Chap2 太阳能电池原理 2

第二章太阳能电池原理2.1半导体物理基础2.2太阳电池物理基础2.2太阳电池物理基础2.2.1光伏效应太阳能电池的基本结构光伏效应能带分析2.2太阳电池物理基础2.2.1光伏效应太阳能电池的基本结构2.2太阳电池物理基础2.2.1光伏效应Load＋－＋空穴－电子P/N结太阳电池的等效电路＋表示硅原子，－表示围绕在硅原子旁边的四个电子，当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，其形成过程如右：掺入的硼原子（黄色的）形成N型半导体掺入磷原子形成P型半导体，黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子太阳能电池的基本结构2.2太阳电池物理基础光生电子--空穴对在耗尽层中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被送进n区，光生空穴则被送进p区。太阳能电池的基本结构2.2太阳电池物理基础p-SiSinFE无光照时，处于热平衡状态时的pn结，有统一的费米能级，势垒高度为：FpFnDEEqv光伏效应能带分析2.2太阳电池物理基础稳定光照时，pn结处于非平衡状态，光生载流子积累出现光电压，使pn结处于正偏，费米能级发生分裂，因此电池处于开路状态（没接负载），故费米能级分裂宽度为剩余的势垒高度为ocqv)(ocDvvqSinp-Si光伏效应能带分析2.2太阳电池物理基础稳定光照时，电池处于短路状态（负载为0），原来在pn结两端积累的光生载流子通过外电路复合，光电压消失，势垒高度为各区中的光生载流子被内建电场分离，源源不断的流进外电路，形成短路电流。SinFEFpFnDEEqv光伏效应能带分析2.2太阳电池物理基础Sin有光照和外接负载时，一部分光电流在负载上建立电压，另一部分光电流和pn结在电压v的正向偏压下形成的正向电流抵消。费米能级分裂的宽度正好等于qv，而这时剩余的结势垒高度为)(vvqDp-Si光伏效应能带分析2.2太阳电池物理基础2.2.2太阳电池特性太阳电池等效电路太阳电池的特性参数太阳电池的光谱响应2.2太阳电池物理基础2.2太阳电池物理基础n+p结太阳能电池Load＋－＋空穴－电子n+，NDp,NA＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－0-xnxp-WnWp耗尽区无光照时类似二极管特性，外加电压时单向电流ID称为暗电流；有光照时产生光生电流IL；Rs、Rsh分别为太阳电池中的串、并联电阻RL为负载。RLILIDIshIRshRsV太阳电池的等效电路2.2太阳电池物理基础串联电阻●硅材料体电阻●金属电极电阻●金属与硅的接触电阻2.2太阳电池物理基础并联电阻•边缘漏电•体内杂质和微观缺陷•PN结局部短路由于杂质和缺陷在电池体内的随机分布，会造成太阳电池电性能的不均匀性2.2太阳电池物理基础为求得有复合、扩散、漂移等各因素影响后的光生电流表达式，我们先作以下假定：1.太阳电池各区满足小注入条件；2.耗尽区宽度扩散长度L；3.结平面无限大，不考虑边缘效应；4.基区少子扩散长度L电池厚度W；5.各区均匀掺杂，PN结为突变结。短路电流太阳电池的特性参数2.2太阳电池物理基础一维情况下，描述太阳电池工作状态的基本方程少数载流子电流密度方程：dxdPqDFpqJnPnPpdxdnqDFnqJpnpnn漂移扩散短路电流太阳电池的特性参数2.2太阳电池物理基础连续性方程：dxdJqUGdtdpppn1dxdJqUGdtdnnnp1利用连续性方程求解光生载流子在扩散区和空间电荷区的运动规律短路电流太阳电池的特性参数一维情况下，描述太阳电池工作状态的基本方程2.2太阳电池物理基础)(),,(),,(0ADsNNnpzyxzyxdxdF电场F的空间分布按泊松方程决定：在稳态下：0dtdndtdppn设材料均匀掺杂，带隙宽度、载流子迁移率、介电常数和扩散系数都与位置无关，则连续方程为：短路电流太阳电池的特性参数2.2太阳电池物理基础考虑简单情况，在中性区内的电场极小F≈0，与扩散电流相比，漂移电流可忽略不计。并且满足小注入条件，则复合项：01dxdJqUGpp01dxdJqUGnnpnppUnpnnU短路电流太阳电池的特性参数2.2太阳电池物理基础0)(22dxndDnxGpnnp0)(22dxpdDpxGnppn则：短路电流太阳电池的特性参数2.2太阳电池物理基础边界条件：2）n区在边界（-xn）的少子浓度(空穴）为：)(npFeffnWpDSdxpd1）n区（-Wn）的少子浓度与边面复合有关：（a)金属电极与表面接触的复合，理想的欧姆接触边面复合速度趋向无限大，少子浓度p(-Wn)=0。（b)金属栅线之间的复合，较小。用有效表面复合速度SFeff描述：TkqVDiTkqVnnnBBeNnepxp20)(p0n是n区平衡态的少子浓度2.2太阳电池物理基础边界条件：2）p区在边界（xp）的少子浓度(电子）为：)(pnBeffWxpWnDSdxndp1）p区。背表面x=Wp，若是理想欧姆接触，则n(Wp)=0；一般太阳电池的背表面通常是一层重掺杂区p-p+（称背表面场），表面复合速度SBeff描述：TkqVAiTkqVpppBBeNnenxn20)(n0p是p区平衡态的少子浓度2.2太阳电池物理基础deEQRsxGngWx)()()()(1)1()(短路电流太阳电池的特性参数光从前表面照射，在x点单位面积的光产生率：s为隐蔽因子，考虑前金属栅线占去的一部分面积。