第10章-太阳能电池-1

第十章太阳能电池太阳能电池101引言10.1引言10.2太阳能电池工作原理半导体pn结光伏效应半导体pn结光伏效应光伏参数与材料性质的关系单结太阳能电池的极限效率103硅太阳能电池10.3硅太阳能电池10.4化合物半导体太阳能电池多结太阳能电池多结太阳能电池10.5太阳能电池的发展趋势1101引言10.1引言图10.2In1941,Charpin，FullerandPearsonproducedaSilltBllLb图10.1PVeffectwasdiscoveredbyEdmondBecquerel，Frenchphysicist，图10.1PVeffectwasdiscoveredbyEdmondBecquerel，Frenchphysicist，SicellatBellLabs.q，py，in1839.q，py，in1839.2半导体pn结的光伏效应半导体pn结的光伏效应图10.3半导体pn结的光伏效应是指在光照下半导体pn结两端产生电位差的现象。大多数太阳电池都是基于pn结的光伏效应大多数太阳电池都是基于pn结的光伏效应。3图10.4太阳能电池:光伏电池示意图4太阳能发热其它太阳能发电太阳能发热石油核能天然气水力生物风力太阳能发电煤炭石油生物图10.52000-2100全球各种能源的发展趋势5太阳光辐射太阳光辐射太阳是距地球最近的一颗恒星，其直径约139万公里。太阳辐射的能量来源于太阳核心的热核聚变。4个氢原子聚变成1个氦原子。对于“质子－质子”循环核聚变，反应过程的质量亏损∆m＝4mH－mHe，按照爱因斯坦质能关系∆E=∆mC2(C为光速)计算，相当于25MeV的能量。太阳核心每秒大约有700亿吨氢聚变成氦，每秒释放的能量大约相当于3.9×1026焦耳。太阳表面温度约为5758K。太阳光向四周外空间辐射穿越大约15亿公里(太阳与地球的阳光向四周外空间辐射穿越大约1.5亿公里(太阳与地球的平均距离)后到达地球表面，在地表外层空间太阳光的强度约为1366W/m2。度约为1366W/m。太阳从诞生至今大约已经过了46亿年，估计太阳寿命至少还有50亿年。还有50亿年。6AreassuitableforconcentratorPVAreassuitableforsiliconandthinfilmPV图106全世界资源分布图图10.6全世界资源分布图7图10.7我国的太阳能资源分布颜色辐射等级年辐射量（MJ/m2）日辐射量（KWh/m2）红最好≥6680≥5.1桔红好5850－66804.5–5.1黄一般5000－58503.8–4.5浅蓝较差4200－50003.2–3.8浅蓝较差420050003.23.8深蓝很差42003.28优点太阳能光伏发电的优缺点优点不受地域限制；安全可靠；无噪声无污染；不用水不消耗燃料；无噪声、无污染；不用水，不消耗燃料；不需要架设远距离输电线路；安装简单、方便，建设周期短；、，；分散建设，就地发电；便于分步实施。缺点缺点成本高（每千瓦4万元，带蓄电池4－6万元）；能量密度低（峰值辐射1KW/m2满发电100瓦）；能量密度低（峰值辐射1KW/m，满发电100瓦）；发电时数低（每年满功率1500小时）；不连续，受天气影响，存在储能问题。，，9太阳电池及组件分类按材料分类按结构分类按结构分类按材料分类晶体硅光伏电池及组件非晶硅薄膜光伏电池及按结构分类同质结光伏电池及组件异质结光伏电池及组件按结构分类同质结光伏电池及组件异质结光伏电池及组件伏组件微晶硅薄膜光伏电池及组件异质结光伏电池及组件肖特基结光伏电池及组件复合光电池组件异质结光伏电池及组件肖特基结光伏电池及组件复合光电池组件组件纳晶硅薄膜光伏电池及组件复合结光伏电池及组件液结光伏电池及组件复合结光伏电池及组件液结光伏电池及组件硒光电池化合物太阳电池:硫化镉、硒铟铜碲化镉砷化按用途分类空间光伏电池及组件按用途分类空间光伏电池及组件硒铟铜、碲化镉、砷化镓光伏电池及组件染料电池…….