第三章晶體硅太陽能電池的基本原理分析

第三章晶體硅太陽能電池的基本原理分析第一頁，共41頁。3.2太陽電池的分類工作原理太陽電池基本構造：半導體的PN結導體：銅（106/(?·cm)）絕緣體:石英（SiO2(10-16/(?·cm))）半導體:10-4——104/(?·cm)半導體元素：硅（SiO2）、鍺（Ge）、硒（Se）等化合物：硫化鎘（CdS）、砷化鎵（GaAs）等合金：GaxAl1-xAs(x為0-1之間的任意數(shù))有機半導體3.2.1半導體第二頁，共41頁。+4+4+4+4+4+4+4+4+4硅是四價元素，每個原子的最外層上有4個電子。這4個電子又被稱為價電子硅晶體中，每個原子有4個相鄰原子，并和每一個相鄰原子共有2個價電子，形成穩(wěn)定的8原子殼層。第三頁，共41頁。當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量升高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，稱為自由電子。自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)一個空位，稱為空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴第四頁，共41頁。3.2.2能帶結構量子力學證明，由于晶體中各原子間的相互影響，原來各原子中能量相近的能級將分裂成一系列和原能級接近的新能級。這些新能級基本上連成一片，形成能帶

當N個原子靠近形成晶體時，由于各原子間的相互作用，對應于原來孤立原子的一個能級，就分裂成N條靠得很近的能級。使原來處于相同能級上的電子，不再有相同的能量，而處于N個很接近的新能級上。由于晶體中原子的周期性排列，價電子不再為單個原子所有的現(xiàn)象。共有化的電子可以在不同原子中的相似軌道上轉移，可以在整個固體中運動。第五頁，共41頁。n=3n=2原子能級能帶N條能級ΔE禁帶第六頁，共41頁。滿帶：排滿電子的能帶空帶：未排電子的能帶未滿帶：排了電子但未排滿的能帶禁帶：不能排電子的區(qū)域[1]滿帶不導電[2]未滿能帶才有導電性導帶：最高的滿帶價帶：最低的空帶電子可以從價帶激發(fā)到導帶，價帶中產生空穴，導帶中出現(xiàn)電子，空穴和電子都參與導電成為載流子第七頁，共41頁。導體，在外電場的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動形成電流。絕緣體：在外電場的作用下，共有化電子很難接受外電場的能量，所以形不成電流。從能級圖上來看，是因為滿帶與空帶之間有一個較寬的禁帶（Eg

