太陽能電池板原理

1、隨著全球能源日趨緊張，太陽能成為新型能源得到了大力的開發(fā)，其中我們在生活中使用最多的就是太陽能電池了。太陽能電池是以半導(dǎo)體材料為主，利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電轉(zhuǎn)換，使它產(chǎn)生電流，那么太陽能電池的工作原理是怎么樣的呢？太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。當太陽光照射到半導(dǎo)體上時，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，當然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子價電子碰撞，于是產(chǎn)生電子空穴對。這樣，光能就以產(chǎn)生電子空穴對的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。一、太陽能電池的物理基礎(chǔ)當太陽光照射結(jié)時，在半導(dǎo)體內(nèi)的電子由于獲得了光能而釋放電子，相應(yīng)地便產(chǎn)生了

2、電子空穴對，并在勢壘電場的作用下，電子被驅(qū)向型區(qū)，空穴被驅(qū)向型區(qū)，從而使凡區(qū)有過剩的電子，區(qū)有過剩的空穴。于是，就在結(jié)的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。如果半導(dǎo)體內(nèi)存在PN結(jié)，則在P型和N型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅(qū)向N區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)，從而使得N區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，在PN結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反光的生電場。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。目前，技術(shù)最成熟，并具有商業(yè)價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，詳細介紹太陽能電池的工作原理。1、本征半導(dǎo)體物質(zhì)的導(dǎo)電性能決定于原子結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體一般為低價元素，它們的最外

3、層電子極易掙脫原子核的束縛成為自由電子，在外電場的作用下產(chǎn)生定向移動，形成電流。高價元素（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，很難成為自由電子，所以導(dǎo)電性極差，成為絕緣體。常用的半導(dǎo)體材料硅（Si）和鍺（Ge）均為四價元素，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核束縛的那么緊，因而其導(dǎo)電性介于二者之間。將純凈的半導(dǎo)體經(jīng)過一定的工藝過程制成單晶體， 即為本征半導(dǎo)體。晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣，相鄰的原子 形成共價鍵。晶體中的共價鍵具有極強的結(jié)合力，因此，在常溫下，僅有極少數(shù)的價電子由于熱運動（熱激發(fā)）獲得足夠的能量

4、，從而掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子。與此同時，在共價鍵中留下一個空穴。原子因失掉一個價電子而帶正電，或者說空穴帶正電。在本征半導(dǎo)體中，自由電子與空穴是成對出現(xiàn)的，即自由電子與空穴數(shù)目相等。自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補空穴，使兩者同時消失，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。在一定的溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與空穴對，與復(fù)合的自由電子和空穴對數(shù)目相等，故達到動態(tài)平衡。能帶理論：1、單個原子中的電子在繞核運動時，在各個軌道上的電子都各自具有特定的能量；2、越靠近核的軌道，電子能量越低；3、根據(jù)能量最小原理電子總是優(yōu)先占有最低能級；4、價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶；5、價帶的上面有一個禁帶，禁帶

5、中不存在為電子所占據(jù)的能級；6、禁帶之上則為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶中的能級就是價電子掙脫共價鍵束縛而成為自由電子所能占據(jù)的能級；7、禁帶寬度用Eg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)。T=300K時，硅的Eg=1.1eV；鍺的Eg=0.72eV。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體：通過擴散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量雜質(zhì)元素，便可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。按摻入的雜質(zhì)元素不用，可形成N型半導(dǎo)體和P型半導(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)電性能。N型半導(dǎo)體： 在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體。由于雜質(zhì)原子的最外層有五個價電子，所以除了與其周圍硅原子

6、形成共價鍵外，還多出一個電子。多出的電子不受共價鍵的束縛，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，故稱自由電子為多數(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，故稱之為施主原子。P型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導(dǎo)體。由于雜質(zhì)原子的最外層有三個價電子，所以當它們與其周圍硅原子形成共價鍵時，就產(chǎn)生了一個“空位”，當硅原子的最外層電子填補此空位時，其共價鍵中便產(chǎn)生一個空穴。因而P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子。因雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，故稱之為受主原子。3、PN結(jié)PN結(jié)：采用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體與

7、N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結(jié)。擴散運動：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。當把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在一起時，在它們的交界面，兩種載流子的濃度差很大，因而P區(qū)的空穴必然向N區(qū)擴散，與此同時，N區(qū)的自由電子也必然向P區(qū)擴散，如圖示。由于擴散到P區(qū)的自由電子與空穴復(fù)合，而擴散到N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，P區(qū)出現(xiàn)負離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們是不能移動的，稱為空間電荷區(qū)，從而形成內(nèi)建電場。隨著擴散運動的進行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)建電場增強，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，正好阻止擴散運動的進行。漂移