地面光伏电池及组件光伏传感器地面光伏电池及组件光伏传感器10太阳能光伏发电的优缺点优点不受地域限制；安全可靠；无噪声、无污染；不用水，不消耗燃料；不需要架设远距离输电线路不需要架设远距离输电线路；安装简单、方便，建设周期短；分散建设就地发电；便于分步实施分散建设，就地发电；便于分步实施。缺点缺点成本高（每千瓦4万元，带蓄电池4－6万元）；能量密度低（峰值辐射1KW/m2，满发电100瓦）；发电时数低（每年满功率1500小时）；不连续，受天气影响，存在储能问题。11102太阳能电池工作原理10.2太阳能电池工作原理半导体pn结光伏效应半导体pn结的光伏效应是指在光照下半导体pn结两端产生电位差的现象。当光能量大于Eg的光照射到半导体pn结上时，电子跃迁产生电子-空穴对。如果这些光生的电子和空穴扩散到pn结的势垒区则在内建电场的作用下穴扩散到pn结的势垒区，则在内建电场的作用下，电子被扫向n区，空穴被扫向p区，从而在n区形成电子的积累，在p区形成空穴的积累，在pn结，p，p两端产生光电压，p端为正极，n端为负极。在开路的情况下，pn结太阳电池两端的光电压为开，p路电压Voc。在短路的情况下，电池的光电流为短路电流Isc。当有负载时，太阳能电池就会有电功率输出率输出。12pn结中没有光照时在接触势垒的作用下pn结界面附近形图10.8无光照和有光照时的能带图pn结中，没有光照时在接触势垒的作用下pn结界面附近形成了一个势垒区。接触势垒的高度b等于pn结形成之前n区和p区的费米能级之差：（10-1)b=eVbi=EFn−EFp（10-1)式中e为电子电荷，Vbi为pn结的内建电势。电池的能量等于电子和空穴的准费米能级之差：beVbiEFnEFpVEE（10-2)eVoc=EFe−EFh13光电流密度、开路电压和光电转换效率光电流密度Joc：pn结暗电流密度Jd与短路电流密度Jsc之差：（10-3)Joc＝Jd−Jsc＝Jsexp[(eVoc/kT−1)-1]−Jsc（103)式中Js为pn结反向饱和电流密度。短路电流密度Jsc是一个不依赖于电压的常数，pn结上的电压变化只改变Jd的大小不影响光生载流子的收集效率。JocJdJscJsexp[(eVoc/kT1)1]Jsc小，不影响光生载流子的收集效率。开路电压：在开路条件下，Joc等于0，得到：（10-4)scJkTVln（10-4)光电转换效率η：在标准光强下电池的最大输出功率与输入光功率P之比值socJeVln光功率P0之比值：（10-5)FVJ0PFJVFscoc填充因子FF：电池的最大输出功率VmJm与开路电压和短路电流密度乘积之比:（106)mmFVJVJF（10-6)ocscFVJ14图10.9有无光照时太阳能电池的J-V特性曲线图中标明了Jsc、Voc和最大功率点VmJm15图1010太阳光谱AM0：1366.1W/m2，地球大气层外太阳光譜。11000/21图10.10太阳光谱AM1.5D：1000W/m2，穿过1.5倍大气质量的太阳光譜。大气层出现了H2O、O2、CO2等气体的吸收峰。AM1.5G：768.3W/m2，到达地面的太阳光谱。AM1.5G：768.3W/m，到达地面的太阳光谱。通常AM1.5指AM1.5G光谱，温度为25C16光伏电池/组件的标准测试条件太阳光强度：•地面(标准测试)条件：1个大气压，25℃，1KW/m2，或者100mW/cm2太空条件136W/2或者•太空条件下：136mW/cm2或者1.36KW/m217光伏参数与材料性质的关系太阳电池的光伏参数依赖带隙宽度、杂质浓度、载流子迁移率和少子寿命等。电池的短路电流密度J的上限：电池的短路电流密度Jsc的上限：（10-7)dxdQNeJgphLscNph为光子流密度，Q为光生电子-空穴对的几率，L为电池的厚度，λg为Eg对应的波长。