約3～6eV），共有化電子很難從低能級（滿帶）躍遷到高能級（空帶）上去。半導體：的能帶結構,滿帶與空帶之間也是禁帶，但是禁帶很窄（Eg

約3eV以下)。第八頁，共41頁。導體

半導體

絕緣體Eg價帶導帶最高的滿帶最低的空帶導帶價帶滿帶部分填充能帶第九頁，共41頁。在本征半導體硅或鍺中摻入微量的其它適當元素后所形成的半導體2摻雜半導體3.2.3雜質半導體1本征半導體無雜質，無缺陷的半導體本證載流子：電子、空穴均參與導電本征半導體中正負載流子數(shù)目相等，數(shù)目很少第十頁，共41頁。根據(jù)摻雜的不同，雜質半導體分為N型半導體P型半導體N型半導體：摻入五價雜質元素（如磷、砷）的雜質半導體P型半導體：在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼等。第十一頁，共41頁?？諑M帶施主能級EDEg空帶Ea滿帶受主能級Eg第十二頁，共41頁。摻入少量五價雜質元素磷+4+4+4+4+4+4+4+4P多出一個電子出現(xiàn)了一個正離子電子是多數(shù)載流子，簡稱多子;空穴是少數(shù)載流子，簡稱少子。施主雜質半導體整體呈電中性第十三頁，共41頁。摻入少量三價雜質元素硼+4+4+4+4+4+4+4+4B空穴負離子空穴是多數(shù)載流子，簡稱多子;電子是少數(shù)載流子，簡稱少子。受主雜質半導體整體呈電中性第十四頁，共41頁。3.2.5PN結半導體中載流子有擴散運動和漂移運動兩種運動方式。載流子在電場作用下的定向運動稱為漂移運動.在半導體中，如果載流子濃度分布不均勻，因為濃度差，載流子將會從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動，這種運動稱為擴散運動。將一塊半導體的一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體，在兩種半導體的交界面處將形成一個特殊的薄層PN結第十五頁，共41頁。①多子擴散運動形成空間電荷區(qū)由于濃度差，電子和空穴都要從濃度高的區(qū)域向…擴散的結果，交界面P區(qū)一側因失去空穴而留下不能移動的負離子，N區(qū)一側因失去電子而留下不能移動的正離子，這樣在交界面處出現(xiàn)由數(shù)量相等的正負離子組成的空間電荷區(qū)，并產生由N區(qū)指向P區(qū)的內電場EIN。PN結第十六頁，共41頁。②內電場EIN阻止多子擴散，促使少子漂移多子擴散空間電荷區(qū)加寬內電場EIN增強少子漂移促使阻止EINEIN空間電荷區(qū)變窄內電場EIN削弱擴散與漂移達到動態(tài)平衡形成一定寬度的PN結17第十七頁，共41頁。3.2.6光生伏特效應當光照射p-n結，只要入射光子能量大于材料禁帶寬度，就會在結區(qū)激發(fā)電子-空穴對。這些非平衡載流子在內建電場的作用下，空穴順著電場運動，電子逆著電場運動，最后在n區(qū)邊界積累光生電子，在p區(qū)邊界積累光生空穴，產生一個與內建電場方向相反的光生電場，即在p區(qū)和n區(qū)之間產生了光生電壓UOC，這就是p-n結的光生伏特效應。只要光照不停止，這個光生電壓將永遠存在。第十八頁，共41頁。3.2.7太陽電池的基本工作原理光電轉換的物理過程：（1）光子被吸收，使PN結的P側和N側兩邊產生電子-空穴對（2）在離開PN結一個擴散長度以內產生的電子和空穴通過擴散到達空

間電荷區(qū)（3）電子-空穴對被電場分離，P側的電子從高電位滑落至N側，空穴沿著相反的方向移動（4）若PN結開路，則在結兩邊積累的電子和空穴產生開路電壓第十九頁，共41頁。3.2.8晶硅太陽電池的結構第二十頁，共41頁。第二十一頁，共41頁。由于半導體不是電的良導體，電子在通過p－n結后如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產生，因此一般用金屬網格覆蓋p－n結（如圖柵狀電極），以增加入射光的面積。另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護膜，將反射損失減小到5％甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36個）并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。第二十二頁，共41頁。3.3太陽能電池的電學性能3.3.1標準測試條件光源輻照度：1000W/m2測試溫度：250CAM1.5太陽光譜輻照度分布第二十三頁，共41頁。3.3.2太陽電池等效電路Rse表示來自電極接觸、基體材料等歐姆損耗的串聯(lián)電阻Rsh表示來自泄漏電流的旁路電阻RL表示負載電阻ID表示二極管電流IL表示光生電流晶體硅太陽電池的等效電路第二十四頁，共41頁。根據(jù)等效電路將p-n結二極管電流方程代入上式的輸出電流式中q為電子電量，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，n為二極管質量因子。理想情況下，

