2020/7/10、光电材料、1.5、光照时，太阳能电池片产生一定的光电电流，其中一部分以P-N结为暗电流流动，另一部分为提供给负载的电流，3 )太阳能电池片等效电路、2020/7/10、光电材料、1.6、太阳能电池片转换效率

10、影响因素，半导体材料都是对应于所决定的禁带宽度的禁带宽度的大小是太阳光谱的某范围的除了材料本身的影响之外，其他影响主要包括光损耗、少数载流子复合、串联、并联电阻、1 )光损耗、减反射膜： SiO2、TiO2和Si3N4中使用Si3N4将反射光损耗从30%降低到10%的表面组织化或使入射光在其表面多次反射，从而实现了太阳能电池片对光的吸收、反射损耗、2020/7/10、光伏材料、1.7、遮光损耗、2020/7/10、光伏材料、1.8、微电极技术是解决该问题的一种方法，第二种方法是将太阳能电池片的正负电极都置于背面的点接触式方法，电池表面的银电极及其金属网格线的存在也将太阳的光截断5-10%， 作

11、为透过光损失的半导体材料的最小厚度是极限，间接的乐队间隙半导体需要比直接的乐队间隙半导体厚的串联型电池：吸收高能量光谱的电池片为上层，吸收低能量光谱的电池片为下层，2020/7/10，光电材料2 )载流子复合损耗、内部复合：对于太阳能电池片材料的内部缺陷，光电子发生复合损耗称为内部复合损耗，应选择适当的掺杂浓度，提高晶体纯度，减少缺陷和杂质。 太阳能电池片工业常用的减少体内复合的技术有吸杂和钝化，吸杂可以有效提高半导体材料的质量，钝化可以减少结晶缺陷对载流子寿命的影响，太阳能电池片是少数载流子工作的去老虎钳，少数载流子在电池内寿命决定电池的转换效率。 载流子复合是体内复合，表面复合和电极内复合

12、，减少2020/7/10、光电材料、2.0、电极区域复合通过提高电极区域的掺杂大头针浓度，降低少数载流子在电极区域的浓度，降低该区域的复合概率，电池半导体材料表面形成电子空穴但不参与导电复合的过程是表面复合硅其效果是去除材料表面的悬挂键，减少载体在表面再结合的概率。2020/7/10、光电材料、2.1、3 )串联并联电阻损耗、太阳能电池片内电阻的存在会产生焦耳热损耗。 串联电阻和漏电流的存在使填充因子FF降低，太阳能电池片的变换效率与FF成比例，因此串联并联电阻影响太阳能电池片的变换效率。 研究表明，大串联电阻和小并联电阻分别降低了Isc和Voc，助长了转换效率的降低。2020/7/10、光伏

13、材料、2.2、极限、1 )当具有短路电流极限、一盏茶能量的光子产生一对电子空穴对时，针对能量低于禁带宽度的光子收集不产生电子空穴对的光子全部。 对于2020/7/10、光伏材料、2.3、硅半导体，满足长波的极限：太阳光的长波的极限与半导体材料的禁带宽度的关系：对于更长的波长，电子空穴对不发生。 短路电流随禁带宽度变小而增加。 在一定的阳光照射下，参与电子空穴产生的光子增多。2020/7/10、光电材料、2.4、2 )开路电压极限、温度一定时，IL最大、IO最小、Voc最大。当IL为最大短路电流，IO为上述残奥仪表选择最佳值时，硅太阳能电池片为最大，2020/7/1.0、光伏材料、2.5、VOC

14、随着禁带宽度的减小而减少，ISC随着禁带宽度的减小，存在太阳能电池片的转换效率最高的最佳禁带宽度，2020/7 光生伏打材料，2.6，3 )填充因子界限，理想情况下，填充因子FF通过开路电压函数开路电压Voc=700mV，界限计算了太阳能电池片转换效率理论界限：单晶硅27%，多晶硅20%，非晶氧化硅15%，砷化镓28.5%。 但是，现在的研究结果是，单晶硅为24%，砷化镓为25%。 在2020/7/10、光伏材料、2.7、4 )极限、太阳能电池片串联并联电阻发生漏电电流、降低短路电流和开路电压的硅半导体中，23%的光电能超过比禁带宽度小的禁带宽度的能量以热的形式浪费，成为43%。 光载波的输出

15、电压只是相当于禁带宽度的电压的一部分，例如硅的输出电压所占，2020/7/10、光伏材料、2.8、5 )温度对太阳能电池片的转换效率的影响，一般来说，随着温度的升高，太阳能电池片的短路电流稍微增加，但其增加幅度比开路电压的减少小半导体材料的禁带宽度随温度升高而出现减少现象，禁带宽度的减少对提高光的吸收是有利的太阳能电池片的转换效率和填充因子，不同的半导体材料的随工作环境温度升高而减少，转换效率随温度的响应不同，即随着温度升高而降低。2020/7/1.0、光电材料、2.9、2020/7/1.0、光电材料、3.0、2020/7/1.0、光电材料、3.1、 2.2.2太阳能电池片分类1 .统一律节太

16、阳能电池片异质节太阳能电池片发射牛鼻子太阳能电池片按结构分类2 .硅太阳能电池片多元化合物薄膜太阳能电池有机化合物太阳能电池敏化纳米晶太阳能电池聚合物多层修饰电极型太阳能电池按材料分类3 .平板太阳能电池聚光太阳能电池分光太阳能电池按工作分类，第一代：单晶硅和多晶硅两种，太阳能电池产品市场约89 第一代太阳能电池片基于硅片，主要以单晶硅、多晶硅为材料。 其中，单晶硅电池转换效率最高，可达1820，但生产成本高。 第二代：薄膜太阳能电池片占太阳能电池片产品市场的9.9%，第二代太阳能电池片基于薄膜技术，主要以非晶氧化硅和氧化物等为材料。 效率比第一代低，转换效率最高的是1.3，但生产成本最低。

17、第三代：铜铟硒(CIS )等化合物薄膜太阳能电池片及薄膜Si系太阳能电池片。 主要处于实验室的生产状态，因其高效、低成本而存在潜在的庞大经济效益。 硅太阳能电池片、硅太阳能电池片可分为单晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池片非晶氧化硅薄膜太阳能电池片。 单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是以高纯度单晶硅棒为原料的太阳能电池片，转换效率高，技术最成熟。 高性能单晶硅电池基于与高质量单晶硅材料相关的热处理工艺。导电玻璃膜切割清洗检测铝电极沉积PN结电容老化检测封装成品检测、硅太阳能电池片、生产技术：硅太阳能电池片、德意志弗赖堡太阳能电池片系统研究所在世界领先水平的电池转换效率超过23%，最大值达23.3。 京瓷公司制造的大面积单晶太阳能电池片的转换效率为19.44%。 由北京牌太阳能研究所研制的平面高效单晶硅电池(2cm2cm )的转换效率达到了19.79%。 由于单晶硅太阳能电池转换效率最高，单晶硅材料的价格和复杂的电池工艺的影响，单晶硅电池的成本很高，很难大幅度降低成本。为了节省高质量