第二講太陽(yáng)能電池之工作原理

太陽(yáng)能電池工作原理及效率太陽(yáng)能電池基本原理基本原理

太陽(yáng)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)劇增，導(dǎo)電能力隨之增強(qiáng)，這就是半導(dǎo)體的光敏特性?；驹懋?dāng)太陽(yáng)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(guò)。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)體的原子價(jià)電子碰撞，于是產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。這樣，光能就以產(chǎn)生電子—空穴對(duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。基本原理如果半?dǎo)體內(nèi)存在P—N結(jié)，則在P型和N型交界面兩邊形成勢(shì)壘電場(chǎng)，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(guò)剩的電子，P區(qū)有過(guò)剩的空穴，在P—N結(jié)附近形成與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反光的生電場(chǎng)?；驹砣舴謩e在P型層和N型層焊上金屬引線(xiàn)，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過(guò)。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(lái)，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。

基本原理基本原理制造太陽(yáng)電池的半導(dǎo)體材料已知的有十幾種，因此太陽(yáng)電池的種類(lèi)也很多。目前，技術(shù)最成熟，并具有商業(yè)價(jià)值的太陽(yáng)電池要算硅太陽(yáng)電池。下面我們以硅太陽(yáng)能電池為例，詳細(xì)介紹太陽(yáng)能電池的工作原理。一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ)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(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。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，成為絕緣體。常用的半導(dǎo)體材料硅（Si）和鍺（Ge）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)體定義：將純凈的半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)一定的工藝過(guò)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(diǎn)陣，相鄰的原子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵1、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)鍵的束縛變成為自由電子。與此同時(shí)，在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。原子因失掉一個(gè)價(jià)電子而帶正電，或者說(shuō)空穴帶正電。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。1、本征半導(dǎo)體本征激發(fā):

半導(dǎo)體在光照或熱輻射激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)的現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)。

空穴自由電子1、本征半導(dǎo)體

復(fù)合:

自由電子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)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(chēng)為復(fù)合。

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)到動(dòng)態(tài)平衡。1、本征半導(dǎo)體能帶理論：?jiǎn)蝹€(gè)原子中的電子在繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)，在各個(gè)軌道上的電子都各自具有特定的能量；越靠近核的軌道，電子能量越低；根據(jù)能量最小原理電子總是優(yōu)先占有最低能級(jí)；能帶理論解釋本征激發(fā)1、本征半導(dǎo)體能帶理論：價(jià)電子所占據(jù)的能帶稱(chēng)為價(jià)帶；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)；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)；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)。(ev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(chēng)為能帶。其中“價(jià)帶”能級(jí)最低，“導(dǎo)帶”能級(jí)最高。處于導(dǎo)電狀態(tài)的能級(jí)區(qū)域稱(chēng)為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶與價(jià)帶之間區(qū)域稱(chēng)為禁帶。

能帶理論：P4光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）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。工作原理：當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體表面時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部N區(qū)和P區(qū)中原子的價(jià)電子受到太陽(yáng)光子的沖擊，通過(guò)光輻射獲取到超過(guò)禁帶Eg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狀態(tài)的電子--空穴對(duì)。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)。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體：通過(guò)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。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體：

在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)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。

自由電子施主原子2、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，所以除了與其周?chē)柙有纬晒矁r(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。

N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，故稱(chēng)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(chēng)之為施主原子。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體：

在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)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。

空位受主原子空穴2、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)它們與其周?chē)柙有纬晒矁r(jià)鍵時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)“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)生一個(gè)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(chēng)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)。

正離子負(fù)離子空穴自由電子空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)N區(qū)P區(qū)ε3、PN結(jié)

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)，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。當(dāng)把P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(kuò)散，與此同時(shí)，N區(qū)的自由電子也必然向P區(qū)擴(kuò)散，如圖示。3、PN結(jié)

由于擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子與空穴復(fù)合，而擴(kuò)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(fù)離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們是不能移動(dòng)的，稱(chēng)為空間電荷區(qū)，從而形成內(nèi)建電場(chǎng)ε。隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，正好阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。3、PN結(jié)

漂移運(yùn)動(dòng)：在電場(chǎng)力作用下，載流子的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)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)作用下，少子產(chǎn)生飄移運(yùn)動(dòng)，空穴從N區(qū)向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，而自由電子從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。

