第二講太陽能電池之工作原理

1、 太陽能電池工作原理及效率太陽能電池基本原理基本原理基本原理 太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，即一些半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)，載流子數(shù)量會(huì)劇即一些半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)，載流子數(shù)量會(huì)劇增，導(dǎo)電能力隨之增強(qiáng)，這就是半導(dǎo)體的光敏特增，導(dǎo)電能力隨之增強(qiáng)，這就是半導(dǎo)體的光敏特性。性?；驹砘驹鞾當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，其中一部分被表面反射當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過。被吸收的光，當(dāng)?shù)?，其余部分被半?dǎo)體吸收或透過。被吸收的光，當(dāng)然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子然有一些變成熱，另一些光子

2、則同組成半導(dǎo)體的原子價(jià)電子碰撞，于是產(chǎn)生電子價(jià)電子碰撞，于是產(chǎn)生電子空穴對(duì)。這樣，光能就空穴對(duì)。這樣，光能就以產(chǎn)生電子以產(chǎn)生電子空穴對(duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔??？昭▽?duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋；驹砘驹鞾如果半導(dǎo)體內(nèi)存在如果半導(dǎo)體內(nèi)存在PN結(jié)，則在結(jié)，則在P型和型和N型交界面兩型交界面兩邊形成勢(shì)壘電場(chǎng)，能將電子驅(qū)向邊形成勢(shì)壘電場(chǎng)，能將電子驅(qū)向N區(qū)，空穴驅(qū)向區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)，區(qū)，從而使得從而使得N區(qū)有過剩的電子，區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，在區(qū)有過剩的空穴，在PN結(jié)附近形成與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反光的生電場(chǎng)。結(jié)附近形成與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反光的生電場(chǎng)。基本原理基本原理Y若分別在若分別在P型層和型層和N型層焊上

3、金屬引線，接通負(fù)載，型層焊上金屬引線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過。如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件，則外電路便有電流通過。如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。輸出功率。 基本原理基本原理基本原理基本原理Y制造太陽電池的半導(dǎo)體材料已知的有十幾種，因制造太陽電池的半導(dǎo)體材料已知的有十幾種，因此太陽電池的種類也很多。此太陽電池的種類也很多。Y目前，技術(shù)最成熟，并具有商業(yè)價(jià)值的太陽電池目前，技術(shù)最成熟，并具有商業(yè)價(jià)值的太陽電池要算硅太陽電池。下面我們以硅太陽能電池為例，要算硅太陽電池。下面我們以硅太陽能電池為例

4、，詳細(xì)介紹太陽能電池的工作原理詳細(xì)介紹太陽能電池的工作原理。一、太陽能電池的物理基礎(chǔ)一、太陽能電池的物理基礎(chǔ)1、本征半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體 物質(zhì)的導(dǎo)電性能決定于原子結(jié)構(gòu)。物質(zhì)的導(dǎo)電性能決定于原子結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體一般為低價(jià)元素，它們的最外層電子極易掙脫原子核的束縛成為自導(dǎo)體一般為低價(jià)元素，它們的最外層電子極易掙脫原子核的束縛成為自由電子，在外電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。由電子，在外電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。高價(jià)元素（如惰性氣體）或高分子物質(zhì)（如橡膠），它們的最外層電子高價(jià)元素（如惰性氣體）或高分子物質(zhì)（如橡膠），它們的最外層電子受原子核束縛力很強(qiáng)，很難成為自由電子，所以導(dǎo)電性極差，成為絕

5、受原子核束縛力很強(qiáng)，很難成為自由電子，所以導(dǎo)電性極差，成為絕緣體。緣體。常用的半導(dǎo)體材料硅（常用的半導(dǎo)體材料硅（Si）和鍺（）和鍺（Ge）均為四價(jià)元素，它們的最外層電）均為四價(jià)元素，它們的最外層電子既不像導(dǎo)體那么容易掙脫原子核的束縛，也不像絕緣體那樣被原子子既不像導(dǎo)體那么容易掙脫原子核的束縛，也不像絕緣體那樣被原子核束縛的那么緊，因而其導(dǎo)電性介于二者之間。核束縛的那么緊，因而其導(dǎo)電性介于二者之間。1、本征半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體 定義：定義：將純凈的半導(dǎo)體經(jīng)將純凈的半導(dǎo)體經(jīng)過一定的工藝過程制成單過一定的工藝過程制成單晶體，晶體， 即為即為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體。 晶體中的原子在空間形成晶體中的原子在

