太阳电池原理及基本特性

第一章太阳电池原理第二节太阳电池原理及基本特性目录太阳电池原理及基本特性p-n结的光生伏特效应太阳电池的电流电压特性太阳电池的基本参数如何提高电池的光电转换效率太阳辐射基本知识1.p-n结的光生伏特效应当用适当波长的光照射非均匀半导体（p-n结等）时，由于内建场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压）；如将p-n结短路，则会出现电流（光生电流）。这种由内建场引起的光电效应称为光生伏特效应。h≥Eg太阳电池原理及基本特性太阳电池基本结构前电极1.p-n结的光生伏特效应平衡p-n结：在p-n结处形成耗尽区，其中存在着势垒电场，该电场的方向由n区指向p区。——内建电场光照：在N区、耗尽层P区产生电子-空穴对。多数载流子浓度改变较小，而少数载流子浓度变化很大，主要研究少数载流子的运动。太阳电池原理及基本特性1.p-n结的光生伏特效应N区：光生空穴(少子)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。P区：光生电子(少子)同样的先因为扩散,后因为漂移而进入N区。在PN结的两侧形成了正负电荷的积累,产生了电动势——光生电动势（光生电压）由P区→N区太阳电池原理及基本特性1.p-n结的光生伏特效应内建电场：由N区→P区光生电压：由P区→N区正向偏压下的p-n结太阳电池原理及基本特性2.太阳电池的电流电压特性光电池工作时涉及三股电流：光生电流IL：N区→P区在光生电压作用下的正向电流ID：P区→N区流经外电路的电流I：太阳电池原理及基本特性IIIDL2.太阳电池的电流电压特性光生电流IL：设用一定强度的光照射光电池，因存在吸收，光强度随着光透入的深度按指数规律下降，因而光生载流子产生率也随光照深度而减小，即产生率Q是x的函数。简化：用表示在结的扩散长度内非平衡载流子的平均产生率，并设扩散长度内的空穴和内的电子都能扩散到p-n结面而进入另一边。Q)(npLLpLnL)(npLLLAQqI太阳电池原理及基本特性IQ量子产额，光强，吸收系数I2.太阳电池的电流电压特性在光生电压作用下的正向电流ID：正向偏压：光生电压V10eIITkqVSDIS：反向饱和电流太阳电池原理及基本特性npnpnpsLnqADLpqADI002.太阳电池的电流电压特性流经外电路的电流I：光电池的伏安特性10eIIIIITkqVSLDL太阳电池原理及基本特性①无光照②有光照2.太阳电池的电流电压特性理想光电池的等效电路为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用等效电路模拟,如图所示。把太阳电池看成产生光电流的电流源。光照恒定时，光电流不随工作状态变化，可看作恒流源。同时，光电压的存在会产生一个与光电流方向相反的二极管电流，称为暗电流。R为负载电阻，负载端压为V，电路电流为I。太阳电池原理及基本特性2.太阳电池的电流电压特性实际光电池的等效电路RsILIDIshRLVRshIIIIIIIIRRRLDshLDSLsh()太阳电池原理及基本特性串联电阻主要来源于半导体材料的体电阻、电极和半导体之间的接触电阻以及电极电阻。并联电阻主要来源于p-n结漏电，其中包括电池边缘漏电以及结区存在缺陷和杂质引起的内部漏电。用RS和Rsh分别表示串联电阻和并联电阻。3.太阳电池的基本参数太阳电池的负载特性曲线：曲线上的点称为工作点，对应的电流和电压分别为工作电压、工作电流，对应的功率为P=IV。当功率为最大值Pm时，对应的Vm、Im分别称为最佳工作电压、最佳工作电流，该点称为最佳工作点。短路时，V=0,I=ISC,称为短路电流。开路时，I=0,V=VOC,称为开路电压。ImIVVmPmVocIscmmmVIP太阳电池原理及基本特性3.太阳电池的基本参数（1）开路电压（2）短路电流（3）填充因子（4）最大输出功率（5）光电转换效率太阳电池原理及基本特性3.