第三章晶體硅太陽(yáng)能電池的基本原理分析

第三章晶體硅太陽(yáng)能電池的基本原理分析第一頁(yè)，共41頁(yè)。3.2太陽(yáng)電池的分類(lèi)工作原理太陽(yáng)電池基本構(gòu)造：半導(dǎo)體的PN結(jié)導(dǎo)體：銅（106/(?·cm)）絕緣體:石英（SiO2(10-16/(?·cm))）半導(dǎo)體:10-4——104/(?·cm)半導(dǎo)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(jī)半導(dǎo)體3.2.1半導(dǎo)體第二頁(yè)，共41頁(yè)。+4+4+4+4+4+4+4+4+4硅是四價(jià)元素，每個(gè)原子的最外層上有4個(gè)電子。這4個(gè)電子又被稱(chēng)為價(jià)電子硅晶體中，每個(gè)原子有4個(gè)相鄰原子，并和每一個(gè)相鄰原子共有2個(gè)價(jià)電子，形成穩(wěn)定的8原子殼層。第三頁(yè)，共41頁(yè)。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子能量升高，有的電子可以?huà)昝撛雍说氖`，而參與導(dǎo)電，稱(chēng)為自由電子。自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴第四頁(yè)，共41頁(yè)。3.2.2能帶結(jié)構(gòu)量子力學(xué)證明，由于晶體中各原子間的相互影響，原來(lái)各原子中能量相近的能級(jí)將分裂成一系列和原能級(jí)接近的新能級(jí)。這些新能級(jí)基本上連成一片，形成能帶

當(dāng)N個(gè)原子靠近形成晶體時(shí)，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來(lái)孤立原子的一個(gè)能級(jí)，就分裂成N條靠得很近的能級(jí)。使原來(lái)處于相同能級(jí)上的電子，不再有相同的能量，而處于N個(gè)很接近的新能級(jí)上。由于晶體中原子的周期性排列，價(jià)電子不再為單個(gè)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(zhuǎn)移，可以在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng)。第五頁(yè)，共41頁(yè)。n=3n=2原子能級(jí)能帶N條能級(jí)ΔE禁帶第六頁(yè)，共41頁(yè)。滿(mǎn)帶：排滿(mǎn)電子的能帶空帶：未排電子的能帶未滿(mǎn)帶：排了電子但未排滿(mǎn)的能帶禁帶：不能排電子的區(qū)域[1]滿(mǎn)帶不導(dǎo)電[2]未滿(mǎn)能帶才有導(dǎo)電性導(dǎo)帶：最高的滿(mǎn)帶價(jià)帶：最低的空帶電子可以從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，價(jià)帶中產(chǎn)生空穴，導(dǎo)帶中出現(xiàn)電子，空穴和電子都參與導(dǎo)電成為載流子第七頁(yè)，共41頁(yè)。導(dǎo)體，在外電場(chǎng)的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。絕緣體：在外電場(chǎng)的作用下，共有化電子很難接受外電場(chǎng)的能量，所以形不成電流。從能級(jí)圖上來(lái)看，是因?yàn)闈M(mǎn)帶與空帶之間有一個(gè)較寬的禁帶（Eg

約3～6eV），共有化電子很難從低能級(jí)（滿(mǎn)帶）躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。半導(dǎo)體：的能帶結(jié)構(gòu),滿(mǎn)帶與空帶之間也是禁帶，但是禁帶很窄（Eg

