可再生能源概论左然第四章-太阳电池

第四章太阳电池4.1太阳电池的原理、发展和现状1)太阳光子打到半导体表面，能量大于禁带宽度的，打出电子空穴对。2)由于P-N结具有由N指向P的内建电场，电子和空穴分别向相反方向移动，在两侧电极积累。3)当与外负载连接时，电子将从N型外侧流出，经过负载返回到P型外侧，与P侧的空穴重新结合，同时对外输出电功。太阳电池工作原理太阳电池的发展历史1839年，法国物理学家贝克勒尔（E.Becquerel）在湿电池实验中发现光伏效应。但效率不足1%。1953年，美国贝尔实验室的皮尔逊(G.Pearson)、查平(D.Chapin)、富勒(C.Fuller)利用掺杂半导体硅晶片，得到比以前高得多的光电转换效率。1958年，美国第二颗卫星“先锋1号”首次采用太阳电池，为蓄电池充电，在太空连续工作8年。1977年，前苏联首次将GaAs太阳电池用在人造卫星上。我国1958年开始研制太阳电池，于1971年将封装有20多块单晶硅太阳电池的组合板用在我国第二颗人造卫星上。硅太阳电池的三位发明人、美国贝尔实验室的皮尔逊、查平和富勒（Pearson,Chapin,Fuller）在测量早期太阳电池的光响应。太阳电池的现状光伏发电产品主要用于三个方面：为无电场合提供电源，如边远地区的农牧民家庭、高山或海岛的部队、微波中继站等；太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯、太阳能草坪灯等；并网发电，这在发达国家己经大面积推广实施。国际市场上太阳电池价格(2004)：3美元/瓦，并网系统价格为6美元/瓦发电成本为25美分/千瓦时。现有太阳电池的成本约是煤电成本的5至8倍。据估算，如果太阳光伏发电的成本能够下降到10美分/千瓦时，就将有巨大的经济效益！单电池片、模块、阵列4.2光吸收与载流子产生每种半导体都有特定的禁带宽度Eg，即形成一个电子空穴对所需的最小能量。当hνEg的光子打到P-N结附近，能产生一个而且仅仅是一个电子空穴对（产生过程），多余的热量将转为晶格的振动，以热的形式散发掉。产生的电子和空穴最终将重新结合（复合过程），以光、电或热的形式释放出吸收的能量。当hνEg，即当波长λhC/Eg时，光子原则上不会被半导体吸收，而将透射。hνEg时光子的吸收示意图：（a）吸收光子后产生电子-空穴对（产生）；（b）受激发的电子通过散射将多余的能量释放给晶格；（c）电子与价带中的空穴重新结合（复合）。光子打到半导体表面，不会立即被吸收，而是进入内部一段距离。光通量F（光子数/s-cm2）随移动距离x呈指数减少：F(0)为表面（x=0）的光通量，α为吸收系数，它是材料的禁带宽度和入射光能量（或波长）的函数。光子进入半导体内部（与表面距离x）的吸收率（即单位体积载流子的产生率）为：x-F(0)eF(x)-xg(x)F(0)edFdx对于间接带隙半导体Si，当样品厚度δ100μm时，不能吸收hνEg的全部光子；对于直接带隙半导体GaAs，样品只要1μm厚度就可以。显然，直接带隙比间接带隙更适合用作太阳电池。Si和GaAs分别是间接带隙和直接带隙半导体的代表。光吸收系数与光能量的函数关系由于只有超过带隙能量(即波长小于带隙波长)的光子才能产生电子/空穴对，长波长的光将透过半导体。由于每个光子只能打出一个电子-空穴对，超过带隙的多余能量只是使太阳电池变热。常用半导体材料的带隙与对应的光谱光伏效应原理光伏效应的三个主要步骤：（1）入射光子被P-N结附近的电子吸收，产生非平衡的电子-空穴对；（2）非平衡的电子和空穴从产生处向势场区运动，这种运动可以是由于多子的浓度扩散，也可以是由于P-N结两侧准中性区的微弱电场引起的少子漂移；（3）非平衡的电子和空穴在势场作用下分离，向相反方向运动。光伏效应的能带解释：(a)光伏效应原理图；（b）无光照时（平衡时）的能带；（c）有光照但开路时的能带。