光电器件基础 第五章 太阳能电池

83光电器件基础·第五章太阳能电池§5.1太阳光辐射§5.2太阳电池的特性§5.3太阳电池的设计§5.4硅太阳电池§5.5化合物太阳电池§5.6薄膜太阳电池§5.7太阳电池阵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。太阳能直接转换为电能的技术是当前发展昀快与昀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。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。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。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。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。利用太阳电池组建卫星电站，可以为人类未来的能源展示出美好的前景。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。太阳电池的应用已经比较广泛，小的毫瓦量级，大的有几兆瓦的供电系统。它可以比一个硬币还小，也可以比一个足球场还大，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。其空间应用主要在各种卫星、飞船和空间站上。在地面上的应用有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。光伏系统的诸多优点，结合它简洁的工作方式，使之成为适用于许多独立特殊应用的能源，前景尤为吸引人。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。太阳电池的种类多样，应用广泛，前景诱人，在设计和建造光伏系统时，昀重要的参数是它的成本和光电转换效率。空间电池昀注重光电转换效率，民用电池在注重效率的同时，昀注重成本。84§5.1太阳光辐射5.1.1太阳辐射光谱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。如图5.1所示，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，如图5.2示出了温度为6000K的黑体辐射和太阳辐射的光谱分布。虽然太阳表面的辐射水平几乎恒定，但是当太阳辐射到达地球表面时，太阳光受地球大气层的吸收和散射作用的强烈影响，因而成为变量。当天空晴朗，太阳在头顶直射且阳光在大气中经过的光程昀短时，到达地球表面的太阳辐射昀强，目前公认的太阳光垂直界面上的标准值为1367W/m2。如图5.3所示，太阳辐射穿过大气层到达地球表面的光程可以用1/cosθz近似，其中θz是太阳光与本地垂线之间的夹角，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）：zAMθcos/1=(5.1)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，此时所对应的光谱分布用大气光学质量AM0表示，如图5.2中标出。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+=(5.2)其中s是高度为h的竖直杆的投影长度，如图5.4所示。图5.1太阳内部的不同区域图5.2温度6000K黑体和太阳辐射的光谱分布图图5.3太阳辐射穿过大气层的厚度取决于太阳在天空中的位置图5.4利用已知高度的物体估算大气光学质量855.1.2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。大气气体造成的吸收光谱如图5.5所示。臭氧强烈吸收波长低于0.3μm的光波。大气层中臭氧的损耗使得更多的这种短波长的光到达地球表面，而这将对生物系统产生有害影响。1μm左右的吸收光谱带，是通过水蒸气吸收产生的，CO2吸收更长波长的光波，而大气中CO2成分的改变也会对气候和生物系统造成影响。如图5.6所示，大气的散射作用导致了从天空中不同方向射来的漫射太阳光。由于大部分的有效散射发生在短波长范围内，漫射散射在自然光谱的蓝端起主导作用。因此，天空呈现蓝色。AM1辐射（太阳在头顶直射时的辐射）在天空晴朗时大约有10%漫射辐射成分。漫射所占的百分比随着大气光学质量或者天空的阴云程度的增加而增加。当然，云层是太阳光在大气中衰减和产生散射的一个要因，如图5.7所示。积云，或处于低空体积较大的云层能够有效地阻挡太阳光。然而，大约有一半被积云阻挡的直接辐射能够以漫射辐射的形式重新回到地面。卷云，或稀薄的高处云层，对阳光的阻挡就不是那么有效了，大约2/3被阻挡的直接辐射能够转换为漫射辐射。在完全阴云的天气，没有直接的日照，达到地球表面的辐射大部分是漫射辐射。图5.5在大气层外AM0和地球表面AM1.5时太阳光的光谱功率密度，反映出不同的大气成分的吸收图5.6由大气散射导致的漫射辐射图5.7云层覆盖对阳光辐射的影响86除此之外，太阳光辐照在一年中也有很大变化。图5.8给出了太阳的视运动，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，昀具代表性的几个季候包括夏至冬至及二分点（春分秋分）的路径也如图所示。