光伏材料 第三章

第三章太陽電池基本原理一、本章的教學(xué)目的和要求：了解太陽電池實(shí)質(zhì)，太陽電池發(fā)電原理、制造流程。熟悉影響太陽電池轉(zhuǎn)化效率因素，以及轉(zhuǎn)化效率極限。掌握太陽電池表征參數(shù)，太陽電池等效電路。二、教學(xué)內(nèi)容及要求：光電效應(yīng)，光伏效應(yīng)，丹伯效應(yīng)，肖特基效應(yīng)，太陽電池發(fā)電原理，太陽電池表征參數(shù)，太陽電池電路模型，太陽電池轉(zhuǎn)化效率影響因素，太陽電池轉(zhuǎn)化效率極限，太陽電池制造流程。三、教學(xué)重點(diǎn)：太陽電池表征參數(shù)，太陽電池等效電路，電池效率影響因素及效率極限。四、教學(xué)難點(diǎn)：太陽電池光源，光伏效應(yīng)、光電效應(yīng)、丹伯效應(yīng)、肖特基效應(yīng)區(qū)別，2/8/20241光伏材料太陽電池光電效應(yīng)（Photoelectriceffect）由德國物理學(xué)家赫茲于1887年研究麥克斯韋電磁理論時(shí)發(fā)現(xiàn)，而直到1905年愛因斯坦利用光量子理論進(jìn)行全面的解釋光電效應(yīng)指光照射到金屬材料表面，金屬內(nèi)的自由電子吸收了光子的能量，脫離金屬束縛，成為真空中自由電子脫離金屬束縛的自由電子在外加電壓的作用下移動(dòng)到金屬陽極，形成光電流

一、光電效應(yīng)太陽電池（SolarCells）是指能夠把太陽光輻射能量直接轉(zhuǎn)化為電能的器件。2/8/20242光伏材料從理論上來說金屬光電效應(yīng)是可以做太陽電池的。太陽電池工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)重要考慮是轉(zhuǎn)換效率。光電效應(yīng)電池的轉(zhuǎn)換效率理論值為1%，實(shí)驗(yàn)室僅為0.001%；晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的理論值為27%，工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率18%。光電效應(yīng)是沒法應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)中的2/8/20243光伏材料光電效應(yīng)太陽電池不可用的原因

金屬中電子吸收光子的能量從費(fèi)米能級(jí)躍遷到真空能級(jí)，需要吸收能量為3-5ev?？梢姽獾哪芰糠秶鸀?.4-4ev。半導(dǎo)體光伏效應(yīng)中電子吸收1-2ev就可以完成從價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷金屬光電效應(yīng)導(dǎo)電的僅為電子，而半導(dǎo)體光伏效應(yīng)中參與導(dǎo)電的載流子包括電子和空穴。光電效應(yīng)光電流要遠(yuǎn)小于光伏效應(yīng)光電流，因此目前太陽電池材料仍然是半導(dǎo)體，而非金屬材料。光電效應(yīng)主要應(yīng)用到光電倍增管中。2/8/20244光伏材料光伏效應(yīng)是指光照射到半導(dǎo)體P-N結(jié)上產(chǎn)生可輸出功率的電勢(shì)差的現(xiàn)象過程包括：電子吸收光子能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)，內(nèi)建電場(chǎng)作用下電子空穴對(duì)分離，電子空穴相向運(yùn)動(dòng)到端電極輸送到負(fù)載。光電流：漂移電流，擴(kuò)散電流二、光伏效應(yīng)實(shí)質(zhì)

2/8/20245光伏材料丹伯效應(yīng)（Dembereffect）也成為光擴(kuò)散效應(yīng)（photodiffusioneffect）。當(dāng)入射光照射到半導(dǎo)體表面時(shí)，光子被吸收產(chǎn)生電子與空穴。由于表面電子和空穴濃度的增大，會(huì)產(chǎn)生向內(nèi)不擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)，但是由于兩者擴(kuò)散系數(shù)不同，故會(huì)在空間產(chǎn)生電子和空穴相對(duì)分離的區(qū)域，也就產(chǎn)生了內(nèi)建電場(chǎng)。該電場(chǎng)兩端電壓即為丹伯電壓，影響Dember效應(yīng)的一個(gè)原因是肖特基效應(yīng)（Schottkyeffect）。該效應(yīng)是電池片電極制作過程中金屬和半導(dǎo)體接觸產(chǎn)生的，肖特基電壓遠(yuǎn)大于丹伯電壓，因此，實(shí)際中我們測(cè)量的丹伯電壓應(yīng)該是金屬-半導(dǎo)體間肖特基效應(yīng)電壓。三、丹伯效應(yīng)與肖特基效應(yīng)

2/8/20246光伏材料火力發(fā)電系統(tǒng)是通過燃燒能把水加熱成蒸汽，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；水力發(fā)電則是通過水的重力勢(shì)能來發(fā)電；核裂變發(fā)電系統(tǒng)則是通過裂變能來發(fā)電；聚變能發(fā)電前景很好，但是現(xiàn)在僅僅處于研發(fā)階段太陽能發(fā)電系統(tǒng)與以上所述完全不同，既沒有馬達(dá)旋轉(zhuǎn)噪音，也沒有污染物排除。是一種清潔長久的發(fā)電方式，而且現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化太陽電池發(fā)電原理