光照下的电流和电压当能量为hνEg的光子打到P-N结上时，产生额外的电子—空穴对。将这些光产生载流子收集，产生的电流为：:激发光的产生速率：电子、空穴扩散长度q：电子电荷由于方程所描绘的光电流在P-N结内部由N流向P，当它与二极管方程所描绘的电流迭加时，须从总电流中减去。于是在光照下的二极管的I-V特性关系为：：电子、空穴的寿命opg()opopPNIqAgLL/(1)()qVkTNPNPopPNPNLLIqApneqAgLLNPLL,NP,如图可见:I-V曲线与载流子的产生率gop成比例下降P-N结在光照下的载流子产生：（a）P-N结的光吸收；(b)在N侧距离结为一个扩散长度内的光产生导致的空穴电流；(c)光照下的I-V特性。总电流由两部分相减组成：由通常的二极管方程所描绘的电流项，又称为暗电流Id，减去光生载流子所产生的电流项，又称为光电流Iop或短路电流Isc。即：暗电流p区少数载流子（空穴）浓度n区少数载流子（电子）浓度光电流:PndopIII/(1)qVkTNPdNPPNLLIqApne()opscopPNIIqAgLL:Np当电池开路时，I=0。从方程中可解出开路电压V=Voc为对于特殊的对称结的情况，有pN=nP，τN=τP。方程可以简化为热产生率pN/τN=gth和光产生率gop的表达式：：热激发的产生速率ln1(/)(/)PNocopPPNNNPLLkTVgqLpLnlnopocopththgkTVggqg当thg太阳电池的I-V特性太阳电池工作时存在四种不同的情况：一、无光照时的情况：此时，由内建电场产生的平衡电势差为:其中ni为本征浓度，Nd为施主浓度，Na为受主浓度，q为电子电荷02lndaiNNkTVqn在正向偏压Vd的作用下，通过结的正向电流Id为Vd:正偏压；γ:二极管的曲线因子，反映了P-N结的结构完整性对性能的影响，1γ2；Id:正偏压时的二极管电流，即暗电流；Io:二极管反向饱和电流。二、有光照，但正负电极开路：开路电压：Isc是太阳电池的短路电流。可看出，降低饱和电流Io可以提高开路电压Voc。/0()(1)dqVkTdIVIe0ln(1)scocIkTVqI三、有光照，但正负电极短路假如在这一光谱段中，每平方厘米每秒的入射光子数是，则载流子产生率g[cm-3﹒s-1]为式中R为太阳电池表面的反射率，通常情况下它是的函数。在内建电场作用下漂移过结，产生三种短路光电流（电流密度）：。于是总的短路光电流是三者之和，即有在电池设计中，通常引进一个与短路电流有关的光谱响应系数SR(λ)，,,npdrJJJscnpdrJJJJ()(1)scJSRqFR()(1)xgxFRe显然，太阳电池的短路电流Jsc与光谱响应系数SR以及入射的光子数F（1-R）成正比。太阳电池的总短路电流是全部光谱段贡献的总和，即:总收集效率为:其中为最大可利用的短路电流。一般来讲，太阳电池能收集最大可利用电流的60﹪－90﹪。()1()()sciiiiJqFRSR()extsciiJqF()iiqF太阳电池的工作特性与功率输出理想的太阳电池正常工作时，可以用一个电流为Isc的恒流电源与一个正向二极管（P-N结）并联的等效电路来代表，如（a）所示；而实际的太阳电池存在着自身的串联电阻RS和旁路电阻RP，它使输出的I-V特性发生改变，如（b）所示。太阳电池的等效电路：(a)理想等效电路；(b)实际等效电路。在有光照时，同时存在着由光照引起的短路电流Isc和由P-N结两端的负载电压引起的暗电流Id，它们的流动方向恰恰相反。因此，太阳电池的输出电流（此处只考虑大小）是短路电流和暗电流之差，即上式为理想太阳电池的I-V输出特性。