微电子学概论第九章太阳能电池

IntroductiontoMicroelectronics第九章太阳能电池第九章太阳能电池§9.1太阳光辐射§9.2太阳电池的特性§9.3硅太阳电池§9.4III-V族化合物太阳电池§9.5薄膜太阳电池§9.6太阳电池阵第九章太阳能电池Æ随着世界能源需求的不断增加和宇宙开发的需要，以及日益加剧的温室效应对人类生存环境的威胁，利用可再生能源的呼声越来越高。Æ太阳能直接转换为电能的技术是当前发展最快与最成熟的物理电源技术，而太阳电池及其系统在空间和地面都已经广泛得到应用。阳电池及其系统在空间和地面都已经广泛得到应用。Æ太阳电池是利用半导体光伏效应直接把太阳能转换成电能的器件。Æ从1839年发现光生伏特效应，到1954年第一个硅太阳电池问世，太阳电池以其独特的优点和强大的生命力，随着科学技术的进步得以飞速发展。目前太阳电池的种类很多，应用领域很广，已经形成了专门的光伏科学和光伏工程。Æ光伏系统有许多应用，它可以比一个硬币还小，也可以比一个足球场还大，可Æ光伏系统有许多应用，它可以比个硬币还小，也可以比个足球场还大，可以为一个手表提供电力，也可以为一个小城镇供电，而它所需要的能源仅仅是太阳光。光伏系统的这些优点，结合它简洁的工作方式，使之成为适用于许多独立特殊应的能前景尤为人特殊应用的能源，前景尤为吸引人。第九章太阳能电池Æ利用太阳电池，人类可以展翅高飞，飞离生存的地球，飞向那神奇的天空；宇航员可以在飞船上探索宇宙的奥秘，也可以实现登陆月球和星际飞行。Æ已有几千颗卫星利用太阳电池的供电系统，遨游于太空，这些卫星有通讯卫星、科学实验卫星空间站侦查卫星气象卫星等等Æ利用太阳电池供电系统，可以与给边远地区供电照明，使边远地区的人们能够看到电视听到广播科学实验卫星、空间站、侦查卫星、气象卫星等等。看到电视，听到广播。Æ光伏发电还可以用于：家庭照明和家用电源，无线通信系统电源，电池充电器，光伏水泵系统电源，海洋航行辅助电源，医用和冷藏用设备电源，乡村蓄电池充电站，甚至光伏动力运输，太阳能汽车等等。Æ在设计和建造光伏系统时，最重要的参数是它的成本和光电转换效率。第九章太阳能电池中国未来空间站构思图太阳电池板第九章太阳能电池X太阳电池的分类Æ随着太阳电池研制和应用的发展，太阳电池已发展形成很多不同的种类，按电池应用、结构、材料晶型等可以分为很多种类型，归纳如下：⑴按应用分类：可分为空间电池和地面电池两大类。空间电池要求高效率、轻质量、高可靠、耐辐射，材料、工艺、质量控制严格；地面电池侧重于低成本、高效率、适合市场需求、具有竞争力。⑵按材料分类：可分为硅太阳电池和化合物太阳电池（包括III-V族、II-VI族、多元化合物GaAlAs/GaAs、InP、GdS/Cu2S、CuInSe2等）及染料敏化太阳电池等。⑶按PN结结构分类：按PN结结构分，有同质结、异质结、平面结、垂直结和背场电池；按PN结数量分，有单结电池、双结电池、三结电池、多结电池等。⑷按材料晶型分：可分为单晶太阳电池、多晶太阳电池、非晶太阳电池和微晶太阳电池。§9.1太阳光辐射第九章太阳能电池X太阳的辐射¦太阳是一个通过其中心核聚变反应产生热量的气体球，内部温度为2×107K。内部强烈的辐射被靠近太阳表面的一层氢离子所吸收。能量以对流的形式穿过这层光阻，然后在太阳的外表面的光球层重新向外辐射，这个辐射强度接近于温度为6000K的黑体辐射为6000K的黑体辐射。太阳内部的不同区域太阳辐射的光谱分布§9.1太阳光辐射第九章太阳能电池X太阳辐射的度量标准¦太阳光在地球的大气层外，在地球绕太阳的平均距离上，太阳光的强度变化非常小，可以将其视为定值。目前公认的太阳光垂直界面上的标准值为1367W/m2。¦在地面上，除了夜晚的太阳被遮住外，即使在晴天，由于云和大气层的散射及收太光度也有变化度变化与光传播路径气吸收，太阳光的强度也是有变化的。这种强度的变化是与光传播路径上通过的大气厚度或经过的大气质量有关。†当天空晴朗，太阳在头顶直射且阳光在大气中经过的光程最短时，到达地球表面的太阳辐射最强的太阳辐射最强。