6、空間形成排列整齊的點(diǎn)陣，相鄰的排列整齊的點(diǎn)陣，相鄰的原子原子 形成形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵。共價(jià)鍵共價(jià)鍵1、本征半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體 晶體中的共價(jià)鍵具有極強(qiáng)的結(jié)合力，因此，在常溫晶體中的共價(jià)鍵具有極強(qiáng)的結(jié)合力，因此，在常溫下，僅有極少數(shù)的價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)（熱激發(fā)）獲得下，僅有極少數(shù)的價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)（熱激發(fā)）獲得足夠的能量，從而掙脫共價(jià)鍵的束縛變成為足夠的能量，從而掙脫共價(jià)鍵的束縛變成為自由電子自由電子。 與此同時(shí)，在共價(jià)鍵中留下一個(gè)與此同時(shí)，在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴空穴。 原子因失掉一個(gè)價(jià)電子而帶正電，或者說原子因失掉一個(gè)價(jià)電子而帶正電，或者說空穴帶正空穴帶正電電。在本征半導(dǎo)體中，自由電子與空穴是成對(duì)

7、出現(xiàn)的，。在本征半導(dǎo)體中，自由電子與空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，即自由電子與空穴數(shù)目相等。即自由電子與空穴數(shù)目相等。1、本征半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體本征激發(fā)本征激發(fā): 半導(dǎo)體在半導(dǎo)體在光照或熱輻射激發(fā)光照或熱輻射激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和下產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征激發(fā)。 空穴空穴自由自由電子電子1、本征半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體 復(fù)合復(fù)合: 自由電子在運(yùn)動(dòng)的過程中如果與空穴相遇就自由電子在運(yùn)動(dòng)的過程中如果與空穴相遇就會(huì)填補(bǔ)空穴，使兩者同時(shí)消失，這種現(xiàn)象稱為會(huì)填補(bǔ)空穴，使兩者同時(shí)消失，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。復(fù)合。 動(dòng)態(tài)平衡：動(dòng)態(tài)平衡： 在一定的溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由在一定的溫度下，本征激發(fā)

8、所產(chǎn)生的自由電子與空穴對(duì)，與復(fù)合的自由電子和空穴對(duì)數(shù)目相等，電子與空穴對(duì)，與復(fù)合的自由電子和空穴對(duì)數(shù)目相等，故達(dá)到故達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。動(dòng)態(tài)平衡。1、本征半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體能帶理論：能帶理論：Y單個(gè)原子中的電子在繞核運(yùn)單個(gè)原子中的電子在繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)，在各個(gè)軌道上的電子動(dòng)時(shí)，在各個(gè)軌道上的電子都各自具有特定的能量；都各自具有特定的能量；Y越靠近核的軌道，電子能量越靠近核的軌道，電子能量越低；越低；Y根據(jù)能量最小原理電子總是根據(jù)能量最小原理電子總是優(yōu)先占有最低能級(jí)；優(yōu)先占有最低能級(jí)；能帶理論解釋本征激發(fā)能帶理論解釋本征激發(fā)1、本征半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體能帶理論：能帶理論：Y價(jià)電子所占據(jù)的能帶稱為價(jià)帶；價(jià)電子所

