太阳能光伏发电应用技术3晶体硅太阳能电池基本原理

3.1太阳的电池的分类太阳电池是将太阳辐射直接转化成电能的一种器件。3.1.1按照基体材料分类：•硅太阳电池，包括：单晶硅、多晶硅、非晶硅、微晶硅太阳电池1.单晶硅（SingleCrystaline-Si)太阳电池性能稳定、转换效率高（17%~22%）。成本较高（1998年后被多晶硅超过）发展方向：超薄、高效2.多晶硅（Polycrystaline-Si)太阳电池硅锭切片即可，成本低。效率（16%~19%)。市场占有率高。3.非晶硅(Amorphous-Si)太阳电池厚度不到1微米，不足晶体硅的1/10，节约材料，降低了成本制作时能耗小，单片面积大吸收系数大、与太阳光谱匹配易于与建筑一体化效率低（6%~10%）3.1太阳的电池的分类3.1太阳的电池的分类4.微晶硅(μc-Si)太阳电池厚度低2~3μm,效率10%以上。微晶硅与非晶硅叠层效率已达到14%以上。努力方向：制备非晶硅含量很少的微晶硅薄膜•化合物太阳电池，包括：砷化镓电池；硫化镉电池；碲化镉电池；硒铟铜电池等1.单晶化合物太阳电池砷化镓电池，转换效率已超过40%。应用于外层空间。价格昂贵，砷为有毒元素，极少在地面应用。2.多晶化合物太阳电池•有机半导体太阳电池、染料敏化(Dye-sensitized)太阳电池3.1太阳的电池的分类3.1太阳的电池的分类3.1太阳的电池的分类3.1太阳的电池的分类3.1.2按照结构分类1.同质结太阳电池由同一种半导体材料所形成的P-N结为同质结，由此构成同质结太阳能电池2.异质结太阳电池由禁带宽度不同的半导体材料形成的结为异质结。3.肖特基结太阳电池利用金属-半导体界面上的肖特基势垒而构成的太阳电池，简称MS电池。目前有金属-氧化物-半导体MOS、金属-绝缘体-半导体MIS等4.复合结太阳电池有两个或多个P-N结形成的太阳电池，有垂直多结和水平多结之分。效率已高达31%3.1太阳的电池的分类3.1.3按照用途分类：1.空间太阳电池3.1太阳的电池的分类2.地面太阳电池3.2太阳电池的工作原理通常应用的太阳能电池是一种将光能转化为电能的半导体器件。基本构造是由半导体的P-N结组成。3.2.1半导体自然界中具有大量能自由移动的带电粒子，容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。例如铜的电导率106/(Ω·cm)有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。例如石英的电导率10-16/(Ω·cm)另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。其电导率在10-4-104/(Ω·cm)现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi3.2太阳电池的工作原理硅原子的外层电子壳层中有4个电子。在太阳辐照时，会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。电子带负电；空穴带正电。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。硅的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子3.2太阳电池的工作原理3.2.2能带结构EnergyAtomicDistanceSPSPEgEvEcSPSi4+EnergyIsolatedAtomSemiconductorCrystal3.2太阳电池的工作原理费米能级：在低温下，晶体的某一个能级以下的所有可能状态都将被2个电子占据。随着温度的升高，一些电子得到超过费米能级的能量，考虑到泡利不相容原理，任何给定能级的占有概率为：/11FEEkTfEe3.2太阳电池的工作原理3.2.3本征半导体、掺杂半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子3.2太阳电池的工作原理在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。3.2.4P型和N型半导体1.N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。N型半导体中的载流子是什么？掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。3.2太阳电池的工作原理+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子3.2太阳电池的工作原理2.P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴P型半导体硼原子3.2太阳电池的工作原理3.2.5P-N结杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体3.2太阳电池的工作原理在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动3.2太阳电池的工作原理扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。