第4章太陽能光電轉(zhuǎn)換

1、第4章 太陽能光電轉(zhuǎn)換第1節(jié) 概論太陽能光電轉(zhuǎn)換是直接將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的主要部件是太陽能電池。太陽能電池也稱光伏電池，它沒有任何運動的機械部件，在能量轉(zhuǎn)換中具有重要的地位，被認為是“最優(yōu)雅的能量轉(zhuǎn)換器”。1954年，貝爾(Bell)實驗室的三名研究人員制造出第一塊硅太陽能電池，從此揭開了太陽能電池應用的序幕。剛問世時，太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率比較低，只有5%左右。1958年，太陽能電池應用到美國衛(wèi)星“先鋒一號”上，這是太陽能電池應用的一個重大突破。兩個月后，即1958年5月，蘇聯(lián)也發(fā)射了一顆利用太陽能供電的衛(wèi)星。幾十年以來，太空中出現(xiàn)了幾千顆衛(wèi)星，凡是飛行壽命在幾個月以上的，大多數(shù)都

2、采用太陽能電池作電源。早期設計的太陽能電池系統(tǒng)的輸出功率很小，只有幾十瓦，后來發(fā)展到200300W，到1963年，發(fā)射大型氣象試驗衛(wèi)星(NIMBUS)時，功率已經(jīng)達到了500W。隨著空間事業(yè)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種應用型的衛(wèi)星，比如廣播衛(wèi)星、大型通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等，要求的功率越來越大，達到了上千瓦，甚至幾千瓦、幾十千瓦。進入新千年以來，隨著科學研究和生產(chǎn)技術(shù)的日新月異的發(fā)展，光伏電池在很多領域已經(jīng)具有了競爭能力。目前太陽能電池技術(shù)的主要目標是進一步降低發(fā)電成本。但是，只有當太陽能電池與傳統(tǒng)的燃煤、燃油或核能發(fā)電競爭時，這種經(jīng)濟性方面的考慮才是必需的。在一些特殊的情況下，比如為太陽能很豐富的邊遠

3、地區(qū)供電，經(jīng)濟性的考慮就完全不同了。下圖是1988年到2004年世界上利用太陽能電池的情況。日本、歐洲、美國一直是發(fā)展和利用太陽能電池的主要國家和地區(qū)，但從新千年開始，世界其他國家和地區(qū)的發(fā)展速度明顯加快了，尤其是中國。下表所示為20022007年世界主要國家和地區(qū)的太陽能電池產(chǎn)量。第2節(jié) 光電轉(zhuǎn)換的理論基礎光生伏特效應是太陽能光電轉(zhuǎn)換的基本過程。太陽光是由光子組成的，光子的能量和太陽光譜的波長相對應。光照射到太陽能電池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就可以產(chǎn)生電能。光生伏特效應是1839年由貝克勒爾(Becquerel)發(fā)現(xiàn)的。光生伏特(PV)效應的基本概念如下圖所示。本節(jié)將

4、講述光電轉(zhuǎn)換的理論基礎。一、半導體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導電性半導體的導電能力介于導體和非導體之間，導電性能非常獨特。如對于同一塊半導體，在不同的溫度或不同強度光的照射下，導電能力就會有很大的差別；而在純半導體中加入微量的有用雜質(zhì)，它的導電能力就可以增加百萬倍。半導體的導電能力與金屬不同，金屬依靠自由電子導電，而半導體則依靠電子-空穴對導電。這些獨特的導電性是由其內(nèi)部的微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)所決定的。下面以半導體硅為例來進行介紹。所有物質(zhì)都是由原子組成的。某種物質(zhì)的原子由一定數(shù)量的帶正電荷的質(zhì)子、帶負電荷的電子和不帶電荷的中子組成。一個質(zhì)子和一個中子的質(zhì)量約相等，而中子質(zhì)量略大。原子核由質(zhì)子和中子組成，集中了原子

5、的全部正電荷和幾乎是全部的質(zhì)量。與質(zhì)子數(shù)量相等、質(zhì)量很小而且?guī)ж撾姾傻碾娮永@原子核高速運動。原子的正負電荷數(shù)相同，呈中性。電子在不同的能級上圍繞原子核運動，能級越低越接近原子核，能級越高越遠離原子核。離原子核最遠的電子和鄰近的原子相互作用，決定了固體的結(jié)構(gòu)。金屬原子的最外層電子受原子核的束縛很弱，容易脫離原子成為自由電子，能在外電場的作用下形成電流，所以金屬有良好的導電性。絕緣材料原子的最外層電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，受原子核的束縛很強，很難脫離開原子而成為自由電子，所以絕緣材料的導電性很差。半導體材料原子的最外層電子結(jié)構(gòu)介于金屬原子和絕緣材料原子之間，這決定了它的導電特性介于金屬導體和絕緣體之間。硅原子