/0()(1)qVkTscIVIIe太阳电池的暗电流、短路电流和光电流左图即为理想太阳电池的I-V曲线太阳电池的输出功率为为找出最大功率时的Im和Vm，需解出关于Vm的超越方程Vm取决于，一般Vm=(75－90﹪)Voc，Im=(85－97﹪)ISC。/0()(1)qVkToutscPVIVIVe01/ln1/scmmIIkTVqqVkT/ocqVkT图示出一个典型的光电二极管的I-V曲线和负载线（实际均在第IV象限），图中带剖面线的矩形面积即为最大输出功率Pmax。显然，太阳电池要求输出电流尽可能接近Isc，输出电压尽可能接近Voc。乘积Voc×Isc代表了太阳电池的极限输出功率。定义一个填充因子FF：即最大输出功率与极限输出功率之比，它恰好是I－V曲线下两块矩形面积（Vm×Im与Voc×Isc）之比。于是最大输出功率可以表示为Pmax=Voc×Isc×FFFF是或ln[(Isc/Io)+1]的函数。mmscocIVFFIV/ocqVkT左图为光电二极管的I-V曲线和负载线实际的太阳电池存在着自身的串联电阻RS和旁路电阻RP，它使输出的I-V特性发生改变。其中串联电阻RS是上下电极与P-N结之间的接触电阻和电池的体电阻的总和，旁路电阻Rp是由于表面漏电流引起。串联电阻增大导致太阳电池的短路电流和填充因子降低，旁路电阻减小会使填充因子和开路电压降低，但对短路电流没有影响。考虑到串联电阻Rs和旁路电阻Rp的实际的I-V特性公式为/0()(1)qVkTSscPVIRIVIIeR太阳电池的转换效率太阳电池的转换效率为太阳电池的最大输出功率与照射到电池的太阳辐射功率的比值，即式中Pin为太阳辐射功率[W/m2]。目前单晶硅太阳电池的效率介于12－20%之间，这由电池的设计和电池材料的参数决定。下图从能带的角度描述了太阳电池工作时的主要能量损失。maxocscininPVIFFPP太阳电池工作时的能量损失：（1）能量小于禁带宽度的光子不吸收；（2）能量大于禁带宽度的光子通过晶格热振动损失；（3）和（4）结电压和接触电压损失；（5）光子复合损失。影响转换效率的主要因素能带间隙Eg能带间隙Eg的增大使得能产生光生载流子的光子数减少，导致短路电流Isc的减少。但另一方面，开路电压Voc随Eg的增大而增大。因此，带隙对转换效率的影响是双向的。温度T从下图也可看出，随着温度T的增加，效率η下降。这是由于温度上升，载流子的寿命缩短，导致Isc和Voc均有所下降。对于Si，dVoc/dT＝–2mV∕℃。温度每增加1℃，Voc下降其室温值的大约0.4﹪，η也降低约同样的百分数。例如一个Si太阳电池在20℃时效率为20﹪，当温度升为120℃时，效率仅为12﹪。又如GaAs，温度每升高1℃，Voc降低1.7mV或降低0.2﹪。这些计算值与测量值相当一致。如何减少温度对太阳电池转换效率的影响，仍是一个困难的问题。左图：理论太阳电池转换效率与半导体禁带宽度和温度的关系（设理想的均质电池，无表面复合，收集效率为1，掺杂浓度为1017cm-3，AM1太阳辐射）光强为提高电池效率，可以利用太阳光在太阳电池上聚焦，它可使一个小的太阳电池产生较大的电能输出。聚光的结果也使转换效率提高。但是聚光也造成电池温度升高，使载流子的复合寿命缩短。掺杂浓度增加基区的掺杂浓度是减小饱和电流的主要途径。此外，在一定范围内，掺杂浓度愈高，Voc就愈高。因此采用重掺杂有利于转换效率的提高。当掺杂浓度从电池表面向结的方向不均匀降低时，在电池内产生附加电场。这种不均匀掺杂有利于光生载流子的收集，从而提高了转换效率。表面复合速率低的表面复合速率有助于提高Isc，并由于Io的减小而使Voc改善。通常采用以下几种方法降低表面复合速率：1.在减反射膜与表面N层（或P层）之间加钝化层，使表面缺陷结构钝化，从而减少载流子的复合中心2.控制杂质浓度，从而减少复合中心3.在电池底层采用重掺杂形成背表面场（BSF），可以加速载流子的输运，减少复合损失接触电极与串联电阻在一个实际的太