8、運動：在電場力作用下，載流子的運動稱為漂移運動。當空間電荷區(qū)形成后，在內(nèi)建電場作用下，少子產(chǎn)生飄移運動，空穴從N區(qū)向P區(qū)運動，而自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動。 在無外電場和其它激發(fā)作用下，參與擴散運動的多子數(shù)目等于參與漂移運動的少子數(shù)目，從而達到動態(tài)平衡，形成PN結(jié)，如圖示。 此時，空間電荷區(qū)具有一定的寬度，電位差為 =Uho，電流為零。二、太陽能電池工作原理1、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PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。如前所述，當光照射到半導(dǎo)體光伏器件上時，能量大于硅禁帶寬度的光子穿過減反射膜進入硅中，在N區(qū)、耗盡區(qū)和P區(qū)中激發(fā)出光生電子-空穴對。耗盡區(qū)：光生電子-空穴對在耗盡區(qū)中產(chǎn)生

9、后，立即被內(nèi)建電場分離，光生電子被送進N區(qū)，光生空穴則被推進P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0，即p=n=0。在N區(qū)中：光生電子-空穴對產(chǎn)生以后，光生空穴便向P-N結(jié)邊界擴散，一旦到達P-N結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場作用，被電場力牽引作漂移運動，越過耗盡區(qū)進入P區(qū)，光生電子（多子）則被留在N區(qū)。在P區(qū)中：的光生電子（少子）同樣的先因為擴散、后因為漂移而進入N區(qū)，光生空穴（多子）留在P區(qū)。如此便在P-N結(jié)兩側(cè)形成了正、負電荷的積累，使N區(qū)儲存了過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴。從而形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。1.光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶

10、負電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢，這就是光生伏打效應(yīng)。當電池接上一負載后，光電流就從P區(qū)經(jīng)負載流至N區(qū)，負載中即得到功率輸出。2.如果將P-N結(jié)兩端開路，可以測得這個電動勢，稱之為開路電壓Uoc。對晶體硅電池來說，開路電壓的典型值為0.50.6V。3.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，這個電流稱為短路電流Isc。影響光電流的因素：1.通過光照在界面層產(chǎn)生的電子-空穴對愈多，電流愈大。2.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。 3.太陽能電池的N區(qū)、耗盡區(qū)和P區(qū)均能產(chǎn)生光生載流子；4.各區(qū)中的光生載流子必須在復(fù)合之前越過耗

11、盡區(qū)，才能對光電流有貢獻，所以求解實際的光生電流必須考慮到各區(qū)中的產(chǎn)生和復(fù)合、擴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)計的依據(jù)。 吸收定律當一束光譜輻照度為I0的光正交入射到半導(dǎo)體表面上時，扣除反射后，進入半導(dǎo)體的光譜輻照度為I0(1-R)，在半導(dǎo)體內(nèi)離前表面距離為x處的光譜輻照度Ix由吸收定律決定：當薄片厚度為d時，我們可以得到關(guān)于透射率更完整的近似表達式。單晶硅、砷化鎵和一些重要太陽能電池材料的吸收系數(shù)與波長的關(guān)系如圖所示。 本征吸收在原子圖像中，硅的本征吸收可以理解為一個硅原子吸收一個光子后受到激發(fā)，使得一個共

12、價電子變成了自由電子，同時在共價鍵斷裂處留下一個空穴。實驗發(fā)現(xiàn)，只有那些hu大于禁帶寬度Eg的光子，才能產(chǎn)生本征吸收。顯然入射光子必須滿足或 式中Vo-剛好能產(chǎn)生本征吸收的光的頻率（頻率吸限）；o-剛好能產(chǎn)生本征吸收的光的波長（波長吸收限）?？梢哉J為，硅對于波長大于1.15m的紅外光是透明的。3、太陽能電池等效電路、輸出功率和填充因數(shù) 等效電路為了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負載系統(tǒng)用一個等效電路來模擬。1.恒流源: 在恒定光照下，一個處于工作狀態(tài)的太陽電池，其光電流不隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中可把它看做是恒流源。2.暗電流Ibk : 光電流一部分流經(jīng)負載RL，在負載兩端建立起端電壓U