Q(E)为入射光子流谱密度，代表单位面积、单位时间入射光子能量为E=ħ的光子数。12)(/223sBTEsseEChFEQFs为太阳辐射的几何因子，Ts为太阳表面温度。2.2太阳电池物理基础求解少数载流子扩散方程，n区空穴浓度的空间分布：)(']/)cosh[(]/)sinh[()(xpLxxBLxxAxpnpnnpnnnp区电子浓度的空间分布)(']/)cosh[(]/)sinh[()(xnLxxBLxxAxnpnppnpppAn、Bn、Ap、Bp可通过边界确定的常数。pn’和np’与光产生率有关：deEQRLsxndeEQRLsxpngngWxnnpWxppn)(22)(22)()()(1)1()1()(')()()(1)1()1()('2.2太阳电池物理基础在准中性区，电场可以忽略，只有少数载流子的扩散电流：dxPdqDxJnPpdxndqDxJpnn总的扩散电流密度：xJxJxJnp)()(注意：这里x仅代表电流是位置的函数，并不是空间同一点。2.2太阳电池物理基础耗尽区电流：由连续条件：dxdJqUGdxdJqpn11在耗尽区对x积分：pnpnxxnnpnxxndxxUxGqxJxJdxdxdJ)]()([)()(耗尽区的复合率：DTqViDBenU)1(2/D为耗尽区有效寿命2.2太阳电池物理基础DTqViDDpnxxpnnnBpnenWqJxJdxxUxGqxJxJ)1()()]()([)()(2/deeEQRsJpnnnxWxWD])[()()(1)1()()(WD为耗尽区的总宽度，JD为耗尽区产生的电流密度：总电流是空间同一点的电子电流和空穴电流之和：])1()()([)]()([2/DTqViDDpnnpnpnnBenWqJxJxJAxJxJAI代入得太阳电池的电流-电压特性：2.2太阳电池物理基础)1()1(/02/01TqVTqVSCBBeIeIIIISC为短路电流（V=0），由势垒区和两边中性区三部分组成。]')]sinh()cosh([')(')]cosh()sinh()[('[nnxxnPnNFeffPnNpppWxnpnnFeffPnNFeffPnNppnnpSCNdxpdLxWSLxWLDLdxpdDWpSLxWSLxWLDxpqADIn区：]')]sinh()cosh([')(')]cosh()sinh()[('[ppxxpnppBSFnppnnpWxpnppBSFfnppBSFnppnnppnSCPdxndLxWSLxWLDLdxndDWnSLxWSLxWLDxnqADIp区：势垒区：DSCDAJI短路电流2.2太阳电池物理基础)sinh()cosh()cosh()sinh(])sinh()cosh()cosh()sinh([22010101nppBSFnppnnnppBSFnppnnnAniPnnFeffPnnppPnnFeffPnnpppDpipnLxWSLxWLDLxWSLxWLDLNDnAqLxWSLxWLDLxWSLxWLDLNDnAqIIIDDiWnAqI02I01是n区和p区复合相关的暗饱和电流：I02是耗尽区复合相关的暗饱和电流：理想情况下，与耗尽区复合相关的暗饱和电流I02对电流的贡献很小，可忽略，则：)1(/01TqVSCBeIII2.2太阳电池物理基础太阳电池的I-V2.2太阳电池物理基础RLILIDIshIRshRsVPN结短路时，短路电流JscJLIVIsc0短路电流太阳电池的特性参数2.2太阳电池物理基础因此，提高Jsc的途径在于提高光生载流子产生率G、增加各区少子寿命和减少表面复合。短路电流太阳电池的特性参数]')]sinh()cosh([')(')]cosh()sinh()[('[ppxxpnppBSFnppnnpWxpnppBSFfnppBSFnppnnppnSCPdxndLxWSLxWLDLdxndDWnSLxWSLxWLDxnqDJDSCDJJ]')]sinh()cosh([')(')]cosh()sinh()[('[nnxxnPnNFeffPnNpppWxnpnnFeffPnNFeffPnNppnnpSCNdxpdLxWSLxWLDLdxpdDWpSLxWSLxWLDxpqDJ2.2太阳电池物理基础I=0时，为开路，V=Voc，称为开路电压)ln()ln()1ln(010101JJqKTIIqKTIIqKTVscscscOC一般ISCI0RLILIDIshIRshRsVIVIsc0Voc开路电压太阳电池的特性参数增加Voc的途径有减少复合以减小反向饱和电流，增加各区掺杂浓度等2.2太阳电池物理基础电池的输出功率：VeIIIVPTkqVSCB)]1([/01输出功率太阳电池的特性参数求解极值：)1ln(TkqVqTkVVBmBOCmp)1(mBSCmpqVTkII])1ln([qTkTkqVqTkVIVIPBBmBOCSCmpmpmp电池的最大输出功率：2.2太阳电池物理基础流经负载RL的电流I为shLSDSCshDSCRRRIIIIIII)(负载输出电功率为VRRRIeIIIVPshLSTkIRVqSCBs])()1([/)(01RLILIDIshIRshRsV开路电压太阳电池的特性参数2.2太阳电池物理基础最大输出功率与（VOC•ISC）之比称为填充因子，用FF表示。对于开路电压VOC和短路电流ISC一定的特性曲线来说，填充因子越接近于1，电池效率越高，伏安特性线弯曲越大。因此FF也称曲线因子，表示式为SCOCmpmpSCIVIVIVF