3.2太阳电池的工作原理漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。3.2太阳电池的工作原理空间电荷区N型区P型区电位VV03.2太阳电池的工作原理1、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P中的电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。请注意接触电势差为：dlnlnnPpnnpkTkTVqnqp3.2太阳电池的工作原理3.2太阳电池的工作原理3.2.6光生伏特效应当太阳光（或其他光）照射到太阳电池上时，电池吸收光能，能量大于禁带宽度的光子，穿过减反射膜进入硅中，激发出光生电子–孔穴对，并立即被内建电场分离，光生电子被送进n区，光生孔穴则被推进p区，这样在内建电场的作用下，光生电子-孔穴对被分离，在光电池两端出现异号电荷的积累，即产生了“光生电压”，这就是“光生伏打效应”（简称光伏，1839年19岁的法国贝克勒尔发现）。在内建电场的两侧引出电极并接上负载，在负载中就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。3.2太阳电池的工作原理3.2.7太阳电池的基本工作原理3.2太阳电池的工作原理3.2太阳电池的工作原理光电转换的物理过程：1.光子被吸收，使P-N结的两边产生电子-空穴对。2.在离开P-N结一个扩散长度以内产生的电子-空穴通过扩散达到空间电荷区。3.电子、空穴被分离，P侧的电子从高电位滑落至N侧，空穴向相反的方向运动。4.若P-N结是开路的，则在结两端积累的电子和空穴产生开路电压，若有负载接入，则会在电路中产生传导电流。3.2太阳电池的工作原理3.2.8晶体硅太阳电池的结构太阳电池一般制成p+/n型结构或n+/p型结构，其中第一个符号，即p+和n+表示太阳电池正面光照半导体材料的导电类型；第二个符号，即n和p表示太阳电池背面衬底半导体材料的导电类型。3.2太阳电池的工作原理下图为在p型半导体材料上扩散磷元素，形成n+/p型结构的太阳电池。上表面为负极；下表面为正极。3.3太阳能电池的电学特性3.3.1标准测试条件•光源辐照度：1000W/m2；•测试温度：25±20C；•AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。AM1.5太阳光谱分布3.3太阳能电池的电学特性3.3.2太阳电池等效电路左图为理想的太阳能电池等效电路相当于一个电流为Iph的恒流源与一正向二极管并联，流过二极管的正向电流称为暗电流ID.左下图为实际的太阳能电池等效电路Rsh为旁路电阻（电池表面的漏电流，位错和晶粒间和晶体缺陷形成的桥路产生的漏电流），Rs为串联电阻（各种接触面的电阻）()/shsshIUIRRphDshIIII可得：(1/)/sshphshDIRRIURIphIDIURIphIDIURIshRshIsR通常，暗电流为注入电流、复合电流以及隧道电流之和，一般可忽略隧道电流。加在P-N结上的电压jsUUIR3.3太阳能电池的电学特性暗电流ID是注入电流和复合电流之和，可以简化为单指数形式：其中：Io为太阳电池在无光照时的饱和电流；A0为结构因子，它反映了p-n结的结构完整性对性能的影响；k是玻尔兹曼常数。0/()0[1]jqUAkTDIIe由此得出：0(U)/0(1)sqIRAkTsphDshphshUIRIIIIIIeR这就是光照情况下太阳电池的电流与电压的关系。画成图形，即为(I-V)特性曲线。在理想情况下：Rsh→∞，Rs→0。由此得到：0/0[1]jqUAkTphDphIIIIIe在负载短路时，即Uj=0(忽略串联电阻)，便得到短路电流，其值恰好与光电流相等shphII在负载R→∞时,输出电流→0,便得到开路电压Uoc其值由下式确定：00(/)ln(/1)ocphUAkTqII3.3太阳能电池的电学特性无光照时，P-N结上电流-电压关系如图中a所示。有光照时，产生光电流Iph，使曲线a沿电流轴方向位移Iph，得到曲线b。为方便起见，变换坐标方向得到曲线c，c为在光照情况下，太阳电池的电流-电压关系曲线，也称为伏安特性曲线。3.3太阳能电池的电学特性3.3.3太阳电池的主要技术参数1.伏安特性曲线受光照的太阳电池，在一定的温度和辐照度以及不同的外电路负载下，流入负载的电流I和电池端电压V的关系曲线。测量时，连接一可变电阻，改变电阻值，测量电流和电压。不同辐照度下电池的I-V特性曲线3.3太阳能电池的电学特性2.最大功率点在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的点，又称最佳工作点。最大功率点1/mRmaxmmmPIUPRm为最佳负载电阻/()0[((1)]qUAkTphPUIUIIe在最大功率点，有d/d0mPU011mqUphmAkTIqUeAkTI0()/1/phmmmIIqUAkTIqUAkT01(/)lnln11/phmmocmIIqUAkTAkTUUqqUAkTqAkT3.3太阳能电池的电学特性整理后得ln1mmmmphocqUAkTAkTPIUIUqAkTq不同辐照强度太阳电池的I-V曲线太阳电池标注的功率，是指在标准工作条件下最大功率点所对应的功率。3.3太阳能电池的电学特性3.开路电压在一定的温度和辐照度条件下，