太阳电池的基本参数由光电池的伏安特性：得到：10eIIIIITkqVSLDL（1）开路电压p-n结开路情况下，R=∞，此时流经R的电流I=0，则得：IL=ID1ln0IIISLqTkVVoc太阳电池原理及基本特性3.太阳电池的基本参数LSCII1ln0IIVSLocqTk开路电压为：（2）短路电流将p-n结短路，I=0，则得：SCI太阳电池原理及基本特性IQIL_光强度IVOClnIISC当光电压增大到pn结势垒消失时，即得到最大光生电压DVVmaxpn结势垒高度3.太阳电池的基本参数SCOCmIVPFF（3）填充因子FFFF：表征电池I-V曲线“方形”的程度，是衡量太阳电池输出特性好坏的重要指标之一。太阳电池原理及基本特性mmmVIP3.太阳电池的基本参数（4）最大输出功率PmmmmVIPFFIVPSCOCm由填充因子表达式可得：在一定的光照下，为了有尽量大的功率输出，就要获得尽量大的开路电压VOC、短路电流ISC和填充因子FF太阳电池原理及基本特性3.太阳电池的基本参数inSCOCinmPFFIVPP（5）光电转换效率太阳电池的效率是有理论上限的。对于硅太阳电池，其禁带宽度为1.12eV。在太阳光谱中，能量小于1.12eV的光子占有约23%的能量。其次，一个被吸收的光子一般只能产生一个电子-空穴对，因而光子能量超过Eg的部分将被浪费掉。对硅电池而言，在其可吸收的光谱内，大约有43%的能量因此而损失。仅此两项损失，一个硅电池能利用的光能只有(1-23%)×(1-43%)=44%左右。同时，由于电池表面的反射、光生载流子的复合、串并联电阻的影响等，也会损失部分能量。实际电池的效率会大大小于理论极限效率，一般的电池效率上限最高接近30%。太阳电池原理及基本特性3.太阳电池的基本参数影响太阳电池转换效率的因素：（1）禁带宽度（2）温度（3）寿命（4）光强（5）掺杂浓度（6）表面复合速率（7）串联电阻（8）金属栅和光反射太阳电池原理及基本特性3.太阳电池的基本参数（1）禁带宽度VOC随Eg的增大而增大，但另一方面，ISC随Eg的增大而减小。结果是可期望在某一个确定的Eg随处出现太阳电池效率的峰值。DPiPAninSNLnqDNLnqDAI221ln0IIVSLocqTk太阳电池原理及基本特性3.太阳电池的基本参数（2）温度随温度的增加，效率η下降。ISC对温度T很敏感，温度还对VOC起主要作用。对于Si，温度每增加1℃，VOC下降室温值的0.4%，也因而降低约同样的百分数。例如，一个硅电池在20℃时的效率为20%，当温度升到120℃时，效率仅为12％。又如GaAs电池，温度每升高1℃，VOC降低1.7mV或降低0.2%。太阳电池原理及基本特性3.太阳电池的基本参数（3）寿命希望光生载流子的寿命越长越好，这主要是因为这样做ISC大。在间接带隙半导体材料如Si中，离结100mm处也产生相当多的载流子，所以希望它们的寿命能大于1ms。在直接带隙材料，如GaAs或Gu2S中，只要10ns的寿命就已足够长了。长寿命也会减小暗电流并增大VOC。达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中，要避免形成复合中心。太阳电池原理及基本特性3.太阳电池的基本参数（4）光强将太阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。设想光强被浓缩了X倍，单位电池面积的输入功率和ISC都将增加X倍，同时VOC也随着增加(kT/q)lnX倍。因而输出功率的增加将大大超过X倍，而且聚光的结果也使转换效率提高了。太阳电池原理及基本特性3.太阳电池的基本参数（5）掺杂浓度对VOC有明显的影响的另一因素是掺杂浓度。虽然ND和NA出现在VOC定义的对数项中，它们的数量级也是很容易改变的。掺杂浓度愈高，Voc愈高。