9、占據(jù)的能帶稱為價(jià)帶；Y價(jià)帶的上面有一個(gè)禁帶，禁帶中不存在為電子所占據(jù)價(jià)帶的上面有一個(gè)禁帶，禁帶中不存在為電子所占據(jù)的能級(jí)；的能級(jí)；Y禁帶之上則為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶中的能級(jí)就是價(jià)電子掙脫共禁帶之上則為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶中的能級(jí)就是價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵束縛而成為自由電子所能占據(jù)的能級(jí)；價(jià)鍵束縛而成為自由電子所能占據(jù)的能級(jí)；Y禁帶寬度用禁帶寬度用Eg表示，其值與半導(dǎo)體的材料及其所處的表示，其值與半導(dǎo)體的材料及其所處的溫度等因素有關(guān)。溫度等因素有關(guān)。(ev電子伏特）電子伏特）T=300K時(shí)，硅的Eg=1.1eV；鍺的Eg=0.72eV。 晶體中大量電子能級(jí)分布組成密集的能級(jí)帶，稱為能帶。晶體中大量電子能級(jí)分布組成密集的能

10、級(jí)帶，稱為能帶。其中其中“價(jià)帶價(jià)帶”能級(jí)最低，能級(jí)最低，“導(dǎo)帶導(dǎo)帶”能級(jí)最高。處于導(dǎo)電狀態(tài)的能級(jí)最高。處于導(dǎo)電狀態(tài)的能級(jí)區(qū)域稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶與價(jià)帶之間區(qū)域稱為禁帶。能級(jí)區(qū)域稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶與價(jià)帶之間區(qū)域稱為禁帶。 能帶理論：能帶理論：P4光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）Y指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。Y工作原理：當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體表面時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部工作原理：當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體表面時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部N區(qū)和區(qū)和P區(qū)中原子的價(jià)電子受到太陽光子的沖擊，通過光輻區(qū)中原子的價(jià)電子受到太陽光子的沖擊，通過光輻射

11、獲取到超過禁帶射獲取到超過禁帶Eg的能量，脫離共價(jià)鍵的束縛從價(jià)帶激的能量，脫離共價(jià)鍵的束縛從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，由此在半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生出很多處于非平衡發(fā)到導(dǎo)帶，由此在半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生出很多處于非平衡狀態(tài)的電子狀態(tài)的電子-空穴對(duì)。空穴對(duì)。Y這些被光激發(fā)的電子空穴，或自由碰撞，這些被光激發(fā)的電子空穴，或自由碰撞， 或在半導(dǎo)體中復(fù)合恢復(fù)到平衡狀態(tài)?；蛟诎雽?dǎo)體中復(fù)合恢復(fù)到平衡狀態(tài)。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體：雜質(zhì)半導(dǎo)體：通過擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少通過擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量雜質(zhì)元素，便可得到量雜質(zhì)元素，便可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體。 按摻入的雜質(zhì)元素不用，可形成按摻入的雜質(zhì)

12、元素不用，可形成N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體和和P型半型半導(dǎo)體導(dǎo)體； 控制摻入雜質(zhì)元素的濃度，就可控制雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)控制摻入雜質(zhì)元素的濃度，就可控制雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能電性能。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體： 在純凈在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷），使之元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的取代晶格中硅原子的位置，就形成了位置，就形成了N型半型半導(dǎo)體。導(dǎo)體。 自由自由電子電子施主施主原子原子2、雜質(zhì)半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體 由于雜質(zhì)原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，所以除了與其由于雜質(zhì)原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，所以除了與其周圍硅原子形成共價(jià)鍵外，還多出一個(gè)電子。多出的周圍硅原子形

13、成共價(jià)鍵外，還多出一個(gè)電子。多出的電子不受共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子。電子不受共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子。 N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，故型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，故稱稱自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。 由于雜質(zhì)原子可以提供電子，故稱之為由于雜質(zhì)原子可以提供電子，故稱之為施主原子。施主原子。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體： 在純凈的硅晶體中摻在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素（如硼），入三價(jià)元素（如硼），使之取代晶格中硅原使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了子的位置，就形成了P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 空位

14、空位受主受主原子原子空穴空穴2、雜質(zhì)半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體 由于雜質(zhì)原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，所以當(dāng)它們與由于雜質(zhì)原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，所以當(dāng)它們與其周圍硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)其周圍硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)“空位空位”當(dāng)硅原子的最外層電子填補(bǔ)此空位時(shí)，其共價(jià)鍵中便產(chǎn)當(dāng)硅原子的最外層電子填補(bǔ)此空位時(shí)，其共價(jià)鍵中便產(chǎn)生一個(gè)空穴。因而生一個(gè)空穴。因而P型半導(dǎo)體中，型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由空穴為多子，自由電子為少子。電子為少子。 因雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，故稱之為因雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，故稱之為受主原子。受主原子。 3、PN結(jié)結(jié) PN結(jié)：結(jié)：采用不同的采用不同的摻雜工藝，將