6、有14個電子，其最外層有4個電子，稱為價電子，在光生伏特效應中起重要作用。大量的硅原子通過價電子結(jié)合在一起，形成晶體。在晶體中，每個硅原子通常和鄰近的4個硅原子以共價鍵的形式分別共享4個價電子。這樣，一個硅原子和4個與其共享價電子的硅原子構(gòu)成了一個基本單位，一系列的由5個硅原子組成的基本單位構(gòu)成了硅晶體。硅原子的這種有規(guī)律的、固定的結(jié)構(gòu)稱為晶格，如下圖所示。單晶硅的這種結(jié)構(gòu)叫做共價鍵結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點是：共價鍵內(nèi)的共有電子所受的束縛力并不太緊，在一定溫度或強光的照射下，由于熱能或光能轉(zhuǎn)化為電子的動能，如果動能足夠大，電子就可以掙脫束縛而成為自由電子。共價電子掙脫束縛而成為自由電子以后，便留下

7、一個空穴。通常把電子看成帶負電的載流子，把空穴看成帶正電的載流子。由光照產(chǎn)生的載流子叫做光生載流子。由半導體共價鍵產(chǎn)生的自由電子在電場或熱作用下運動。有的自由電子可能遇到已經(jīng)產(chǎn)生的空穴，與空穴進行復合，從而使載流子消失?？昭ㄝd流子的不斷產(chǎn)生和消失，相當于空穴(正電荷)的移動。由于電子和空穴的移動，就使半導體具有導電性。純半導體在外界因素作用下所產(chǎn)生的電導率叫本征電導率。這種電導率僅取決于半導體本身原子的激發(fā)狀態(tài)。自由電子空穴對隨著外界條件的消失而消失，電子與空穴互相復合，恢復到激發(fā)前的平衡狀態(tài)，使本征電導率趨近于零。即使在激發(fā)的非平衡狀態(tài)下，純半導體中電子-空穴對的數(shù)目仍然有限，離導電的實際要

8、求還差得很遠，故純半導體的用處不大。二、半導體禁帶寬度和光學特性硅原子遵守量子力學的下述原理：原子中的電子分布在層次分明的各個能級上；電子從能量較低的能級躍遷到能量較高的能級，需要吸收一定的能量；當原子形成晶體時，由于原子之間的影響，單一的能級變成具有一定幅度的能帶，每個能帶由若干能級組成。原子中最外層電子或價電子所在的能帶為價帶，通常也是被電子占用的能量最高的能帶，也叫滿帶。少數(shù)電子由于熱運動的緣故，可以躍遷到上面空著的具有較高能量的能帶，成為導電的自由電子，具有能導電的電子的最高能帶為導帶。價帶和導帶之間有一個空隙帶，叫做禁帶。禁帶具有一定的能量，這種能量叫做禁帶寬度。實際上，這個能量是導

9、帶的最低能級與滿帶的最高能級的能量差。禁帶寬度用Eg表示。對于絕緣體Al2O3，其室溫下的禁帶寬度為10eV，而半導體鍺的禁帶寬度僅為0.7eV，硅的禁帶寬度為1.12eV。當電子受到激發(fā)躍遷到導帶以后，在滿帶中留下空穴?？昭ㄖ辉诎雽w的晶格中形成。當半導體表面受到光的照射時，光可能被反射、吸收或透射。有些光子的能量大到是以使電子掙脫原子的束縛，同時把電子由價帶激發(fā)到導帶，使半導體中產(chǎn)生大量的電子-空穴對。這種現(xiàn)象叫內(nèi)光電效應(光子把電子打出金屬的現(xiàn)象是外光電效應)。實現(xiàn)內(nèi)光電效應的條件是其中，為光子的能量，eV；h為普朗克常數(shù)，4.136×1015eV·s；v是光的頻率，

10、1/s。半導體材料就是依靠內(nèi)光電效應把光能轉(zhuǎn)化為電能的。只有當射入光子的能量大于禁帶寬度的能量時，才能使半導體價帶中的電子被激發(fā)到導帶，實現(xiàn)光電的能量轉(zhuǎn)換；否則光子對光電能量轉(zhuǎn)換過程不起作用。被半導體材料吸收的每個具有>Eg的光子能產(chǎn)生一個而且僅是一個電子-空穴對。光子的能量決定于其頻率或波長。能量高于禁帶寬度的入射光子可以被電子完全吸收，吸收了能量的電子就躍過禁帶，到達導帶中的較高的能級。當電子最終落到導帶底層時，其從光子接受的多余能量就以熱能的形式釋放到晶格中。由此可見，禁帶寬度這個物理量，對于太陽能電池來說，具有舉足輕重的影響，它使每種太陽能電池對所吸收的光的波長都有一定的選擇性。

