太阳能电池各参数的含义..

丝印工艺汇总知识只是知识，知识再多也不是智慧智慧就是你的心境和态度。————周公庆太阳电池原理目前绝大部分的电池片的基本成分是硅,在拉棒铸锭时均匀的掺入了B(硼),B原子最外层有三个电子,掺B的硅含有大量空穴,所以太阳能电池基片中的多数载流子是空穴,少数载流子是自由电子,是P型半导体.在扩散工序扩入大量的P(磷)原子,P原子最外层有五个电子,掺入大量P的基片由P型半导体变为N型导电体,多数载流子为电子,少数载流子为空穴.太阳电池原理----基本原理漂移中和1，在P型区域和N型区域的交接区域,多数载流子相互吸引,漂移中和,最终在交接区域形成一个空间电荷区（即内建电场区）.在内建电场区电场方向是由N区指向P区.N型半导体P型半导体太阳电池原理----基本原理空间电荷区2，当入射光照射到电池片时,能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中,在N区、耗尽区、P区激发出光生电子空穴对.光生电子空穴对在耗尽区中产生后,立即被内建电场分离,光生电子被进入N区,光生空穴则被推进P区.光生电子空穴对在N区产生以后,光生空穴便向PN结边界扩散,一旦到达PN结边界,便立即受到内建电场作用,被电场力牵引做漂移运动,越过耗尽区进入P区,光生电子(多子)则被留在N区.P区中的光生电子(少子)同样的先因为扩散,后因为漂移而进入N区,光生空穴(多子)则留在P区.在PN结的两侧形成了正负电荷的积累,产生了光生电压,这就是“光生伏特效应”.N区P区内建电场电子空穴对电子空穴对电子空穴对大量正电荷大量负电荷太阳电池原理----原理图Ebip区n区P+区2μm正电极Voc0.2μm180~200μm3~6μmlhle长波短波中波正电荷电子背场太阳电池原理电池片厚度一般为180~200μm.电子空穴对EHP扩散距离le=(Deτe)1/2其中De为扩散系数.n侧少子为空穴,扩散长度很短,再由于n侧是重扩散杂质,所以少子寿命非常短,因此n侧做得很薄(0.2μm),事实上,n侧的厚度ln可能少于空穴的扩散长度lh.表面位置由于存在各种缺陷成为复合中心.短波光会在表面被吸收,产生电子空穴对,这些非常接近n侧表面的光生电子和空穴对很快就消失掉,这就是短波光量子效率很低的原因.在波长约为1至1.2μm的光,硅材料对其吸收的系数很小α很小,吸收深度(1/α)通常会大于100μm。为了俘获这些长波光子,我们需要相当厚的p侧材料，同时这种材料又必须是无缺陷的,使它有足够长的少数载流子扩散长度le.通常p侧材料厚度为200μm.而少数载流子扩散长度le会少于这个长度.硅材料的带隙Eg约为1.1ev.太阳电池原理----光电流Isc充足的太阳光照射到晶体硅太阳能电池时，电池片的整个厚度内都会产生光生载流子,其电子空穴对的产生率Gp(即单位时间单位体积内产生的电子空穴对数目),以Goexp(-αx)衰减。（其中Go是电子空穴对在表面时的产生率,α是材料吸收系数.）假定1,太阳电池厚度很薄,使所有的光生载流子都能流经外电路.假定2,lh是大于n侧厚度ln,所以,在体积(ln+w+le)内产生的全部电子空穴对都贡献给光电流.假定3,在材料表面的光生载流子的复合可以被忽略.其表面积A=5cm×5cm,ln=0.2μm,W=2μm,le=50μm,Go=1×1018cm-3s-1enoenosclWlAqGlWlAqGI]exp[1太阳电池原理不同波长的光所产生的Isc1，对于光波长λ≈1.1μm，α=2000m-1（吸收深度δ=1/α=500μm）,求得Isc=20mA.2，对于强吸收的光波长λ≈0.83μm，α=10×105m-1（吸收深度δ=1/α=10μm）,求得Isc=40mA.3，α随着光波长的缩短而增大,最后(当λ‹450nm)由于α非常大，会使光生载流子只发生在电池片表面，而电池片的表面区的缺陷很容易使电子空穴对被复合掉，从而使光电流反而减小。