15、摻雜工藝，將P型半型半導(dǎo)體與導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形在它們的交界面就形成成PN結(jié)。結(jié)。 正離子正離子負(fù)離子負(fù)離子空穴空穴自由電子自由電子空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)P區(qū)區(qū)3、PN結(jié)結(jié) 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。這種由于濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)把當(dāng)把P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在一起時(shí)，在它們的交界型半導(dǎo)體制作在一起時(shí)，在它們的交界面，兩種載流子的濃度差很大，因而面，兩種載流子的濃度差很大，因

16、而P區(qū)的空穴必然向區(qū)的空穴必然向N區(qū)擴(kuò)散，與此同時(shí)，區(qū)擴(kuò)散，與此同時(shí)，N區(qū)的自由電子也必然向區(qū)的自由電子也必然向P區(qū)擴(kuò)散，區(qū)擴(kuò)散，如圖示。如圖示。3、PN結(jié)結(jié) 由于擴(kuò)散到由于擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子與空穴復(fù)合，而擴(kuò)散區(qū)的自由電子與空穴復(fù)合，而擴(kuò)散到到N區(qū)的空穴與自由電子復(fù)合，所以在交界面附近多區(qū)的空穴與自由電子復(fù)合，所以在交界面附近多子的濃度下降，子的濃度下降，P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們是不能移動(dòng)的，稱為區(qū)，它們是不能移動(dòng)的，稱為空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)，從而形成，從而形成內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)。 隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)建電隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電

17、荷區(qū)加寬，內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)，其方向由場(chǎng)增強(qiáng)，其方向由N區(qū)指向區(qū)指向P區(qū)，正好阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)區(qū)，正好阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。的進(jìn)行。3、PN結(jié)結(jié) 漂移運(yùn)動(dòng)：漂移運(yùn)動(dòng)：在電場(chǎng)力作用下，載流子的在電場(chǎng)力作用下，載流子的 運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)空間電荷區(qū)形成后，在內(nèi)建電場(chǎng)作當(dāng)空間電荷區(qū)形成后，在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，少子產(chǎn)生飄移運(yùn)動(dòng)，空穴從用下，少子產(chǎn)生飄移運(yùn)動(dòng)，空穴從N區(qū)區(qū)向向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，而自由電子從區(qū)運(yùn)動(dòng)，而自由電子從P區(qū)向區(qū)向N區(qū)運(yùn)區(qū)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)。 在無外電場(chǎng)和其它激發(fā)作用下，在無外電場(chǎng)和其它激發(fā)作用下，參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的多子數(shù)目等于參與漂移參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的多子數(shù)目等于參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)

18、平衡，運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成形成PN結(jié)，結(jié)，如圖示。如圖示。 此時(shí)，空間電荷此時(shí)，空間電荷區(qū)具有一定的寬度，電位差為區(qū)具有一定的寬度，電位差為 =Uho，電流為零。電流為零。二、太陽能電池工作原理二、太陽能電池工作原理 1、光生伏打效應(yīng)、光生伏打效應(yīng):太陽能電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體太陽能電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。結(jié)的光生伏打效應(yīng)。 如前所述，當(dāng)光照射到半導(dǎo)體光伏器件上時(shí)，如前所述，當(dāng)光照射到半導(dǎo)體光伏器件上時(shí)，能量大于硅禁帶寬能量大于硅禁帶寬度的光子度的光子穿過減反射膜進(jìn)入硅中，穿過減反射膜進(jìn)入硅中，在在N區(qū)、耗盡區(qū)和區(qū)、耗盡區(qū)和P區(qū)中激發(fā)出光區(qū)中激發(fā)出