13、，反過來，它又正向偏置于PN結(jié)，引起一股與光電流方向相反的暗電流Ibk。3.這樣，一個理想的PN同質(zhì)結(jié)太陽能電池的等效電路就被繪制成如圖所示。4.串聯(lián)電阻RS:由于前面和背面的電極接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免地要引入附加電阻。流經(jīng)負載的電流經(jīng)過它們時，必然引起損耗。在等效電路中，可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻RS來表示。5.并聯(lián)電阻RSh:由于電池邊沿的漏電和制作金屬化電極時在微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本應(yīng)通過負載的電流短路，這種作用的大小可用一個并聯(lián)電阻RSh來等效。當流進負載RL的電流為I，負載RL的端電壓為U時，可得：式中的P就是太陽能電池被

14、照射時在負載RL上得到的輸出功率。 輸出功率 當流進負載RL的電流為I，負載RL的端電壓為U時，可得：式中的P就是太陽能電池被照射時在負載RL上得到的輸出功率。當負載RL從0變到無窮大時，輸出電壓U則從0變到U0C，同時輸出電流便從ISC變到0，由此即可畫出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，工作點和原點的連線稱為負載線，負載線的斜率的倒數(shù)即等于RL，與工作點對應(yīng)的橫、縱坐標即為工作電壓和工作電流。調(diào)節(jié)負載電阻RL到某一值Rm時，在曲線上得到一點M，對應(yīng)的工作電流Im和工作電壓Um之積最大，即： Pm=ImUm一般稱M點為該太陽能電池的最佳工作點（或稱最大功率點），Im為最佳

15、工作電流，Um為最佳工作電壓，Rm為最佳負載電阻，Pm為最大輸出功率。 填充因數(shù)1.最大輸出功率與（Uoc×Isc）之比稱為填充因數(shù)（FF），這是用以衡量太陽能電池輸出特性好壞的重要指標之一。2.填充因數(shù)表征太陽能電池的優(yōu)劣，在一定光譜輻照度下，F(xiàn)F愈大，曲線愈“方”，輸出功率也愈高。、太陽能電池的效率、影響效率的因素 太陽能電池的效率:太陽能電池受照射時，輸出電功率與入射光功率之比稱為太陽能電池的效率，也稱光電轉(zhuǎn)換效率。一般指外電路連接最佳負載電阻RL時的最大能量轉(zhuǎn)換效率。在上式中，如果把At換為有效面積Aa（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些，這

16、一點在閱讀國內(nèi)外文獻時應(yīng)注意。美國的普林斯最早算出硅太陽能電池的理論效率為21.7%。20世紀70年代，華爾夫（M.Wolf）又做過詳盡的討論，也得到硅太陽能電池的理論效率在AM0光譜條件下為20%22%，以后又把它修改為25%（AM1.0光譜條件）。估計太陽能電池的理論效率，必須把從入射光能到輸出電能之間所有可能發(fā)生的損耗都計算在內(nèi)。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定的。 影響效率的因素綜上所述，提高太陽能電池效率，必須提高開路電壓Uoc、短路電流ISC和填充因子FF這三個基本參量。而這3個參量之間往往是互相牽制的，如果單方面提高其中一個，可能會因此而降低另一

17、個，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)計工藝時必須全盤考慮，力求使3個參量的乘積最大。1.材料能帶寬度:開路電壓UOC隨能帶寬度Eg的增大而增大，但另一方面，短路電流密度隨能帶寬度Eg的增大而減小。結(jié)果可期望在某一個確定的Eg處出現(xiàn)太陽電池效率的峰值。用Eg值介于1.21.6eV的材料做成太陽電池，可望達到最高效率。薄膜電池用直接帶隙半導(dǎo)體更為可取，因為它能在表面附近吸收光子。2.溫度 : 少子的擴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UOC隨溫度的升高急劇下降。填充因子下降，所以轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增加而降低。3.輻照度: 隨輻照度的增加短路電流線

18、性增加，最大功率不斷增加。將陽光聚焦于太陽電池，可使一個小小的太陽電池產(chǎn)生出大量的電能。4.摻雜濃度: 對UOC有明顯影響的另一因素是半導(dǎo)體摻雜濃度。摻雜濃度越高，UOC越高。但當硅中雜質(zhì)濃度高于1018/cm3時稱為高摻雜，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)稱為高摻雜效應(yīng)，也應(yīng)予以避免。5.光生載流子復(fù)合壽命: 對于太陽電池的半導(dǎo)體而言，光生載流子的復(fù)合壽命越長，短路電流會越大。達到長壽命的關(guān)鍵是在材料制備和電池的生產(chǎn)過程中，要避免形成復(fù)合中心。在加工過程中，適當而且經(jīng)常進行相關(guān)工藝處理，可以使復(fù)合中心移走，而且延長壽命。6.表面復(fù)合速率: 低的表面復(fù)合速率有助于提高Isc，前表面的復(fù)合