11、由于v=c/，c為光速，m/s，所以有波長大于截止波長的光不能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。下表列出了各種半導體材料的禁帶寬度和截止波長，以及可供利用的太陽能比率。可以看出，禁帶寬度越大，可供利用的太陽能就越少。半導體材料在吸收光子時，還表現(xiàn)出一種“帶隙”的特性。光子不是在半導體表面全部被吸收，而是在材料的一層厚度里逐步被吸收。一般情況下，光子能量通量，即單位時間通過單位截面的光子能量(光強，亦代表光子數(shù))是光子在材料中運動的距離x的函數(shù)，即其中，I(x)是在深度x處的光的強度，W/m2；I(0)是射入正交表面的光強，W/m2；a是吸收系數(shù)，1/m。同一種半導體材料，對頻率高的光子，一般吸收系數(shù)也大；不同的半

12、導體材料，對同一頻率的光子，一般吸收系數(shù)不同。這就意味著太陽能電池對半導體材料的薄膜厚度有一定的要求。例如，若要吸收90%以上的光子能量，半導體Si的薄膜厚度需超過100um，而半導體GaAs的薄膜厚度只需要1um。三、半導體的摻雜特性沒有雜質(zhì)的純半導體也稱為本征半導體。為了使半導體具有實用性，在半導體中加入少量雜質(zhì)可能改變其導電機制(電子導電或者空穴導電)，這種半導體稱為雜質(zhì)半導體。如果雜質(zhì)半導體中的導電載流子主要是電子，則稱為n型半導體；若載流子主要是空穴，稱為p型半導體。下圖顯示了在硅晶格中加入雜質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)。當摻入具有5個價電子的磷原子時，磷原子替代了硅晶格中的硅原子，其4個價電子和周

13、圍的4個硅原子形成共價鍵，同時多出一個價電子。這個價電子受原子核的束縛較小，其能級屬于禁帶，但靠近導帶，容易被激發(fā)到導帶中而成為自由電子。當在硅晶體中加入的磷原子是夠多時，就能產(chǎn)生很多自由電子。當受到外界條件激發(fā)時，半導體中的自由電子(負電荷)數(shù)遠多于空穴(正電荷)數(shù)，自由電子稱為多數(shù)載流子或多子，空穴稱為少數(shù)載流子或少子。像磷原子這樣的能在半導體中貢獻自由電子的雜質(zhì)原子稱施主。這種主要依靠從施主能級激發(fā)到導帶中去的電子來導電的半導體稱為電子型或n型半導體，如摻入磷原子的硅就稱為n型硅。當摻入有3個價電子的硼原子時，一個硼原子替代硅晶格中的一個硅原子，與周圍的4個硅原子形成共價鍵時還缺少一個價

14、電子，換句話說，有一個多余的空穴。硼原子的價電子能級雖然也屬于禁帶，但靠近滿帶，滿帶中的電子就容易被激發(fā)到硼原子能級，從而填補該空穴，同時留下一個能級較低的新空穴。這就是說，摻入雜質(zhì)硼的作用是為半導體硅提供了多數(shù)載流子空穴，而電子卻是少數(shù)載流子。像硼原子這樣的能在半導體中貢獻空穴的雜質(zhì)原子稱受主。這種主要依靠受主能級使?jié)M帶中產(chǎn)生空穴來導電的半導體稱為空穴型或p型半導體，如摻入硼原子的硅就稱為p型硅。在室溫熱平衡狀態(tài)下，半導體中導電電子濃度n和空穴濃度p的關系如下：其中，B對所有半導體幾乎是個常數(shù)，B1039/cm6；Eg是半導體禁帶寬度；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；對本征半導體，m=p=n

15、i，ni為本征載流子濃度。在n型半導體中，施主濃度Nd>>ni，則在p型半導體中，受主濃度Na>>ni，則可見，n型半導體中電子是多子，空穴是少子；p型半導體中則相反。摻入雜質(zhì)的p型和n型半導體本身都是電中性的，但是在吸收光子以后，由于基體材料(如硅等)中的原子激發(fā)而形成電子-空穴對和雜質(zhì)產(chǎn)生多數(shù)載流子，從而使半導體的電導率大為增加。如在室溫下，純凈硅的ni1010 /cm3，若摻雜磷原子的濃度Nd=n=1015/cm3，則p=105/cm3。而金屬的ni>1022/cm3，顯然純凈硅的導電性很差，摻雜后的n型硅的導電性大為增強。需要指出的是，當摻雜半導體的溫度很

16、高時，不論是p型還是n型，由于施主和受主能級都居于禁帶中央，摻雜半導體都會變?yōu)楸菊靼雽w。四、p-n結(jié)在n型半導體內(nèi)，電子很多，空穴很少；而在p型半導體內(nèi)，空穴很多，電子很少。當n型和p型半導體接觸時，在交界面兩側(cè)，電子和空穴的濃度不相等，使空穴由濃度大的p 型區(qū)向濃度小的n型區(qū)擴散，同樣，電子由濃度大的n型區(qū)向濃度小的p型區(qū)擴散。這就是多數(shù)載流子的擴散運動。在未擴散以前，n型區(qū)和p型區(qū)都是電中性的。如上所述，多數(shù)載流子的擴散使交界面處p型區(qū)一側(cè)出現(xiàn)負電荷(電子)積累，n型區(qū)一側(cè)出現(xiàn)正電荷(空穴)積累，形成一層電偶極層，這就是p-n結(jié)，其厚度約為0.1um量級。這樣就在p-n結(jié)內(nèi)產(chǎn)生一個由n型