19、光生電子生電子-空穴對(duì)?？昭▽?duì)。 耗盡區(qū)：耗盡區(qū)：光生電子光生電子-空穴對(duì)在耗盡區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場(chǎng)空穴對(duì)在耗盡區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場(chǎng)分離，光生電子被送進(jìn)分離，光生電子被送進(jìn)N區(qū)，光生空穴則被推進(jìn)區(qū)，光生空穴則被推進(jìn)P區(qū)。根據(jù)耗盡近似區(qū)。根據(jù)耗盡近似條件，耗盡區(qū)邊界處的載流子濃度近似為條件，耗盡區(qū)邊界處的載流子濃度近似為0，即，即p=n=0。 1、光生伏打效應(yīng)、光生伏打效應(yīng) 內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)N區(qū)區(qū)P區(qū)區(qū)1、光生伏打效應(yīng)、光生伏打效應(yīng) 在在N區(qū)中：區(qū)中：光生電子光生電子-空穴對(duì)產(chǎn)生以后，光生空穴便空穴對(duì)產(chǎn)生以后，光生空穴便向向P-N結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá)結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá)P-N結(jié)邊界，

20、便立即受到內(nèi)結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場(chǎng)作用，被電場(chǎng)力牽引作漂移運(yùn)動(dòng)，越過耗盡區(qū)進(jìn)入建電場(chǎng)作用，被電場(chǎng)力牽引作漂移運(yùn)動(dòng)，越過耗盡區(qū)進(jìn)入P區(qū)，光生電子（多子）則被留在區(qū)，光生電子（多子）則被留在N區(qū)。區(qū)。 在在P區(qū)中：區(qū)中：的光生電子（少子）同樣的先因?yàn)閿U(kuò)散、的光生電子（少子）同樣的先因?yàn)閿U(kuò)散、后因?yàn)槠贫M(jìn)入后因?yàn)槠贫M(jìn)入N區(qū)，光生空穴（多子）留在區(qū)，光生空穴（多子）留在P區(qū)。如區(qū)。如此便在此便在P-N結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，使結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，使N區(qū)儲(chǔ)存區(qū)儲(chǔ)存了過剩的電子，了過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴。從而區(qū)有過剩的空穴。從而形成與內(nèi)建電場(chǎng)形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)

21、。方向相反的光生電場(chǎng)。 1、光生伏打效應(yīng)、光生伏打效應(yīng) P區(qū)區(qū)光生電場(chǎng)光生電場(chǎng)N區(qū)區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)1、光生伏打效應(yīng)、光生伏打效應(yīng)Y 光生電場(chǎng)除了部分抵消勢(shì)壘電場(chǎng)的作用外，還使光生電場(chǎng)除了部分抵消勢(shì)壘電場(chǎng)的作用外，還使P區(qū)帶正區(qū)帶正電，電，N區(qū)帶負(fù)電，在區(qū)帶負(fù)電，在N區(qū)和區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這就是這就是光生伏打效應(yīng)光生伏打效應(yīng)。當(dāng)電池接上一負(fù)載后，光電流就從。當(dāng)電池接上一負(fù)載后，光電流就從P區(qū)經(jīng)負(fù)載流至區(qū)經(jīng)負(fù)載流至N區(qū)，負(fù)載中即得到功率輸出。區(qū)，負(fù)載中即得到功率輸出。Y如果將如果將P-N結(jié)兩端開路，可以測(cè)得這個(gè)電動(dòng)勢(shì)，稱之為結(jié)兩端開路，可以測(cè)得這個(gè)電動(dòng)勢(shì)，

22、稱之為開開路電壓路電壓Uoc。對(duì)晶體。對(duì)晶體硅電池硅電池來說，開路電壓的典型值為來說，開路電壓的典型值為0.50.6V。Y如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過，這個(gè)電流稱為的光電流流過，這個(gè)電流稱為短路電流短路電流Isc。1、光生伏打效應(yīng)、光生伏打效應(yīng)影響光電流的因素：影響光電流的因素：Y 通過光照在界面層產(chǎn)生的電子通過光照在界面層產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)愈多，電流愈大。空穴對(duì)愈多，電流愈大。Y界面層吸收的光能愈多，界面層即電池面積愈大，在太陽界面層吸收的光能愈多，界面層即電池面積愈大，在太陽電池中形成的電流也愈大。電池中形