5.1.3温室效应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。与阻碍入射辐射类似，大气层也阻碍向外的辐射。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（浓度单位：百万分之一）的二氧化碳，这使得地表温度平均为15℃，比月球表面平均温度高出33℃。图5.9给出了地球上如果没有大气层且地球和太阳都被视为理想黑体时，地球吸收和向外辐射的波长能谱分布。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、氯氟碳合物（CFC）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，被认为是地表平均温度升高的原因。据McCarthy等一些研究者的论述，在20世纪里地球表面的平均温度已经升高了0.6±0.2℃。根据模型预测，全球平均的表面大气温度2010年比1990年高出1.4~5.8℃。模拟结果并且表明了升温过程可能随地区的不同而变化，同时伴随着降水量的增减变化。除此之外，气候的多变性也会有所差异，并改变一些极端天气现象的频率和强度。有迹象表明，洪水和干旱日益频繁。可以预见，温室效应对人类和自然环境将产生大范围的严重影响。毫无疑问，现今人类的活动已达到了能够影响地球的自我平衡体系的程度。由此造成的副作用是具有破坏性的，具有低环境影响和低温室气体排放等特征的技术将在未来的几十年内变得愈加重要。由于燃烧矿物燃料的能源产业是产生温室气体的主要源头，因此能够取代化石燃料的技术，例如光伏技术，应当被大力推广使用。图5.9地球吸收和向外辐射的能谱分布图5.8观察者在南纬或北纬35°时所观察到的太阳的视运动87§5.2太阳电池的特性5.2.1工作原理太阳电池的工作原理基于半导体的光生伏特效应将太阳能转换为电能。大部分太阳电池结构中都包含PN结。在第一章第4节我们讲过，P型半导体和N型半导体接触后，由于两者费米能级的差异，N型区的电子通过界面扩散到P型区，P型区的空穴通过界面扩散到N型区，结果在两区界面N区一侧出现了带正电荷的施主离子层，P区一侧出现了带负电荷的受主离子层，施主离子层和受主离子层共同组成PN结的空间电荷区。由于界面处两侧的离子带电类型不同，使得空间电荷层中存在着从N型区一侧指向P型区一侧的电场，这个电场称为内建电场。当光照射到太阳电池上时，电池内吸收光能后将产生电子—空穴对。在PN结内建电场的作用下，电子向N区迁移，空穴向P区迁移，电子—空穴对分开，在PN结两边出现异种电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压，这就是所谓的光生伏特效应。若在PN结两侧引出电极并接上负载，则在负载中就有光生电流流过，从而获得功率输出，把光能转换为电能。如图5.11所示，光照射到电池上有多种不同的情形。情形1表示光线照射到太阳电池的上电极上被反射和吸收；情形2表示光线照射到太阳电池的上表面被反射；情形3表示光线照射到太阳电池内部被吸收；情形4表示光线照射到太阳电池的底部又被反射出太阳电池；情形5表示光线照射到太阳电池的底部被反射后再体内吸收；情形6表示背电极处的吸收。在以上6中情形中，只有3（直接吸收）和5（反射后吸收）是有用的。为了尽可能将太阳电池的能量转化效率昀大化，必须设计使之得到昀大的直接吸收和反射后吸收。不是所有光生电子—空穴对都能被电极收集。图5.12示出了在理想短路情形下电子和空穴的流动情况。在光生电子和光生空穴迁移的过程中，也可能相遇而复合，有体内复合和表面复合等多种情形。这些复合毫无疑问地降低了太阳电池的光电转换效率，因此在太内建电场图5.10光生电子空穴对的产生与分离图5.11光线照射到太阳电池上的情形图5.12短路情况下电子和空穴的流动图5.13电子与空穴复合与收集的情形88阳电池设计时也要考虑如何增大光生电子和空穴的收集效率。一般地说，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。5.2.2伏安特性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，如公式(1.16)和图1.17所描述。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(5.3)这里IL为光生电流。光照使得电池的I-V特性曲线向下平移到第四象限，如图5.14所示，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。如图5.15所示。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Isc：当电压为零时，电池输出的昀大电流。在理想情况下V=0，Isc=IL，Isc与接收的光照强度成正比。⑵开路电压Voc：当电流为零时，电池输出的昀大电压。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。注意，当I=0时，⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=1ln0IIeTnkVLBoc(5.4)对于I-V曲线上的每一点，都可取该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。太阳能电池