电池的短路电流密度Jsc可以表示为：00，ggsc（10-8)gdQNWLLeJphhesc)(（10-9)0ch241Le＝(Dee)/2，Lh=(Dhh)/2（10-10)可见短路电流J与少子扩散长度少子寿命等都密切相关gggEEceh24.1可见短路电流Jsc与少子扩散长度、少子寿命等都密切相关。18电池的开路电压Voc密切依赖于Jsc/Js的比值，反向饱和电流ocscs密度Js主要由pn结两侧少子扩散长度范围内少子的复合率(/e和/h)决定：pn000pn0np（10-11)其中和分别为p区的电子浓度和n区的空穴浓度和0n0nphhneepsLpeLneJ其中和分别为p区的电子浓度和n区的空穴浓度,e和h为p区的电子寿命和n区的空穴寿命。通常，太阳电池采用n+p或p+n结构，例如在p型硅(掺杂浓度NA)衬底上扩散磷pnnp形成n+p结，此时反向饱和电流密度近似表示为：（10-12))exp(20EeLJges（)由此可见，Js和Voc在很大程度上取决于Eg，同时与少子寿命密切相关少子寿命依赖于太阳能电池中的各种复合机制)exp(1020kTxNJAes密切相关。少子寿命依赖于太阳能电池中的各种复合机制，如辐射复合、俄歇复合、通过复合中心的复合(Shockley-Read-Hall复合)等；同时，陷阱效应对少子寿命也起着重)；，要的作用。19太阳电池的极限效率太阳电池的极限效率受热力学第二定律限制，太阳电池极限效率η应为：，η（10-13)saTT1其中Ts和Ta分别为太阳表面光球温度和电池表面温度。令Ts＝6000K，Ta＝300K，得到η＝95.0％，即所谓Carnot(卡诺)效率。sT(卡诺)效率。考虑到太阳电池表面存在热辐射，得到太阳电池的极限效率为:4（10-14)31341sasaTTTT利用Ts和Ta同样的数据，得到η＝93.3％，即所谓Andsberg效率或技术极限效率。20太阳能电池由材料带隙宽度Eg决定的极限效率。开路电压Voc必须小于pn结的内建电势，它们还要小于带隙宽度Eg，即eVoc≤eVbi≤Eg，而由（10-6)式决定Jsc/e。如果光生电子-空穴对的几率小于1，则光生电子-空穴对的数目小于能量大于Eg的所有光子数Nph(Eg)。带隙为Eg的材料的电池极限效率为：（10-15)0max)(IENEgphg在AM0光谱下此极限效率对应的材料带隙宽度为1.07eV。对于AM15光谱而言此极限效率在10-14eV范围存在两个0于AM1.5光谱而言，此极限效率在1.0-1.4eV范围存在两个峰值，1.13eV和1.33eV，而且前者相应的峰值略大。21图10.11AM0和AM1.5光谱下带隙定的太电池极效率带隙限定的太阳电池极限效率电池极限效率存在一个极大值。存在一个最佳带隙宽度，使电池极限效率达到最大。在AM0和AM1.5光谱下，由使电池极限效率达到最大。在AM0和AM1.5光谱下，由电池材料带隙限制的极限效率分别为43.7％和49.1%。22异质半导体电池的Eg、电子亲合势χ、有效态密度NC和NV、异质半导体电池的Eg、电子亲合势χ、有效态密度NC和NV、电导率等都是位置x的函数。光照下异质结内的静电场E0发生变化，开路条件下将电场差E－E0对整个结构积分，得出开路电压：得出开路电压：(1016)(10.16)∆n和∆p为光生电子和空穴的浓度，(en∆n＋ep∆p)/为光电导在总电导中所占的比例异质结半导体电池结构的电导在总电导中所占的比例。异质结半导体电池结构的Voc包括三部分：1，第一项为pn结内建静电场的贡献。2，第二项为材料组分变化即有效力场的贡献。3第三项为扩散电势差或丹倍(Dember)电势的贡献3，第三项为扩散电势差或丹倍(Dember)电势的贡献。23能量转换效率的热动力学限能量转换效率的热动力学限cT1%953001hCarnotT1%9559001ThQ1(10.17)