23、成的電流也愈大。 Y太陽能電池的太陽能電池的N區(qū)、耗盡區(qū)和區(qū)、耗盡區(qū)和P區(qū)均能產(chǎn)生光生載流子；區(qū)均能產(chǎn)生光生載流子；Y各區(qū)中的光生載流子必須在復(fù)合之前越過耗盡區(qū)，才能對(duì)各區(qū)中的光生載流子必須在復(fù)合之前越過耗盡區(qū)，才能對(duì)光電流有貢獻(xiàn)，所以求解實(shí)際的光生電流必須考慮到各區(qū)光電流有貢獻(xiàn)，所以求解實(shí)際的光生電流必須考慮到各區(qū)中的產(chǎn)生和復(fù)合、擴(kuò)散和漂移等各種因素。中的產(chǎn)生和復(fù)合、擴(kuò)散和漂移等各種因素。2、太陽能電池材料的光學(xué)性質(zhì)、太陽能電池材料的光學(xué)性質(zhì)太陽能電池的光學(xué)性質(zhì)，常常決定著太陽能電池的極限效率，太陽能電池的光學(xué)性質(zhì)，常常決定著太陽能電池的極限效率，而且也是工藝設(shè)計(jì)的依據(jù)。而且也是工藝設(shè)計(jì)的依

24、據(jù)。 吸收定律吸收定律 當(dāng)一束光譜輻照度為當(dāng)一束光譜輻照度為I0的光正交入射到半導(dǎo)體表面上的光正交入射到半導(dǎo)體表面上時(shí)，扣除反射后，進(jìn)入半導(dǎo)體的光譜輻照度為時(shí)，扣除反射后，進(jìn)入半導(dǎo)體的光譜輻照度為I0(1-R)，在，在半導(dǎo)體內(nèi)離前表面距離為半導(dǎo)體內(nèi)離前表面距離為x處的光譜輻照度處的光譜輻照度Ix由吸收定律由吸收定律決定：決定： 太陽能電池的效率太陽能電池的效率:Y在上式中，如果把在上式中，如果把At換為有效面積換為有效面積Aa（也稱活性面積），（也稱活性面積），即從總面積中扣除柵線圖形面積，從而算出的效率要高一即從總面積中扣除柵線圖形面積，從而算出的效率要高一些，這一點(diǎn)在閱讀國內(nèi)外文獻(xiàn)時(shí)應(yīng)注意

25、。些，這一點(diǎn)在閱讀國內(nèi)外文獻(xiàn)時(shí)應(yīng)注意。Y美國的普林斯最早算出美國的普林斯最早算出硅太陽能電池的理論效率為硅太陽能電池的理論效率為21.7%。20世紀(jì)世紀(jì)70年代，華爾夫（年代，華爾夫（M.Wolf）又做過詳盡的討論，）又做過詳盡的討論，也得到也得到硅太陽能電池的理論效率在硅太陽能電池的理論效率在AM0光譜條件下為光譜條件下為20%22%，以后又把它修改為，以后又把它修改為25%（AM1.0光譜條件）。光譜條件）。Y估計(jì)太陽能電池的理論效率，必須把估計(jì)太陽能電池的理論效率，必須把從入射光能到輸出電從入射光能到輸出電能之間所有可能發(fā)生的損耗都計(jì)算在內(nèi)。能之間所有可能發(fā)生的損耗都計(jì)算在內(nèi)。其中有些是

26、與材其中有些是與材料及工藝有關(guān)的損耗，而另一些則是由基本物理原理所決料及工藝有關(guān)的損耗，而另一些則是由基本物理原理所決定的。定的。 影響效率的因素影響效率的因素 綜上所述，提高太陽能電池效率，必須提高綜上所述，提高太陽能電池效率，必須提高開路開路電壓電壓Uoc、短路電流、短路電流ISC和填充因子和填充因子FF這三個(gè)基本參量這三個(gè)基本參量。而這而這3個(gè)參量之間往往是互相牽制的，如果單方面提個(gè)參量之間往往是互相牽制的，如果單方面提高其中一個(gè)，可能會(huì)因此而降低另一個(gè)，以至于總效高其中一個(gè)，可能會(huì)因此而降低另一個(gè)，以至于總效率不僅沒提高反而有所下降。因而在選擇材料、設(shè)計(jì)率不僅沒提高反而有所下降。因而在