†这个光程一般定义为太阳辐射到达地球表面必须经过的大气光学质量AM（airmass）面必须经过的大气光学质量AM（airmass）zAMθcos/1=太阳辐射穿过的大气厚度（大气光学质量）Θz为太阳光也本地垂线之间的夹角。§9.1太阳光辐射第九章太阳能电池X太阳辐射的度量标准¦当θz=0°，大气光学质量等于1或称AM1；当θz=60°时，则大气光学质量是2或AM2；AM1.5（相当于太阳光与垂直方向成48.2°角）为光伏业界的标准。†任何地点的大气光学质量可以由下式来估算：()2/1hsAM+=其中是高度为的竖直杆的投影长度利用已知高度物体的投影估算大气光学质量其中s是高度为h的竖直杆的投影长度。§9.1太阳光辐射第九章太阳能电池X太阳辐射的度量标准¦太阳光在大气层外（AM0）和光伏标准AM1.5的光谱能谱分布如下图所示。AM0从本质上是不变的将它的功率密度在整个光谱范围内积分称作太阳常数AM0从本质上是不变的，将它的功率密度在整个光谱范围内积分，称作太阳常数γ，γ=1.3661kW/m2。利用已知高度物体的投影估算大气光学质量§9.1太阳光辐射第九章太阳能电池X直接辐射和漫射¦当到达地球表面时，穿过地球大气层的太阳光被减少或削弱了大约30%，其中的影响因素有：⑴大气中分子的瑞利散射，对短波长尤为明显；⑵烟雾和尘埃粒子的散射；⑶大气中气体的吸收，如臭氧、水蒸气、二氧化碳等。由大气散射导致的漫射辐射云层覆盖对到达地面辐射的影响由大气散射导致的漫射辐射云层覆盖对到达地面辐射的影响§9.1太阳光辐射第九章太阳能电池X温室效应¾为了保持地球的温度，地球从外界获得的能量必须与地球向外辐射的能量相等。¦水蒸气强烈吸收波长为4~7μm波段的光波，而二氧化碳吸收13~19μm波段的光波，大部分的出射辐射（70%）从7~13μm的窗口逃逸。¦如果我们居住的地球像月球一样没有大气层，地表温度将大约是-18℃，然而，大气层中有天然背景水平为270ppm的二氧大气层中有天然背景水平为270ppm的二氧化碳，这使得地表温度平均为15℃.¦人类活动增加了大气中的“人造气体”¦人类活动增加了大气中的人造气体的排放，这些气体吸收波长范围的7~13μm辐射，特别是二氧化碳、甲烷、臭氧、氮氧化合物氯氟化合物等地球吸收和向外辐射的光谱分布氮氧化合物、氯氟化合物等。¦这些气体阻碍了能量的正常逃逸，破坏了地球的自我平衡体系被认为是地表坏了地球的自我平衡体系，被认为是地表平均温度升高的原因。§9.1太阳光辐射第九章太阳能电池X太阳的视运动¦太阳的视运动，以及它在正午时相对于一名观察者的位置。太阳的路径在一年中变化，夏至冬至及二分点（春分秋分）的路径如图所示。观察者在南纬或北纬35°时所观察到的太阳的视运动观察者在南纬或北纬35时所观察到的太阳的视运动§9.2太阳电池的特性第九章太阳能电池X光照的影响¦太阳能电池通常是由P型和N型半导体材料连接的二极管设备。照射到电池上的光可呈现出不同的情形，如图1~6示出了在不同部位被反射和吸收的情形。为了尽可能将太阳能电池的能量转换效率最大化，必须设计使只得到最大的直接吸收（过程3）以及反射后的吸收（过程5）。（过程3）以及反射后的吸收（过程5）。在顶电极部分电池表面的反射电池内部的吸收在顶电极部分的反射和吸收电池底部的反射底部反射后背电极处的吸收部射的吸收背电极处的吸收光线照射到太阳能电池上的情形§9.2太阳电池的特性第九章太阳能电池X光照的影响¦在PN结电场的作用下，电子受力向N型一侧移动，空穴受力向P型一侧移动，光生电子空穴对分开，在PN结两边分别出现异种电荷的积累，从而产生光生电动势，这就是光生伏特效应。若PN结两极接上负载，就有电流流过负载，从而获得功率输出。功率输出。电子空穴对的分离和短路电流流动各种复合过程影响了转换效率¦总的来说，PN结越近的地方产生的电子空穴对越容易被收集。如果电子空穴对在PN结附近小于一个扩散长度范围内产生，收集的几率就比较大。§9.2太阳电池的特性第九章太阳能电池X电流电压关系†在没有光照的情况下，描述二极管电流对电压的函数关系称为二极管方程。