17、區(qū)指向p型區(qū)的電場，稱為內(nèi)建電場。內(nèi)建電場的存在，形成一個從p-n結(jié)的n型區(qū)一側(cè)指向p型區(qū)一側(cè)的電勢差，叫做勢壘，也稱為接觸電位差。勢壘產(chǎn)生對電荷的作用力。電場的方向與正電荷的受力方向相同，而與負電荷的受力方向相反。因此，勢壘起阻止p型區(qū)的空穴繼續(xù)向n型區(qū)擴散，甚至被推回p型區(qū)的作用；同樣，勢壘阻止n型區(qū)的電子向p型區(qū)繼續(xù)擴散，甚至被拉回n型區(qū)?？傊?，內(nèi)建電場的建立阻礙了多數(shù)載流子的擴散運動。另一方面，當p型區(qū)中的電子和n型區(qū)中的空穴移動到勢壘區(qū)附近時，在內(nèi)建電場的作用下卻能向n型區(qū)和p型區(qū)移動。這種p-n結(jié)內(nèi)與多數(shù)載流子擴散運動方向相反的少數(shù)載流子的運動叫漂移運動。漂移運動最后與擴散運動趨于

18、平衡，p-n結(jié)內(nèi)空間電荷區(qū)的厚度不再增加。如果環(huán)境條件不改變，這個平衡狀態(tài)不會被破壞。空間電荷區(qū)的厚度與半導體中的摻雜濃度有關。五、太陽能電池的工作原理下圖是用p型和n型半導體材料制成的太陽能電池的示意圖。在光照下，太陽能電池的n型區(qū)和p型區(qū)中原子的價電子受到激發(fā)，產(chǎn)生一對對光生電子-空穴對，也稱為光生載流子。這樣形成的電子-空穴對進行熱運動，在各個方向上(包括向p-n結(jié))遷移。如前所述，由于p-n結(jié)中勢壘的存在，就可以把遷移到p-n結(jié)附近的電子-空穴對分開。p型區(qū)內(nèi)的少數(shù)載流子電子被驅(qū)向n型區(qū)，而n型區(qū)內(nèi)的空穴被驅(qū)向p型區(qū)，形成與擴散電流相反的漂移電流。結(jié)果在n型區(qū)一側(cè)有過剩的電子積累，而在

19、p型區(qū)有過剩的空穴積累，則在少n結(jié)兩端形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。這個電場除了一部分抵消內(nèi)建電場以外，還使p型層帶正電，n型層帶負電，在n型區(qū)和p型區(qū)之間產(chǎn)生光生電動勢，如下圖所示。第3節(jié) 太陽能電池的基本特性一、太陽能電池等效電路太陽能電池的等效電路如下圖所示，其中開關元件左側(cè)是p-n型電池的等效電路，右側(cè)是外部負載的等效電路。光照情況下的太陽能電池可以等效為一個理想電流源、一個理想二極管、旁路電阻Rsh和串聯(lián)電阻RR的組合。恒定的入射輻射使太陽能電池內(nèi)部形成穩(wěn)定的從n型區(qū)到p型區(qū)的反向光生電流Isc，它是由n型區(qū)、空間電荷區(qū)和p型區(qū)中光生載流子的移動和漂移而產(chǎn)生的。光生電流在p型區(qū)和

20、n型區(qū)兩端造成一光生電動勢。光生電動勢的電場方向與p-n結(jié)的內(nèi)建電場方向相反，當電池兩級與外部負載接通時，就會輸出直流電能。理想二極管代表p-n結(jié)。光生電動勢的存在相當于在少n結(jié)兩邊加了一個正偏壓電源(電源正極與p型區(qū)連接，負極與n型區(qū)連接)，打破了p-n結(jié)內(nèi)擴散與漂移兩個相反過程的平衡，從而推動p-n結(jié)交界面上多數(shù)載流子空穴和電子進行穩(wěn)定持續(xù)的擴散。二極管中的電流ID就是由于這種擴散而形成的正向電流，亦稱暗電流。在沒有光輻射的情況下，太陽能電池就是一個普通的半導體二極管。太陽能電池的電阻包括等效串聯(lián)電阻RR和等效并聯(lián)電阻Rsh。RR代表p型區(qū)和n型區(qū)半導體材料的體電阻、p-n結(jié)擴散層的薄層電