2/8/20247光伏材料一、太陽電池基本結(jié)構(gòu)

Ag陽極Ag陰極

抗反射膜N型硅P型硅Al背陰極太陽光照射到太陽電池表面時(shí)，光子透過抗反射膜，然后照射到N型硅表面，導(dǎo)帶電子吸收光子能量躍遷成為自由電子。用導(dǎo)線將電池片正負(fù)極通過負(fù)載相連接，此時(shí)就會(huì)有光電流流過負(fù)載2/8/20248光伏材料短路電流（ShortCircuitCurrent）：通過導(dǎo)線把電池的陰陽極直接相連，此時(shí)流過導(dǎo)線的電流即為短路電流，用ISC表示開路電壓（OpenCircuitVoltage）：太陽電池陰陽極兩端無導(dǎo)線相連，光生載流子只能聚集在P-N結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)在電池兩端測(cè)量所得電勢(shì)差即為開路電壓，用VOC表示最大輸出功率：Pm=Vm×Im

二、太陽電池表征參數(shù)

傳統(tǒng)的電池輸出電壓和輸出功率是固定的，然而太陽電池輸出電壓、電流及其功率與光照條件和負(fù)載都有很大關(guān)系2/8/20249光伏材料IVmVocVImIsc填充因子（FillFactor）：衡量太陽電池整體性能的一個(gè)重要參數(shù)，代表太陽電池在最佳負(fù)載時(shí)能輸出的最大功率的特性。轉(zhuǎn)換效率：2/8/202410光伏材料空間用太陽電池轉(zhuǎn)換效率測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)大氣質(zhì)量為AM0時(shí)的光譜分布，入射太陽輻照度為1367W/m2，溫度為25℃。地面用太陽電池轉(zhuǎn)換效率測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)為：大氣質(zhì)量AM1.5時(shí)的光譜分布，入射的太陽輻照度為1000W/m2，溫度為25℃。在此條件下太陽電池輸出功率定義為太陽電池的峰瓦數(shù)，表示為Wp（peakwatt）。比如，一個(gè)1m2、轉(zhuǎn)換效率為18%的太陽電池，在赤道附近它的輸出功率為180Wp（1000W/m2×1m2×18%）2/8/202411光伏材料沒有光照的情況下，太陽電池看做一個(gè)P-N結(jié)二極管理想二極管電流電壓關(guān)系：電流從P型半導(dǎo)體指向N型半導(dǎo)體在光照的情況下，P-N結(jié)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生光電流，即光生電流，其方向有N型半導(dǎo)體指向P型半導(dǎo)體太陽電池電流電壓關(guān)系可以表示為：

三、太陽電池電路模型

1）理想太陽電池

2/8/202412光伏材料沒有光照的時(shí)候，，太陽電池為一個(gè)理想二極管在短路狀態(tài)下，，則短路電流為，即短路時(shí)電流為入射光產(chǎn)生光電流在開路狀態(tài)下，，則開路電壓為太陽電池輸出功率則為：根據(jù)分別求得最大輸出功率時(shí)的輸出電壓。2/8/202413光伏材料2）實(shí)際的太陽電池

等效電路要復(fù)雜得多，必須考慮P-N結(jié)的品質(zhì)和實(shí)際存在的串聯(lián)電阻Rs（Seriesresistance）和并聯(lián)電阻Rsh(Shuntresistace)。串聯(lián)電阻：半導(dǎo)體材料的體電阻、電極與半導(dǎo)體接觸電阻，電極金屬的電阻并聯(lián)電阻是由于P-N結(jié)漏電產(chǎn)生的，包括繞過電池邊緣漏電和由于P-N結(jié)區(qū)域存在晶體缺陷和雜質(zhì)所引起的內(nèi)部漏電流（leakagecurrent）實(shí)際太陽電池電流電壓關(guān)系：2/8/202414光伏材料太陽電池可以看做一個(gè)恒流源與理想二極管的并聯(lián)。在光照的時(shí)候，太陽電池產(chǎn)生一定的光生電流，其中一部分流過P-N結(jié)作為暗電流，另一部分為供給負(fù)載的電流3）太陽電池等效電路2/8/202415光伏材料太陽電池轉(zhuǎn)換效率影響因素

半導(dǎo)體材料都對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的禁帶寬度，禁帶寬度的大小決定了吸收太陽光譜中某一范圍的光.除材料本身影響外，其他影響主要包括：光損失，少數(shù)載流子復(fù)合，串聯(lián)、并聯(lián)電阻，1）光損失：抗反射膜：SiO2、TiO2及Si3N4其中Si3N4的使用可使反射光損失從30%降到10%表面織構(gòu)化能使入射光線在其表面多次反射，從而增加了太陽電池對(duì)光的吸收反射損失2/8/202416光伏材料2/8/202417光伏材料遮光損失微電極技術(shù)是解決此問題的一個(gè)方法，第二個(gè)方法是使用點(diǎn)接觸式方法把太陽電池正負(fù)電極全部放到背面