一种称为重掺杂效应的现象近年来已引起较多的关注，在高掺杂浓度下，由于能带结构变形及电子统计规律的变化，所有方程都与轻掺杂的不同，详见半导体物理中简并半导体。太阳电池原理及基本特性3.太阳电池的基本参数（6）表面复合速率低的表面复合速率有助于提高ISC，并由于ID的减小而使VOC改善。前表面的复合速率测量起来很困难，经常被假设为无穷大。一种称为背表面场（BSF）电池设计为，在沉积金属接触之前，电池的背面先扩散一层P＋附加层。太阳电池原理及基本特性3.太阳电池的基本参数（7）串联电阻在任何一个实际的太阳电池中，都存在着串联电阻，其来源可以是引线、金属接触栅或电池体电阻。不过通常情况下，串联电阻主要来自薄扩散层。p-n结收集的电流必须经过表面薄层再流入最靠近的金属导线，这就是一条存在电阻的路线，显然通过金属线的密布可以使串联电阻减小。太阳电池原理及基本特性3.太阳电池的基本参数（8）金属栅和光反射在前表面上的金属栅线不能透过阳光。为了使ISC最大，金属栅占有的面积应最小。为了使RS小，一般是使金属栅做成又密又细的形状。因为有太阳光反射的存在，不是全部光线都能进入Si中。裸Si表面的反射率约为40%。使用减反射膜可降低反射率。对于垂直地投射到电池上的单波长的光，用一种厚为1/4波长、折射率等于n（n为Si的折射率）的涂层能使反射率降为零。对太阳光，采用多层涂层能得到更好的效果。太阳电池原理及基本特性4.如何提高光电转换效率inSCOCinmPFFIVPP光电转换效率太阳电池的效率是有理论上限的。对于硅太阳电池，其禁带宽度为1.12eV。在太阳光谱中，能量小于1.12eV的光子占有约23%的能量。其次，一个被吸收的光子一般只能产生一个电子-空穴对，因而光子能量超过Eg的部分将被浪费掉。对硅电池而言，在其可吸收的光谱内，大约有43%的能量因此而损失。仅此两项损失，一个硅电池能利用的光能只有(1-23%)×(1-43%)=44%左右。同时，由于电池表面的反射、光生载流子的复合、串并联电阻的影响等，也会损失部分能量。实际电池的效率会大大小于理论极限效率，一般的电池效率上限最高接近30%。太阳电池原理及基本特性要提高太阳电池的效率，必须提高开路电压、短路电流和填充因子这三个基本参量。但这三者之间相互联系，必须综合考虑。这里少数载流子寿命，扩散长度，表面复合速度等参数对太阳电池的性能影响很大。从以下几个方面讨论影响太阳电池效率的因素：基片材料和结构暗电流高掺杂效应串并联电阻4.如何提高光电转换效率太阳电池原理及基本特性（1）基片材料和结构不同的材料有不同的禁带宽度，所以对阳光的光吸收必然不同。对于最常用的硅太阳电池，其纯度、电阻率、位错密度等都对效率有影响。裸露的硅表面对光的反射相当大，在电池主要利用的波长范围内，硅的反射系数均在30%以上。电池正面电极即使设计为栅线结构，仍占用了5%-10%的电池表面。而且，进入电池的光线一部分还有可能从电池背面穿出去，造成光损失。改善的途径有选择质量优良的基片材料，优化正面电极设计，制备绒面硅表面，选择优质的减反射膜等。4.如何提高光电转换效率太阳电池原理及基本特性（2）暗电流从前面太阳电池伏安特性的讨论中，可以看到暗电流明显地消耗光电流，降低开路电压。所以，减小暗电流是提高太阳电池效率的重要方面。对于均匀掺杂的p-n结硅太阳电池，有4.如何提高光电转换效率太阳电池原理及基本特性)1(21)1)((2//22KTqViKTqVpDipnAinDeWnqeLNnqDLNnqDJ其中，第一项为注入电流，可以看到，掺杂浓度NA、ND越大，少子寿命越长，扩散长度越长，暗电流中注入电流成分越少。后一项为复合电流，它与耗尽区宽度W成正比，与耗尽区中载流子平均寿命成反比。所以，要减少暗电流中的复合电流分量，就要减少耗尽区宽度，减少耗尽区中的复合中心，提高载流子的寿命。4.如何提高光电转换效率太阳电池原理及基本特性（3）高掺杂效应硅中掺杂浓度高于1018cm－3时，称为高掺杂。高掺杂会引起禁带变窄、杂质不能全部电离和少子寿命下降等高掺杂效应。禁