27、選擇材料、設(shè)計(jì)工藝時(shí)必須全盤考慮，工藝時(shí)必須全盤考慮，力求使力求使3個(gè)參量的乘積最大。個(gè)參量的乘積最大。 影響效率的因素影響效率的因素u材料能帶寬度材料能帶寬度: 開路電壓開路電壓UOC隨能帶寬度隨能帶寬度Eg的增大而增大，但的增大而增大，但另一方面，短路電流密度隨能帶寬度另一方面，短路電流密度隨能帶寬度Eg的增大而減的增大而減小。結(jié)果可期望在某一個(gè)確定的小。結(jié)果可期望在某一個(gè)確定的Eg處出現(xiàn)太陽電池處出現(xiàn)太陽電池效率的峰值。效率的峰值。用用Eg值介于值介于1.21.6eV的材料做成太的材料做成太陽電池，可望達(dá)到最高效率。陽電池，可望達(dá)到最高效率。薄膜電池用直接帶隙薄膜電池用直接帶隙半導(dǎo)體更為

28、可取，因?yàn)樗茉诒砻娓浇展庾?。半?dǎo)體更為可取，因?yàn)樗茉诒砻娓浇展庾印?影響效率的因素影響效率的因素u溫度溫度 : 少子的擴(kuò)散長度隨溫度的升高稍有增大，因此少子的擴(kuò)散長度隨溫度的升高稍有增大，因此光生電流也隨溫度的升高有所增加，但光生電流也隨溫度的升高有所增加，但UOC隨溫度的升隨溫度的升高急劇下降。填充因子下降，所以高急劇下降。填充因子下降，所以轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增加而降低。加而降低。 地面應(yīng)用的硅太陽能電池一般工作在地面應(yīng)用的硅太陽能電池一般工作在-40+70之間，之間，空間應(yīng)用的硅太陽能電池可在空間應(yīng)用的硅太陽能電池可在-135+125條件下工作。條件下工作。溫度

29、每升高溫度每升高1，電池的輸出功率損失約為電池的輸出功率損失約為0.35%0.45%，也就是，也就是說，在說，在20工作的硅太陽工作的硅太陽能電池的輸出功率要比在能電池的輸出功率要比在70工作時(shí)高工作時(shí)高20%。 影響效率的因素影響效率的因素u輻照度輻照度: 隨輻照度隨輻照度的增加短路電流線性的增加短路電流線性增加，增加，最大功率不斷最大功率不斷增加。將陽光聚焦于增加。將陽光聚焦于太陽電池，可使一個(gè)太陽電池，可使一個(gè)小小的太陽電池產(chǎn)生小小的太陽電池產(chǎn)生出大量的電能。出大量的電能。 影響效率的因素影響效率的因素u摻雜濃度摻雜濃度: 對(duì)對(duì)UOC有明顯影響的另一因素是半導(dǎo)體摻雜濃度。有明顯影響的另一因素是半導(dǎo)體摻雜濃度。摻摻雜濃度越高，雜濃度越高，UOC越高越高。但當(dāng)硅中雜質(zhì)濃度高于。但當(dāng)硅中雜質(zhì)濃度高于1018/cm3時(shí)稱為高摻雜，由于高摻雜而引起的禁帶收縮、時(shí)稱為高摻雜，由于高摻雜而引起的禁帶收縮、雜質(zhì)不能全部電離和少子壽命下降等等現(xiàn)象統(tǒng)稱為雜質(zhì)不能全部電離和少子壽命下降等等現(xiàn)象統(tǒng)稱為高摻高摻雜效應(yīng)，也應(yīng)予以避免。雜效應(yīng)，也應(yīng)予以避免。 影響效率的因素影響效率的因素u光生載流子復(fù)合壽命光生載流子復(fù)合