電池正面銀電極及其金屬柵線的存在也會(huì)遮掉5-10%的太陽光透光損失半導(dǎo)體材料最小厚度極限，且間接帶隙半導(dǎo)體比直接帶隙半導(dǎo)體需要更厚一些串疊型電池（tandemcell）：把吸收較高能量光譜的電池片放在上層，吸收較低能量光譜的電池片放在下層2/8/202418光伏材料2）載流子復(fù)合損失

內(nèi)部復(fù)合：當(dāng)太陽電池材料內(nèi)部缺陷的情況下，光生電子發(fā)生復(fù)合損失稱為內(nèi)部復(fù)合損失（bulkrecombinationloss）選擇適當(dāng)?shù)膿诫s濃度，提高晶體的純度，減少缺陷和雜質(zhì)。太陽電池工業(yè)中常用來減少體內(nèi)復(fù)合的技術(shù)有吸雜和鈍化，吸雜能有效地提高半導(dǎo)體材料質(zhì)量，而鈍化能減少晶體缺陷對(duì)載流子壽命的影響

太陽電池是一種少數(shù)載流子工作的器件，少數(shù)載流子在電池內(nèi)壽命決定了電池的轉(zhuǎn)換效率。載流子復(fù)合分為體內(nèi)復(fù)合，表面復(fù)合以及電極內(nèi)復(fù)合2/8/202419光伏材料減少電極區(qū)復(fù)合可采用電極區(qū)摻雜濃度提高，降低少數(shù)載流子在電極區(qū)濃度，從而降低了在此區(qū)域復(fù)合的幾率

電池半導(dǎo)體材料表面產(chǎn)生電子空穴對(duì)沒來得及參與導(dǎo)電就復(fù)合的過程為表面復(fù)合（surfacerecombination）硅表面生長一層介質(zhì)膜（SiO2，Si3N4）或氫原子鈍化等。其效果是消除掉材料表面的懸掛鍵，減少載流子在表面發(fā)生復(fù)合的幾率。

2/8/202420光伏材料3）串并聯(lián)電阻損失

太陽電池內(nèi)電阻的存在會(huì)產(chǎn)生焦耳熱損失。串聯(lián)電阻以及漏電流的存在都會(huì)降低填充因子FF，而太陽電池轉(zhuǎn)化效率正比于FF，所以串并聯(lián)電阻對(duì)太陽電池轉(zhuǎn)化效率有影響研究發(fā)現(xiàn)，較大的串聯(lián)電阻和較小的并聯(lián)電阻還會(huì)分別造成Isc和Voc減小，加劇了轉(zhuǎn)化效率降低

2/8/202421光伏材料極限

1)短路電流極限一個(gè)足夠能量的光子產(chǎn)生一對(duì)電子空穴對(duì)的情況對(duì)于能量低于禁帶寬度的光子不產(chǎn)生電子空穴對(duì)光生少子全部被收集。2/8/202422光伏材料對(duì)于硅半導(dǎo)體，，因此長波極限：太陽光長波極限與半導(dǎo)體材料禁帶寬度之間的關(guān)系滿足：對(duì)于更長的波長則不會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。隨著禁帶寬度的減小，短路電流增加。在確定的太陽光照的情況下，參與產(chǎn)生電子空穴的光子增多。2/8/202423光伏材料2）開路電壓極限

在溫度一定的情況下，IL最大，IO最小時(shí)，Voc最大。IL最大為短路電流，IO可表示為以上個(gè)參數(shù)選擇最佳的取值時(shí)，對(duì)于硅太陽電池最大的

2/8/202424光伏材料VOC隨著禁帶寬度的減小而減小；ISC隨著隨著禁帶寬度的減小而增大存在一個(gè)最佳的禁帶寬度能夠使太陽電池轉(zhuǎn)換效率最高2/8/202425光伏材料3）填充因子極限在理想情況下，填充因子FF僅是開路電壓函數(shù)歸一化開路電壓：當(dāng)Uoc>10，開路電壓Voc=700mV2/8/202426光伏材料4）極限

根據(jù)極限計(jì)算出太陽電池轉(zhuǎn)換效率理論極限是：單晶硅27%，多晶硅20%，非晶硅15%，砷化鎵28.5%。但是目前研究結(jié)果為：單晶硅24%，砷化鎵25%。

太陽電池串并聯(lián)電阻會(huì)產(chǎn)生漏電流、降低短路電流和開路電壓硅半導(dǎo)體而言，有23%太陽光能量小于禁帶寬度；超過禁帶寬度那部分能量會(huì)以熱的形式被浪費(fèi)，43%。光生載流子輸出電壓僅為相當(dāng)于禁帶寬度對(duì)應(yīng)壓的一部分，例如硅的輸出電壓僅占

理論計(jì)算單晶硅電池轉(zhuǎn)化效率為？？？2/8/202427光伏材料4）溫度對(duì)太