約3eV以下)。第八頁(yè)，共41頁(yè)。導(dǎo)體

半導(dǎo)體

絕緣體Eg價(jià)帶導(dǎo)帶最高的滿(mǎn)帶最低的空帶導(dǎo)帶價(jià)帶滿(mǎn)帶部分填充能帶第九頁(yè)，共41頁(yè)。在本征半導(dǎo)體硅或鍺中摻入微量的其它適當(dāng)元素后所形成的半導(dǎo)體2摻雜半導(dǎo)體3.2.3雜質(zhì)半導(dǎo)體1本征半導(dǎo)體無(wú)雜質(zhì)，無(wú)缺陷的半導(dǎo)體本證載流子：電子、空穴均參與導(dǎo)電本征半導(dǎo)體中正負(fù)載流子數(shù)目相等，數(shù)目很少第十頁(yè)，共41頁(yè)。根據(jù)摻雜的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體：摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷、砷）的雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼等。第十一頁(yè)，共41頁(yè)?？諑M(mǎn)帶施主能級(jí)EDEg空帶Ea滿(mǎn)帶受主能級(jí)Eg第十二頁(yè)，共41頁(yè)。摻入少量五價(jià)雜質(zhì)元素磷+4+4+4+4+4+4+4+4P多出一個(gè)電子出現(xiàn)了一個(gè)正離子電子是多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱(chēng)多子;空穴是少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱(chēng)少子。施主雜質(zhì)半導(dǎo)體整體呈電中性第十三頁(yè)，共41頁(yè)。摻入少量三價(jià)雜質(zhì)元素硼+4+4+4+4+4+4+4+4B空穴負(fù)離子空穴是多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱(chēng)多子;電子是少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱(chēng)少子。受主雜質(zhì)半導(dǎo)體整體呈電中性第十四頁(yè)，共41頁(yè)。3.2.5PN結(jié)半導(dǎo)體中載流子有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式。載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng).在半導(dǎo)體中，如果載流子濃度分布不均勻，因?yàn)闈舛炔?，載流子將會(huì)從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成N型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面處將形成一個(gè)特殊的薄層PN結(jié)第十五頁(yè)，共41頁(yè)。①多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(kuò)散的結(jié)果，交界面P區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動(dòng)的負(fù)離子，N區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動(dòng)的正離子，這樣在交界面處出現(xiàn)由數(shù)量相等的正負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)，并產(chǎn)生由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)EIN。PN結(jié)第十六頁(yè)，共41頁(yè)。②內(nèi)電場(chǎng)EIN阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移多子擴(kuò)散空間電荷區(qū)加寬內(nèi)電場(chǎng)EIN增強(qiáng)少子漂移促使阻止EINEIN空間電荷區(qū)變窄內(nèi)電場(chǎng)EIN削弱擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)17第十七頁(yè)，共41頁(yè)。3.2.6光生伏特效應(yīng)當(dāng)光照射p-n結(jié)，只要入射光子能量大于材料禁帶寬度，就會(huì)在結(jié)區(qū)激發(fā)電子-空穴對(duì)。這些非平衡載流子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，空穴順著電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，電子逆著電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，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(chǎn)生一個(gè)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，即在p區(qū)和n區(qū)之間產(chǎn)生了光生電壓UOC，這就是p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。只要光照不停止，這個(gè)光生電壓將永遠(yuǎn)存在。第十八頁(yè)，共41頁(yè)。3.2.7太陽(yáng)電池的基本工作原理光電轉(zhuǎn)換的物理過(guò)程：（1）光子被吸收，使PN結(jié)的P側(cè)和N側(cè)兩邊產(chǎn)生電子-空穴對(duì)（2）在離開(kāi)PN結(jié)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度以?xún)?nèi)產(chǎn)生的電子和空穴通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)空

間電荷區(qū)（3）電子-空穴對(duì)被電場(chǎng)分離，P側(cè)的電子從高電位滑落至N側(cè)，空穴沿著相反的方向移動(dòng)（4）若PN結(jié)開(kāi)路，則在結(jié)兩邊積累的電子和空穴產(chǎn)生開(kāi)路電壓第十九頁(yè)，共41頁(yè)。3.2.8晶硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)第二十頁(yè)，共41頁(yè)。第二十一頁(yè)，共41頁(yè)。由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過(guò)p－n結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，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(yáng)光就不能通過(guò)，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p－n結(jié)（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(huì)反射掉大量的太陽(yáng)光，不能被電池利用。為此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜，將反射損失減小到5％甚至更小。一個(gè)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(gè)）并聯(lián)或串聯(lián)起來(lái)使用，形成太陽(yáng)能光電板。第二十二頁(yè)，共41頁(yè)。3.3太陽(yáng)能電池的電學(xué)性能3.3.1標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件光源輻照度：1000W/m2測(cè)試溫度：250CAM1.5太陽(yáng)光譜輻照度分布第二十三頁(yè)，共41頁(yè)。3.3.2太陽(yáng)電池等效電路Rse表示來(lái)自電極接觸、基體材料等歐姆損耗的串聯(lián)電阻Rsh表示來(lái)自泄漏電流的旁路電阻RL表示負(fù)載電阻ID表示二極管電流IL表示光生電流晶體硅太陽(yáng)電池的等效電路第二十四頁(yè)，共41頁(yè)。根據(jù)等效電路將p-n結(jié)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(duì)溫度，n為二極管質(zhì)量因子。理想情況下，