光线的射对太能电池的作以认为在有的极管暗电流基础之上光线的照射对太阳能电池的作用，可以认为是在原有的二极管暗电流基础之上添加一个电流增量，于是二极管电流公式变为：⎤⎡LBITnkeVII−⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=1exp0光照对PN结电流电压关系的影响光照对PN结电流电压关系的影响†光照使得电池的I-V特性曲线向下平移到第四象限，于是二极管的电能可以被获取。其输出功率等于第四象限中曲线的内接长方其输出功率等于第四象限中曲线的内接长方形面积。为了便于讨论，通常将I-V特性曲线上下翻转，将输出曲线置于第一象限。§9.2太阳电池的特性第九章太阳能电池X短路电流和开路电压¾用于衡量在一定照射强度、工作温度和面积条件下，太阳能电池电力输出的两个主要参量为：⑴短路电流I当电压为零时电池输⑴短路电流Isc：当电压为零时，电池输出的最大电流。在理想情况下V=0，Isc=IL，Isc与接收的光照强度成正比。Lsc⑵开路电压Voc：当电流为零时，电池输出的最大电压。Voc随辐射强度的增加呈电池的短路电流和开路电压出的最大电压。Voc随辐射强度的增加呈对数方式增长。这个特性使得太阳能电池特别适用于为蓄电池充电。†从前页公式可得，当I=0时，⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=1ln0IIeTnkVLBoc§9.2太阳电池的特性第九章太阳能电池X最大输出功率‹对于I-V曲线上的每一点，都可取该VmpImp点上电流与电压的乘积，以反映此工作状态下的输出电功率。¾太阳能电池的效能也以用“最大功¾太阳能电池的效能也可以用“最大功率点”来描述。在最大功率点，Vmp×Imp达到电流电压乘积的最大值。太阳mpmp能电池的最大输出功率可以用图形方式表示，即在I-V曲线下绘制一个矩形，使其面积最大。()IVd太阳能电池的最大输出功率¦在右图的功率曲线上，令()0=dVIVd⎞⎛VTnk得到：()⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=1/lneTnkVeTnkVVBmpBocmp例如如果13V600V对于典型的太阳电池V比V大约小93V例如，如果n=1.3，Voc=600mV，对于典型的太阳电池，Vmp比Voc大约小93mV。§9.2太阳电池的特性第九章太阳能电池X填充因子¾填充因子（FF，FillFactor）是衡量电池PN结质量以及串联电阻的参数它VmpImp电池PN结质量以及串联电阻的参数。它的定义式为IVococmpmpIVIVFF=因此有FFIVPscocmp=¦很明显填充因子越接近于1太阳太阳电池的填充因子示意图¦很明显，填充因子越接近于1，太阳能电池的质量就越好。¦在理想情况下，它仅是开路电压的函()720ln+−vv¦在理想情况下，它仅是开路电压的函数，经验计算公式为()172.0ln0++=ocococvvvFF归化开路电压为Vvoc归一化开路电压为eTnkvBoc/=§9.2太阳电池的特性第九章太阳能电池X光谱响应¦当单个光子的能量（Eph）比构成电池的半导体材料的禁带宽度（Eg）大时，太阳能电池就能吸收这个光子并产生电子空穴对。穴对。¦在这种情况下，太阳能电池对入射光子产生响应，光子能量超出禁带宽度的部分迅速以热量形式散失掉。光照引起电子空穴对产生和热量散失†太阳电池的外部量子效率为：scLeexIIn===η†太阳电池的外部量子效率为：phphphexenennη‹电池光谱响应对入射光波长的强烈依赖关系使得太阳能电池的性能与太阳光‹电池光谱响应对入射光波长的强烈依赖关系，使得太阳能电池的性能与太阳光的光谱成分密切相关。再者，光学损失和载流子复合损失等一系列因素，也表明了太阳能电池的性能与计算中的理想值存在差距。§9.2太阳电池的特性第九章太阳能电池X温度的影响¦太阳能电池的工作温度是由环境温度、封装电池的组件特性、照射在组件上的日光强度等因素综合决定的