21、阻、電池電極的歐姆接觸電阻等。理想情況下，RR=0；實際的高質(zhì)量太陽能電池其阻值很小，一般小于1。Rsh是考慮到p型區(qū)和n型區(qū)中載流子的產(chǎn)生與復合、p-n結(jié)載流子泄漏以及電池邊緣載流子泄漏等產(chǎn)生的電流損失而增加的一個電阻，一般它的阻值是幾千歐。串聯(lián)電阻會降低工作電壓，電流越大，工作電壓下降得越多。好的單晶硅電池在任何情況下都沒有分流或分流很小(Rsh阻值足夠大)；但是多晶硅和非晶硅電池，并聯(lián)電阻的影響就很明顯。當流過負載RL的電流為IL，負載的端電壓為V時，從等效電路可知二、伏安特性和轉(zhuǎn)換效率為了分析太陽能電池的工作特性，需要了解p-n結(jié)的伏安特性。下圖表示了沒有光照和有光照兩種情況下簡化的p

22、-n結(jié)典型的電壓(V)和電流(I)曲線，其中上圖中的上方曲線表示沒有光照時正偏壓下(正向)的暗特性，下方曲線表示有光照時正向的明特性。沒有光照時太陽能電池的p-n結(jié)就是一個普通的二極管。在p-n結(jié)兩端加上正偏壓，使p-n結(jié)的自建電場削弱，就產(chǎn)生從p型區(qū)到n型區(qū)的正向電流。但是，當正偏壓較小時，外部電場不足以克服勢壘對多數(shù)載流子擴散的阻擋作用，正向電流仍然很小。只有當正偏壓增加到一定的值(稱死區(qū)電壓)時，p-n結(jié)中的正向擴散電流才能大大超過反向漂移電流，使正向電流迅速增加。此時，p-n結(jié)很窄，載流子的擴散、復合電阻很小，電流增加的變化率很大。在有光照的情況下，光電流的特性疊加到暗特性曲線上，由于

23、光電流方向與正向電流相反，故明特性光伏曲線下移，如圖所示。在明特性曲線中，Voc是未接負載時的開路電壓，即是開路狀態(tài)下的光電壓。對應開路電壓的負載電流等于0，此時若忽略并聯(lián)電阻Rsh中的電流，則光生電流與暗電流大小相等，即IL=ID。明特性曲線上的Isc是電池p型區(qū)和n型區(qū)兩端電極短路時的短路電流，其對應的端電壓為0。短路時，暗電流為0，短路電流就是光生電流，其大小與照射到電池上的光通量成正比，還與電池設計有關。具有理想p-n結(jié)的太陽能電池的輸出電流是短路電流和暗電流的代數(shù)和，其I-V曲線由下式確定：式中，V為電壓，V；e為基本電荷，1.6×10-19C；k為玻爾茲曼常數(shù)，1.38&

24、#215;10-23J/K；T為溫度，K；I0為無光照時的反向飽和電流，A；Isc為短路電流，A。對反向飽和電流I0作簡單說明如下：在無光照情況下，如果在p-n型電池兩端加反偏壓(電源正極接n型區(qū)，負極接p型區(qū))，一方面外加電場方向與內(nèi)建電場方向一致，使p-n結(jié)兩邊多子的擴散阻力更大，另一方面也使p型區(qū)和n型區(qū)里擴散到p-n結(jié)附近的為數(shù)不多的少子向?qū)Ψ降钠聘吶菀住Ｉ僮拥钠菩纬煞聪螂娏?，隨反偏壓的增加而緩慢增大。因為p型區(qū)和n型區(qū)中沒有光照激發(fā)產(chǎn)生的載流子，當反偏壓足夠大時，反向電流將達到飽和，稱為反向飽和電流。一般硅p-n結(jié)的I0很小，只有幾微安到幾十微安。將前圖上圖第四象限的明特性曲線

25、向上翻轉(zhuǎn)180°，得到圖的下圖。圖中的曲線是負載從零變到無窮大時，太陽能電池的負載特性曲線。曲線上的任一點都稱為工作點。工作點(Vmp，Imp)界定的矩形面積Pmp=ImpVmp是電池在該工作點的輸出功率。使Pmp達到最大值Pm的工作點(Vm，Im)稱為最佳工作點，與其對應的Pm、Vm、Im及負載Rm分別是最大輸出功率、最佳工作電壓、最佳工作電流和最佳負載電阻。從下圖可見，負載特性曲線不會超過開路電壓Voc和短路電流Isc界定的矩形范圍，即太陽能電池輸出功率的極限值不會超過矩形面積VocIsc。這就意味著太陽能電池的輸出特性曲線越充滿該矩形越好。因此，常用填充因子的大小來評價太陽能電