在無(wú)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)目等于參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成PN結(jié)，如圖示。此時(shí)，空間電荷區(qū)具有一定的寬度，電位差為ε=Uho，電流為零。二、太陽(yáng)能電池工作原理1、光生伏打效應(yīng):太陽(yáng)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(dāng)光照射到半導(dǎo)體光伏器件上時(shí)，能量大于硅禁帶寬度的光子穿過(guò)減反射膜進(jìn)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(duì)。耗盡區(qū)：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)分離，光生電子被送進(jìn)N區(qū)，光生空穴則被推進(jìn)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。

1、光生伏打效應(yīng)

內(nèi)建電場(chǎng)εN區(qū)P區(qū)1、光生伏打效應(yīng)

在N區(qū)中：光生電子--空穴對(duì)產(chǎn)生以后，光生空穴便向P-N結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá)P-N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(guò)耗盡區(qū)進(jìn)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?yàn)閿U(kuò)散、后因?yàn)槠贫M(jìn)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(fù)電荷的積累，使N區(qū)儲(chǔ)存了過(guò)剩的電子，P區(qū)有過(guò)剩的空穴。從而形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。

1、光生伏打效應(yīng)

P區(qū)光生電場(chǎng)N區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)ε1、光生伏打效應(yīng)

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)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這就是光生伏打效應(yīng)。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N區(qū)，負(fù)載中即得到功率輸出。如果將P-N結(jié)兩端開(kāi)路，可以測(cè)得這個(gè)電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)之為開(kāi)路電壓Uoc。對(duì)晶體硅電池來(lái)說(shuō)，開(kāi)路電壓的典型值為0.5～0.6V。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(guò)，這個(gè)電流稱(chēng)為短路電流Isc。1、光生伏打效應(yīng)影響光電流的因素：

通過(guò)光照在界面層產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)愈多，電流愈大。界面層吸收的光能愈多，界面層即電池面積愈大，在太陽(yáng)電池中形成的電流也愈大。太陽(yáng)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；各區(qū)中的光生載流子必須在復(fù)合之前越過(guò)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)中的產(chǎn)生和復(fù)合、擴(kuò)散和漂移等各種因素。2、太陽(yáng)能電池材料的光學(xué)性質(zhì)太陽(yáng)能電池的光學(xué)性質(zhì)，常常決定著太陽(yáng)能電池的極限效率，而且也是工藝設(shè)計(jì)的依據(jù)。⑴吸收定律

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：⑴太陽(yáng)能電池的效率:在上式中，如果把At換為有效面積Aa（也稱(chēng)活性面積），即從總面積中扣除柵線(xiàn)圖形面積，從而算出的效率要高一些，這一點(diǎn)在閱讀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)時(shí)應(yīng)注意。美國(guó)的普林斯最早算出硅太陽(yáng)能電池的理論效率為21.7%。20世紀(jì)70年代，華爾夫（M.Wolf）又做過(guò)詳盡的討論，也得到硅太陽(yáng)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(jì)太陽(yáng)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(jì)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。⑵影響效率的因素

綜上所述，提高太陽(yáng)能電池效率，必須提高開(kāi)路電壓Uoc、短路電流ISC和填充因子FF這三個(gè)基本參量。而這3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)，以至于總效率不僅沒(méi)提高反而有所下降。因而在選擇材料、設(shè)計(jì)工藝時(shí)必須全盤(pán)考慮，力求使3個(gè)參量的乘積最大。⑵影響效率的因素材料能帶寬度:

開(kāi)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(gè)確定的Eg處出現(xiàn)太陽(yáng)電池效率的峰值。用Eg值介于1.2～1.6eV的材料做成太陽(yáng)電池，可望達(dá)到最高效率。薄膜電池用直接帶隙半導(dǎo)體更為可取，因?yàn)樗茉诒砻娓浇展庾印＂朴绊懶实囊蛩販囟?

少子的擴(kuò)散長(zhǎng)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。

地面應(yīng)用的硅太陽(yáng)能電池一般工作在-40～+70℃之間，空間應(yīng)用的硅太陽(yáng)能電池可在-135～+125℃條件下工作。溫度每升高1℃，電池的輸出功率損失約為0.35%～0.45%，也就是說(shuō)，在20℃工作的硅太陽(yáng)能電池的輸出功率要比在70℃工作時(shí)高20%。⑵影響效率的因素輻照度:

隨輻照度的增加短路電流線(xiàn)性增加，最大功率不斷增加。將陽(yáng)光聚焦于太陽(yáng)電池，可使一個(gè)小小的太陽(yáng)電池產(chǎn)生出大量的電能。⑵影響效率的因素?fù)诫s濃度:

對(duì)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(dāng)硅中雜質(zhì)濃度高于1018/cm3時(shí)稱(chēng)為高摻雜，由于高摻雜而引起的禁帶收