Rsh→∞,Rse→0第二十五頁，共41頁。3.3.3太陽電池的主要技術參數(shù)伏安特性曲線（I-V曲線）當負載RL從0變化到無窮大時，輸出電壓V則從0變到VOC，同時輸出電流便從ISC變到0，由此得到電池的輸出特性曲線太陽能電池的伏安曲線電池產生的電能MvmIm0第二十六頁，共41頁。最大功率點M點為改太陽電池的最佳工作點太陽能電池的伏安曲線電池產生的電能MvmIm0第二十七頁，共41頁。短路電流是指當穿過電池的電壓為零時流過電池的電流（或者說電池被短路時的電流）。通常記作ISC。短路電流源于光生載流子的產生和收集。對于電阻阻抗最小的理想太陽能電池來說，短路電流就等于光生電流。因此短路電流是電池能輸出的最大電流。在AM1.5大氣質量光譜下的硅太陽能電池，其可能的最大電流為46mA/cm2。實驗室測得的數(shù)據(jù)已經達到42mA/cm2，而商業(yè)用太陽能電池的短路電流在28到35mA/cm2之間。第二十八頁，共41頁。開路電壓VOC是太陽能電池能輸出的最大電壓，此時輸出電流為零。開路電壓的大小相當于光生電流在電池兩邊加的正向偏壓。開路電壓如下圖伏安曲線所示。開路電壓是太陽能電池的最大電壓，即凈電流為零時的電壓。第二十九頁，共41頁。上述方程顯示了VOC取決于太陽能電池的飽和電流和光生電流。由于短路電流的變化很小，而飽和電流的大小可以改變幾個數(shù)量級，所以主要影響是飽和電流。飽和電流I0主要取決于電池的復合效應。即可以通過測量開路電壓來算出電池的復合效應。實驗室測得的硅太陽能電池在AM1.5光譜下的最大開路電壓能達到720mV，而商業(yè)用太陽能電池通常為600mV。通過把輸出電流設置成零，便可得到太陽能電池的開路電壓方程：第三十頁，共41頁。填充因子被定義為電池的最大輸出功率與開路VOC和ISC的乘積的比值。短路電流和開路電壓分別是太陽能電池能輸出的最大電流和最大電壓。然而，當電池輸出狀態(tài)在這兩點時，電池的輸出功率都為零?！疤畛湟蜃印保ǔＪ褂盟暮唽憽癋F”，是由開路電壓VOC和短路電流ISC共同決定的參數(shù)，它決定了太陽能電池的輸出效率。從圖形上看，F(xiàn)F就是能夠占據(jù)IV曲線區(qū)域最大的面積。如下圖所示。第三十一頁，共41頁。第三十二頁，共41頁。太陽能電池的轉換：太陽電池接受的最大功率與入射到該電池上的全部輻射功率的百分比。Um、Im分別為最大功率點的電壓At為包括柵線面積在內的太陽電池總面積Pin為單位面積入射光的功率。第三十三頁，共41頁。在太陽能電池中，受溫度影響最大的參數(shù)是開路電壓。溫度的改變對伏安曲線的影響如下圖所示。短路電流ISC提高幅度很小溫度較高的電池開路電壓Voc下降幅度大第三十四頁，共41頁。太陽輻照度對太陽能電池的伏安特性的影響短路電流ISC隨著聚光呈線性上升開路電壓隨光強呈對數(shù)上升第三十五頁，共41頁。3.3.4影響太陽電池轉換效率的因素1.禁帶寬度VOC隨Eg的增大而增大，但另一方面，ISC隨Eg的增大而減小。結果是可期望在某一個確定的Eg隨處出現(xiàn)太陽電池效率的峰值。隨溫度的增加，效率η下降。ISC對溫度T不很敏感，溫度主要對VOC起作用。對于Si，溫度每增加10C，VOC下降室溫值的0.4%，也因而降低約同樣的百分數(shù)。例如，一個硅電池在200C時的效率為20%，當溫度升到1200C時，效率僅為12％。又如GaAs電池，溫度每升高10C，VOC降低1.7mv或降低0.2%。2.溫度第三十六頁，共41頁。希望載流子的復合壽命越長越好，這主要是因為這樣做ISC大。少子長壽命也會減小暗電流并增大VOC。在間接帶隙半導體材料如Si中，離結100μm處也產生相當多的載流子，所以希望它們的壽命能大于1μs。在直接帶隙材料，如GaAs或Gu2S中，只要10ns的復合壽命就已足夠長了。達到長壽命的關鍵是在材料制備和電池的生產過程中，要避免形成復合中心。在加工過程中，適當而且經常進行工藝處理，可以使復合中心移走，因而延長壽命。將太陽光聚焦于太陽電池，可使一個小小的太陽電池產生出大量的電能。設想光強被濃縮了X倍，單位電池面積的輸入功率和JSC都將增加X倍，同時VOC也隨著增加(kT/q)lnX倍。因而輸出功率的增加將大大超過X倍，而且聚光的結果也使轉換效率提高了。3.復合壽命4.光強第三十七頁，共41頁。5.摻雜濃度及剖面分布對VOC有明顯的影響的另一因素是摻雜濃度。雖然Nd和Na出現(xiàn)在Voc定義的對數(shù)項中，它們的數(shù)量級也是很容易改變的。摻雜濃度愈高，Voc愈高。一種稱為重摻雜效應的現(xiàn)象近年來已引起較多的關注，在高摻雜濃度下，由于能帶結構變形及電子統(tǒng)計規(guī)律的變化，所有方程中