26、池輸出特性的優(yōu)劣。填充因子定義為最大輸出功率與VocIsc的比值，即太陽能電池最重要的性能指標之一是光電轉(zhuǎn)換效率或簡稱為效率。效率的定義是太陽能電池的最大輸出電功率與輸入光功率之比，即其中，IgT是太陽能電池單位表面積上的入射太陽總輻射，W/m2；A為太陽能電池的上表面積，m2。 由上式可以得到上圖指出了開路電壓Voc、短路電流Isc和太陽能電池表面的入射太陽輻射的關系。短路電流隨輻射強度線性變化，即其中，m為比例常數(shù)，A·m2/W；IgT為總輻射，W/m2。開路電壓隨入射太陽輻射強度呈對數(shù)變化，用Isc代替IgT，可以得到其中，Eg為禁帶寬度，J；e為基本電荷，1.6×1

27、0-19C；k為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；T為太陽能電池的溫度，K；Iso為和材料有關的特性電流。開路電壓受到禁帶寬度Eg、溫度和特征值Iso的影響，該值依賴于半導體的特性。將上面兩式代入前式，可以得到上式表明，太陽能電池的效率和太陽輻射呈對數(shù)關系。其定性變化與前圖中Voc的變化相同。效率先是快速增加，在輻射達到某個閾值時，效率增加變得非常緩慢。上式也說明，太陽能電池應在盡可能低的溫度下運行，以提高效率。太陽能電池的效率還依賴于半導體的禁帶寬度Eg，它代表所吸收的光子的能量。太陽輻射的光譜分布很廣，如下圖所示。圖中AM的含義是大氣質(zhì)量；AM0表示大氣層外的太陽輻射，未

28、受到大氣層的反射和吸收；AM1表示垂直于地表面的太陽輻射。禁帶寬度很小的半導體可以吸收大部分的太陽輻射，從而形成很大的光電流。例如，硅的禁帶寬度為1.1eV，從圖可以看出，硅能吸收絕大部分的太陽輻射。禁帶寬度小，一方面由于吸收了大量的太陽輻射，形成大量的電子-空穴對，從而增加了短路電流，有利于提高太陽能電池的效率；但是另一方面，開路電壓Voc會降低，又導致電池效率的降低。對于禁帶寬度非常小的材料，開路電壓低是導致電池效率低的原因；而對于禁帶寬度很大的材料，低的效率是由于只吸收了有限的太陽輻射。可以期望某個適當?shù)慕麕挾饶軐е伦畲蟮碾姵匦?。三、影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素由式可知，提高太陽能電

29、池轉(zhuǎn)換效率的基本方向是綜合提高開路電壓、短路電流和填充因子。這三個參數(shù)不是獨立的，而是相互關聯(lián)、相互制約，受到多種因素的影響。影響這些參數(shù)的因素主要有三類：太陽能電池半導體材料的性質(zhì)，包括基體材料性質(zhì)和摻雜特性。材料性質(zhì)影響到對光輻射的吸收和反射，禁帶寬度，載流子的產(chǎn)生、擴散與復合等光電轉(zhuǎn)換中的基本微觀物理過程。太陽能電池的制造工藝。制造工藝是否精良直接關系到電池的等效串聯(lián)電阻和等效并聯(lián)電阻。太陽能電池的工作條件，如溫度。這里僅介紹以下幾種影響轉(zhuǎn)換效率的因素。1、光損耗光損耗來自三個方面。一是入射光在太陽能電池表面受到反射。不同材料的表面對太陽光的反射系數(shù)不一樣。硅的反射率很高，如果不采取減反

30、射措施，約等于30。但只要在硅片上蒸鍍一層Ti2O或其他減反射膜，在可見光譜范圍內(nèi)，反射系數(shù)可以減至6。另一方面，能量小于Eg的光子的能量不能轉(zhuǎn)化為電能，而是變?yōu)闊崮軗p耗掉。再加上能量大于Eg的那部分光子，產(chǎn)生光生載流子以后，還可能有多余的能量，也變成熱量損耗掉。另外，光譜中長波一側(cè)的一小部分輻射能量能夠穿透電池片而到達背電極，也損失掉了。這些統(tǒng)稱為量子損失，它依賴于材料的禁帶寬度。 這里引入光譜因子的概念。所渭光譜因子，就是受入射光子激發(fā)而產(chǎn)生的光生載流子獲得的能量與入射總光強度的比，表示如下：其中，g為截止波長，m；Ii為入射光強度，W/m2；c為光速，m/s。2、復合損失半導體吸收光輻射

31、會產(chǎn)生電子-空穴對，打破了原有的載流子濃度的平衡。像一切自然過程一樣，隨著舊的平衡被破壞，恢復新的平衡狀態(tài)的趨勢也就同時產(chǎn)生了。這種恢復過程叫做復合，是產(chǎn)生電子-空穴對的逆過程，即電子從導帶返回價帶，使受光子激發(fā)生成的電子和空穴湮滅。半導體電池在接受光照工作時，其內(nèi)部可能同時存在三種機制的載流子復合：直接復合、通過復合中心的復合和表面復合。載流子的復合導致被吸收能量的損失。(1)直接復合。在半導體的p型區(qū)，空穴是多子，電子是少子；在n型區(qū)，電子是多子，空穴是少子。在光生電場和熱運動的作用下，有一部分電子少子和空穴少子分別向p型方向和n型方向作擴散運動，在半導體內(nèi)部形成一股從太陽能電池的正極指向