太阳电池测试原理----光电流密度和光电压1，光电流密度光生载流子的定向运动形成光电流.如果入射到电池的光子中,能量大于禁带宽度Eg的光子均能被电池吸收,而激发出数量相同的光生电子空穴对,且可以被全部收集,则光生电流密度的最大值为:gphLEqNJmax式中为每秒入射到电池上能量大于的光子数.考虑光的发射,材料吸收,电池厚度及光生载流子的实际生产率后,光电流密度可以表示为:gphENgEddxeaRQqJHxaL001ddxxqGHL00)(xaLeaRQG1式中,为入射到电池上波长为,带宽为的光子数,Q为量子产额，及一个能量大于Eg的光子产生一对光生载流子的几率，通常情况下可以令Q=1，为和波长有关的发射因数,为对应波长的吸收系数,为距电池表面x处厚度为dx的薄层,H为电池总厚度,表示x处的光生载流子的产生率.dRadx)(xGL太阳电池测试原理----光电流和光电压这个表达式认为，凡是在电池中产生的光生载流子均可以对光电流有贡献，因而是光电流的理想值，见太阳电池原理----原理图。类似PN结正偏，在单位面积的太阳电池中把JL(λ)看为各区贡献的光电流密度之和JL=Jn(λ)+Jc(λ)+Jp(λ)其中，Jn(λ)、Jc(λ)、Jp(λ)分别表示n区、耗尽区、p区贡献的光电流密度.在考虑各种产生和复合后,即可以求出每一区中光生载流子的总数和分布,从而求出电流密度.先考虑Jn和Jp,根据肖克莱关于pn结的理论,假设太阳电池原理----原理图中电池满足:•光照时太阳电池各区均满足pnni2,即满足小注入条件•耗尽区宽度W扩散长度Lp,并满足耗尽近似•基区少子扩散长度Lp电池厚度H,结平面为无限大,不考虑周界影响•各区杂质均已电离太阳电池测试原理----光电流和光电压于是可列出一维情况下,描述太阳电池工作状态的基本方程:对n区:)62........(........................................1)52.....(........................................dxdJqUGdtdpdxdpqDpqJpnLnnpnnpp对p区:)92(..............................).........()82.......(........................................1)72.....(........................................0npNNqdxddxdJqUGdtdndxdnqDnqJADrnpLppnppnn•方程(2-5)称为电流密度方程,它表示n区中的空穴决定的电流密度等于空穴的漂移分量与扩散分量的代数和.•方程(2-6)称为连续性方程.它表示在单位时间单位体积的半导体中,空穴浓度的变化量等于净产生率(产生率减复合率)与空穴流密度梯度的代数和.其中末项前的负号分别表示扩散流动方向和空穴浓度梯度方向及电流密度方向均相反.•方程(2-7)(2-8)分别为p区中自由电子决定的电流密度方程和连续性•方程（2-9）称为泊松方程，表示半导体中电势的空间分布和空间电荷的关系太阳电池测试原理----光电流和光电压受到照明的太阳电池被短路时,pn结处于零偏压,这时短路电流密度等于光电流密度,而正比于入射光强,即：phLSCNJJ太阳电池测试原理----光电流和光电压2,光电压由于光照而在电池两端出现的电压称为光电压.它像外加于pn结的正偏一样,与内建电场方向相反,这光电压减低了势垒的高度,而且使耗尽区变薄.太阳电池开路状态的光电压称为开路电压UOC光电压.在开路状态下,有光照时,内建电场所分离的光生载流子形成由n区指向p区的光电流JL,而太阳电池两端出现的光电压即开路电压UOC却产生由p区指向n区的正向结电流JD.