太阳能电池的结构与基本原理

第三章太阳能电池的基本原理本章以单晶硅pn结太阳能电池为例，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。一、太阳能电池的结构和基本工作原理下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。因而光伏效应是半导体电池实现光电转换的理论基础，也是某些光电器件赖以工作的最重要的物理效应。因此，我们将来仔细分析一下pn结的光伏效应。设入射光垂直pn结面。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，而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数载流子的运动。无光照光照激发由于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区的电子穿过p-n结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在p-n结两端形成了光生电动势，这就是p-n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-qV，产生正向电流IF.在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，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。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）。除了上述pn结能产生光生伏特效应外，金属-半导体形成的肖特基势垒层等其它许多结构都能产生光生伏特效应。其电子过程和pn结相类似，都是使适当波长的光照射材料后在半导体的界面或表面产生光生载流子，在势垒区电场的作用下，光生电子和空穴向相反的方向漂移从而互相分离，在器件两端积累产生光生电压。通常的发电系统如火力发电，就是燃烧石油或煤以其燃烧能来加热水，使之变成蒸汽，推动发电机发电；原子能发电则是以核裂变放出的能量代替燃烧石油或煤，而水力发电则是利用水的落差能使发电机旋转而发电。太阳能电池发电的原理是全新的，与传统方法是完全不同，既没有马达旋转部分，也不会排出气体，是清洁无污染的发电方式。太阳能电池的结构单晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。单晶硅太阳能电池通常是以p型Si为衬底，扩散n型杂质，形成如图(a)所示结构。为取出电流，p型衬底的整个下表面涂银并烧结，以形成银电极，接通两电极即能得到电流。玻璃衬底非晶硅太阳能电池是先在玻璃衬底上淀积透明导电薄膜，然后依次用等离子体反应沉积p型、I型和n型三层a-Si，接着再蒸涂金属电极铝，电池电流从透明导电薄膜和电极铝引出。玻璃衬底非晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。不锈钢衬底型太阳能电池是在不锈钢衬底上沉积pin非晶硅层，其上再沉积透明导电薄膜，最后与单晶硅电池一样制备梳状的银收集电极。电池电流从下面的不锈钢和上面的梳状电极引出。不锈钢衬底非晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。二、太阳能电池的输出特性1、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=Is[exp(qV/kT)-1]其中：V是光生电压，Is是反向饱和电流。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=Is[exp(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。２、描述太阳能电池的参数１、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=IL３、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。特性好的太阳能电池就是能获得较大功率输出的太阳能电池，也就是Voc，Isc和FF乘积较大的电池。对于有合适效率的电池，该值应在0.70-0.85范围之内。４、太阳能电池的能量转化效率其中Pin是入射光的能量密度，S为太阳能电池的面积，当S是整个太阳能电池面积时，称为实际转换效率，当S是指电池中的有效发电面积时，叫本征转换效率。表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。即：=（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）x100%=（VopxIop/PinxS）X100%=Voc•Isc•FFPin•S