32、負極的電流。當一個少子在擴散中遇到一個多子(空穴或電子)時，就發(fā)生直接復合，電子從導帶回歸滿帶，實現(xiàn)了電子-空穴對的湮滅，同時釋放出從輻射光獲得的等于禁帶寬度的能量Eg，從而造成光電轉(zhuǎn)換的能量損失。在統(tǒng)計意義上，載流子從生成地點運動到復合地點這段距離的平均值稱為擴散長度，它是太陽能電池性能的一個重要參數(shù)?？臻g技術(shù)中用的硅電池的擴散長度大約為160um。與p-n結(jié)距離超過擴散長度的載流子，在未到達p-n結(jié)以前，就能被直接復合掉。(2)中心復合。在內(nèi)建電場力的作用下，從p型區(qū)和n型區(qū)運動到與p-n結(jié)邊界的距離在擴散長度以內(nèi)的多子被吸入勢壘區(qū)；在這個區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生的少子被掃入勢壘區(qū)；在勢壘區(qū)里也有電

33、子-空穴對生成。勢壘區(qū)內(nèi)電子的能級屬于禁帶能級，此處電子與空穴的復合屬于復合中心的復合，復合使電子釋放出能量。這種中心復合也產(chǎn)生一股從太陽能電池的正極指向負極的電流。前面提到的太陽能電池的暗電流就是由直接復合和中心復合共同產(chǎn)生的。(3)表面復合。由于電池的表面結(jié)構(gòu)異常復雜，如存在晶格中斷、畸變、缺陷、雜質(zhì)等原因，形成了大量的表面復合中心。光的輻照首先在電池表面層激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對，其中一部分少子還來不及向晶體內(nèi)部擴散就被表面復合中心復合了，導致少子即能量的損失。上述復合過程使光輻射產(chǎn)生的過剩載流子不能全部被收集到太陽能電池的輸出電極上，使能形成負載電流的載流子只占全部光生載流子的一定比例，這

34、就是所謂的收集效率。收集效率與很多因素有關，如p-n結(jié)寬度、過剩載流子的擴散長度、光波在半導體中的吸收系數(shù)以及表面復合速度等。從宏觀角度看，太陽能電池中少子的復合減小了短路電流Isc和開路電壓Voc，從而使轉(zhuǎn)換效率降低。電池晶體內(nèi)因復合而產(chǎn)生的暗電流使輸出電流減小。因此改善電池表面質(zhì)量、減小暗電流是提高太陽能電池效率的重要方面。3、電壓因子損失在理論上，開路電壓Voc應等于p-n結(jié)的勢壘Vj=Eg/e，其中Eg是禁帶寬度，e是基本電荷。但是實際上，由于電池的p-n結(jié)等處存在電流泄漏(等效并聯(lián)電阻Rsh)，使開路電壓降低，從而造成效率損失。常用電壓損失因子來表示這種損失：如硅光電池的Eg為1.1

35、2eV，而開路電壓只有0.450.61V，理想電池的開路電壓為0.82V。這項損失就達到40%50%。為了減少電壓因子損失，就必須使p-n結(jié)的漏電流減至最小。4、串聯(lián)電阻上的損失太陽能電池串聯(lián)電阻的存在直接影響輸出電壓，亦即填充因子的大小。在運行條件下，太陽能電池的填充因子永遠不可能達到1。對于理想電池，填充因子為0.8，由于串聯(lián)電阻的存在，填充因子為0.70.75。由于這些原因，太陽能電池的效率遠小于下圖所示的值。電池的轉(zhuǎn)換效率可以表示為電壓因子、填充因子和光譜因子的乘積，即該轉(zhuǎn)換效率稱為極限轉(zhuǎn)換效率或理想轉(zhuǎn)換效率。不同半導體材料的極限轉(zhuǎn)換效率如下圖所示。第4節(jié) 幾種典型的太陽能電池一、晶體

36、硅太陽能電池晶體硅太陽能電池是典型的p-n結(jié)型太陽電池，它的研究最早、應用最廣。晶體硅太陽能電池又可以分為單晶硅電池、鑄造多晶硅電池和帶狀多晶硅電池。目前開發(fā)最多的是典型的單晶硅太陽能電池。這種電池的效率為12%14%，在實驗室能達到20%。電池厚度為0.20.3mm。傳統(tǒng)的制造硅太陽能電池的工藝過程，主要包括生長單晶、切片、摻雜、形成p-n結(jié)和電極、裝配等幾個獨立的步驟。首先要用石英砂生產(chǎn)工業(yè)硅。工業(yè)硅經(jīng)過提純生長成單晶，通常采用Czochralski方法。該過程中，將一個單晶粒放入盛有含一定量雜質(zhì)的熔融態(tài)硅的坩堝中。晶粒會慢慢旋轉(zhuǎn)、移動，使熔融的硅在離開液面時固化和生長。硅的轉(zhuǎn)化過程、熔融