在稳定光照时,光电流恰好正和正向结电流相等(JL=JD).pn结的正向电流可由下式得出:于是有两边取对数整理后,当A→1,得,在AM1条件下,,所以)1(0AKTqVDeJJ)1(0AKTqVLeJJ1ln0JJqAKTULOC10JJL)132.......(..................................................ln0JJqAKTULOC太阳电池测试原理----光电流和光电压显然,UOC随JL的增加而增加,随J0的增加而减少.似乎UOC也随着曲线理想因子A的增加而增加,实际上A因子的增加,也是与的J0增加有关,所以总的来说,A因子大的电池片UOC不会大.在略去产生电流影响时,反向饱和电流密度为:因为所以:其中UD为最大pn结电压,等于pn结势垒高度,将(2-15)代入(2-13),当A=1时,可得在低温和高光强时,UOC接近UD,UD越高UOC越大,因为所以pn结两边掺杂度越大,开路电压也越大.pDipnAinLNnqDLNnqDJ220KTqVDAiDeNNn2)152......()(000KTqUKTqUpApnDnDDeJeLNqDLNqDJpApnDnLNqDLNqDJ00LDOCJJqKTUU00ln2lniADDnNNqKTU太阳电池测试原理----模拟电路图(等效电路图)RsILIDIshRLCJU当受到光照的太阳电池接上负载时,光生电流流经负载,并在负载两端产生端压,这时可以使用一个等效电路来描述太阳电池的工作情况.把太阳电池看成稳定产生光电流的电流源(假设光源稳定),与之并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻Rsh.Rsh)172......()()1()(0shLSAKTIRUqLshDLRRRIeIIIIIIS等效电路图IRUI负载电流负载电压太阳电池测试原理----模拟电路图(等效电路图)上式不能写成I=f(U)形式,只能写成I=f(U,I)的形式,因为这是一个超越函数.IL光生电流T太阳电池pn结的绝对温度I0反向饱和电流(暗电流)q单位电荷量A二极管因子K普朗克常量Rs/Rsh太阳电池的串连/并联I太阳电池的输出电流U太阳电池的输出电压当负载RL从0变化到无穷的时候,就可以根据上式画出太阳电池的负载特性曲线.曲线上的每一点称为工作点.工作点和原点的连线称为负载线.斜率为,工作点的横坐标和纵坐标即为相应的工作电压和工作电流.若改变负载电阻RL到达某一特定值Rm,此时,在曲线上得到一个点M,对应的工作电流与工作电压之积最大(Pm=ImUm).我们就称这点M为该太阳电池的最大功率点,其中,Im为最佳工作电流,Um为最佳工作电压.Rm为最佳负载电阻.Pm为最大输出功率.如下图所示:LR1太阳电池测试原理----模拟电路图(等效电路图)ISCImPmUm0△U△U△I△IIUUOCIURshIURsmRK1太阳电池测试原理----参数的测量及计算当负载RL连续变化时,经过测量得到一系列I-V数据,由此可以做出如太阳电池测试原理----模拟电路图(等效电路图)的太阳电池的伏安特性曲线,同时计算出一些重要的参数,这些参数主要包括:开路电压UOC，短路电流ISC，最佳工作电压Um，最佳工作电流Im，最大功率Pm，填充因子FF，串联电阻Rs，并联电阻Rsh和电池效率η.1,开路电压UOC,短路电流ISC的计算从图上可知,测量得到的曲线与V,I两轴的交点,及UOC,ISC.2,Um，Im，Pm的计算一般情况下,直接求Pm会有一些麻烦.所以可以在计算机上按照步长,求得每一点的P=UI,然后直接取其中的最大值就是Pm了,该点所对应的电压和电流也就是最佳工作电压Um,最佳工作电流Im3,填充因子FF的计算4,并联电阻Rsh和串联电阻Rs的近似解法由太阳电池测试原理--