Rsh→∞,Rse→0第二十五頁(yè)，共41頁(yè)。3.3.3太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)伏安特性曲線(xiàn)（I-V曲線(xiàn)）當(dāng)負(fù)載RL從0變化到無(wú)窮大時(shí)，輸出電壓V則從0變到VOC，同時(shí)輸出電流便從ISC變到0，由此得到電池的輸出特性曲線(xiàn)太陽(yáng)能電池的伏安曲線(xiàn)電池產(chǎn)生的電能MvmIm0第二十六頁(yè)，共41頁(yè)。最大功率點(diǎn)M點(diǎn)為改太陽(yáng)電池的最佳工作點(diǎn)太陽(yáng)能電池的伏安曲線(xiàn)電池產(chǎn)生的電能MvmIm0第二十七頁(yè)，共41頁(yè)。短路電流是指當(dāng)穿過(guò)電池的電壓為零時(shí)流過(guò)電池的電流（或者說(shuō)電池被短路時(shí)的電流）。通常記作ISC。短路電流源于光生載流子的產(chǎn)生和收集。對(duì)于電阻阻抗最小的理想太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，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A(yíng)M1.5大氣質(zhì)量光譜下的硅太陽(yáng)能電池，其可能的最大電流為46mA/cm2。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到42mA/cm2，而商業(yè)用太陽(yáng)能電池的短路電流在28到35mA/cm2之間。第二十八頁(yè)，共41頁(yè)。開(kāi)路電壓VOC是太陽(yáng)能電池能輸出的最大電壓，此時(shí)輸出電流為零。開(kāi)路電壓的大小相當(dāng)于光生電流在電池兩邊加的正向偏壓。開(kāi)路電壓如下圖伏安曲線(xiàn)所示。開(kāi)路電壓是太陽(yáng)能電池的最大電壓，即凈電流為零時(shí)的電壓。第二十九頁(yè)，共41頁(yè)。上述方程顯示了VOC取決于太陽(yáng)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(fù)合效應(yīng)。即可以通過(guò)測(cè)量開(kāi)路電壓來(lái)算出電池的復(fù)合效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的硅太陽(yáng)能電池在A(yíng)M1.5光譜下的最大開(kāi)路電壓能達(dá)到720mV，而商業(yè)用太陽(yáng)能電池通常為600mV。通過(guò)把輸出電流設(shè)置成零，便可得到太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓方程：第三十頁(yè)，共41頁(yè)。填充因子被定義為電池的最大輸出功率與開(kāi)路VOC和ISC的乘積的比值。短路電流和開(kāi)路電壓分別是太陽(yáng)能電池能輸出的最大電流和最大電壓。然而，當(dāng)電池輸出狀態(tài)在這兩點(diǎn)時(shí)，電池的輸出功率都為零?！疤畛湟蜃印?，通常使用它的簡(jiǎn)寫(xiě)“FF”，是由開(kāi)路電壓VOC和短路電流ISC共同決定的參數(shù)，它決定了太陽(yáng)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(xiàn)區(qū)域最大的面積。如下圖所示。第三十一頁(yè)，共41頁(yè)。第三十二頁(yè)，共41頁(yè)。太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換：太陽(yáng)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(diǎn)的電壓At為包括柵線(xiàn)面積在內(nèi)的太陽(yáng)電池總面積Pin為單位面積入射光的功率。第三十三頁(yè)，共41頁(yè)。在太陽(yáng)能電池中，受溫度影響最大的參數(shù)是開(kāi)路電壓。溫度的改變對(duì)伏安曲線(xiàn)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(kāi)路電壓Voc下降幅度大第三十四頁(yè)，共41頁(yè)。太陽(yáng)輻照度對(duì)太陽(yáng)能電池的伏安特性的影響短路電流ISC隨著聚光呈線(xiàn)性上升開(kāi)路電壓隨光強(qiáng)呈對(duì)數(shù)上升第三十五頁(yè)，共41頁(yè)。3.3.4影響太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)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(jié)果是可期望在某一個(gè)確定的Eg隨處出現(xiàn)太陽(yáng)電池效率的峰值。隨溫度的增加，效率η下降。ISC對(duì)溫度T不很敏感，溫度主要對(duì)VOC起作用。對(duì)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?jǐn)?shù)。例如，一個(gè)硅電池在200C時(shí)的效率為20%，當(dāng)溫度升到1200C時(shí)，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(yè)，共41頁(yè)。希望載流子的復(fù)合壽命越長(zhǎng)越好，這主要是因?yàn)檫@樣做ISC大。少子長(zhǎng)壽命也會(huì)減小暗電流并增大VOC。在間接帶隙半導(dǎo)體材料如Si中，離結(jié)100μm處也產(chǎn)生相當(dāng)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(fù)合壽命就已足夠長(zhǎng)了。達(dá)到長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵是在材料制備和電池的生產(chǎn)過(guò)程中，要避免形成復(fù)合中心。在加工過(guò)程中，適當(dāng)而且經(jīng)常進(jìn)行工藝處理，可以使復(fù)合中心移走，因而延長(zhǎng)壽命。將太陽(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。設(shè)想光強(qiáng)被濃縮了X倍，單位電池面積的輸入功率和JSC都將增加X(jué)倍，同時(shí)VOC也隨著增加(kT/q)lnX倍。因而輸出功率的增加將大大超過(guò)X倍，而且聚光的結(jié)果也使轉(zhuǎn)換效率提高了。3.復(fù)合壽命4.光強(qiáng)第三十七頁(yè)，共41頁(yè)。5.摻雜濃度及剖面分布對(duì)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(duì)數(shù)項(xiàng)中，它們的數(shù)量級(jí)也是很容易改變的。摻雜濃度愈高，Voc愈高。一種稱(chēng)為重?fù)诫s效應(yīng)的現(xiàn)象近年來(lái)已引起較多的關(guān)注，在高摻雜濃度下，由于能帶結(jié)構(gòu)變形及電子統(tǒng)計(jì)規(guī)律的變化，所有方程中