37、過程及單晶粒的制備過程都是高耗能的，是太陽能電池生產(chǎn)中高成本的一步(硅的熔點為1415)。對于地面應用來說，人們考慮更多的是太陽能電池的成本而不是效率。因此，全世界都在努力降低生產(chǎn)硅晶體和晶片所需的能耗、時間和成本。非晶硅也很重要。非晶硅的禁帶寬度為1.6eV，非常接近最優(yōu)值1.5eV。其吸收系數(shù)比單晶硅高12個數(shù)量級。因此可以采用非常薄的大約1um厚的膜。和多晶硅相比，非晶硅的晶體結(jié)構(gòu)很不規(guī)則。這也是早期認為非晶硅不能用來生產(chǎn)太陽能電池的原因?，F(xiàn)在已經(jīng)知道，通過滲入氫，可以彌補大部分的晶體缺陷，同時氫又相當于硅中的雜質(zhì)。由于制造工藝簡單，非晶硅受到了科學家和制造商的極大關注。二、薄膜太陽能電

38、池薄膜太陽能電池的厚度一般只有110um，制備在玻璃等相對廉價的襯底支撐材料上，可以實現(xiàn)低成本、大面積的工業(yè)化生產(chǎn)。根據(jù)薄膜材料的不同，主要的薄膜包括砷化鎵薄膜太陽電池、非晶硅薄膜太陽電池、多晶硅薄膜太陽電池、銅銦硒薄膜太陽電池及碲化鎘太陽能電池等。1、砷化鎵薄膜太陽能電池砷化鎵(GaAs)是硅材料之外的另一種重要的半導體材料，其禁帶寬度為1.43eV，太陽能光電轉(zhuǎn)換理論效率相對較高；但是相對于硅太陽電池，GaAs薄膜太陽電池的生產(chǎn)設備復雜，能耗大，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)成本高。一般而言，GaAs薄膜太陽電池的制備采用液相外延(LPE)、金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)等生長技術(shù)，在GaAs單晶

39、襯底上，生長n型和p型GaAs薄膜，構(gòu)成單結(jié)、雙結(jié)和多結(jié)薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)。2、非晶硅薄膜太陽電池非晶硅薄膜太陽電池與晶體硅太陽電池相比，具有重量輕、工藝簡單、成本低和耗能少的特點。非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)不同于晶體硅中的簡單的p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，而是pin結(jié)構(gòu)，即在p層與n層之間加入較厚的本征層i。非晶硅薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)分為單結(jié)和多結(jié)疊層。對于單結(jié)電池，基本是在玻璃、不銹鋼、陶瓷和塑料等襯底上，制備pin結(jié)構(gòu)的非晶硅層。這種太陽能電池是異質(zhì)結(jié)電池，因為包含兩種能帶結(jié)構(gòu)不同的材料。異質(zhì)結(jié)是不同禁帶寬度p-n結(jié)的組合，禁帶寬度大的半導體通常面對入射光。這種情況下輻射的吸收主要是在第二種材料的上表面。和普通p-

40、n結(jié)電池相比，異質(zhì)結(jié)電池也具有很寬的光譜敏感性。該電池的有效禁帶寬度大約是1.1eV。單個電池的最大效率約為8%，串聯(lián)電池組的最大效率大約為3%6%。三、幾種特殊的太陽能電池因為太陽能電池的成本很高，所以用更高的太陽輻射照射太陽能電池一直是深入研究的一個問題。像在集熱器中那樣，采用聚光器，如組合平面鏡或者聚焦透鏡，可以得到更高的太陽輻射。使用聚光器的電池要有太陽跟蹤設備。但是，采用高輻射會導致一些特殊問題，如增加等效電路的串聯(lián)電阻。對于典型的硅太陽能電池，在正常太陽輻射條件下，串聯(lián)電阻大約為0.1，對應的功率損失大約為4%。如果輻射增強100倍，那么功率損失達到90%，因為功率損失和電流的平方成正比。因此，聚光的太陽能電池必須經(jīng)過特殊的摻雜，采用特殊的金屬電極，以減少由于表面電阻造成的損失。聚光的另一個問題是太陽能電池的效率隨溫度升高而下降，如下圖所示。一種改進措施是采取混合收集器，利用循環(huán)水來冷卻收集器，就像在太陽能集熱器中那樣。這種混合型收集器對于效率在100左右開始下降的半導體材料(如砷化鎵)是非?？尚械?。冷卻水可以用作采暖熱水，或者作其他低溫利用。第5節(jié) 太陽能光伏系統(tǒng)一、太陽能電池的連接太陽能電池是太陽能光伏系統(tǒng)的基本單位，單個的太陽能電池的