[工学]专题二、太阳能电池机理.ppt

OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 能源光电子器件设计 主讲： 光电学院 钟 建 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 专题一、太阳能电池概述 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 . 课程安排 一、课堂教学（4-6学时） 二、专题讨论（2-4学时） 四、总结报告（2-4学时） 三、器件制备（6-8学时） OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 . 参考书目 1、太阳能光伏系统概论，车孝轩，武汉大学出版社，2007.11； 2、太阳能光伏发电系统的设计与施工， 刘树民，宏伟译，科学出版社，2006.04； 3、太阳能光伏电池及其应用， 张红梅，崔晓华译，科学出版社，2008.09. OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 . 提纲 一、太阳能电池的应用 二、太阳能电池的工作原理 四、太阳能电池的主要缺点 三、太阳能电池的主要优点 五、太阳辐射 六、太阳能储存方式 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 一、太阳能电池的应用（10KW光伏发电组） OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 太阳能服饰 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 太阳能在沙漠地区的运用 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 二、太阳能电池的工作原理 太阳能电池的工作原理是内光电效应。 光伏发电的本质是“光-电转换”。 简单讲，主要是以半导体材 料为基础，利用光照产生电子-空 穴对，在PN结上可以产生光电流 和光电压的现象（光伏效应）， 从而实现太阳能光电转换的目的 。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 二、太阳能电池的工作原理 光电效应概述 光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就 是光能量转换成电能。这类光致电变的现象统称为光电效应（ Photoelectric effect）。 光电效应分为：外光电效应和内光电效应。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 二、太阳能电池的工作原理 1. 外光电效应 在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象 叫做外光电效应。 2.内光电效应 内光电效应是被光激发所产 生的载流子（自由电子或空穴） 仍在物质内部运动，使物质的电 导率发生变化或产生光生伏特的 现象。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 二、太阳能电池的工作原理 半导体的内光电效应 当半导体的表面受到太阳光照射时，如果其中有些光子的能 量大于或等于半导体的禁带宽度，就能使电子挣脱原子核的束缚 ，在半导体中产生大量的电子一空穴对，这种现象称为半导体内 光电效应 。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 二、太阳能电池的工作原理 半导体的内光电效应 太阳能电池就是依靠内光电效应把光能转化为电能的，因此 实现内光电效应的条件是所吸收的光子能量要大于半导体材料的 禁带宽度，即 式中 h光子能量； h普朗克常数； 光波频率： Eg半导体材料的禁带宽度。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 二、太阳能电池的工作原理 半导体的内光电效应 由于C=，其中C为光速，是光波波长， 式可改 写为 ，即 这表示光子的波长只有满足上式 的要求，才能产生电子一空穴对。通 常将该波长称为截止波长，用g表示 ，波长大于g的光子就不能产生载流 子。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 二、太阳能电池的工作原理 不同的半导体材料由于禁带宽度不同，要求用来激发电子一 空穴对的光子能量也不一样。 同一块半导体材料中，超过禁带宽度的光子被吸 收以后转化为电能，而能量小于禁带宽度的光子被半导 体吸收以后则转化为热能，不能产生电子一空穴对，只 能使半导体的温度升高。 结论：对于太阳电池而言，禁带 宽度有着举足轻重的影响，禁带宽度 越大，可供利用的太阳能就越少，它 使每种太阳电池对所吸收光的波长都 有一定的限制。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、 太阳能电池的主要优点 (1)太阳能取之不尽，用之不竭，地球表 面接受的太阳辐射能，足够满足目前全球 能源需求的数万倍。 只要在全球4%的沙漠上安装太阳能 光伏系统，所发电力就可以满足全球的需 要。太阳能电池安全可靠。 (2)太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离输送 ，避免了长距离输电线路的损失。 (3)太阳能不用燃料，运行成本很低。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、太阳能电池的主要优点 (4)太阳能电池没有运动部件，不易 损坏，维护简单，特别适合于无人 值守情况下使用。 (5)太阳能电池不产生任何废弃物 ，没有污染、噪声等公害，对环 境无不良影响，是理想的清洁能 源。 (6)太阳能电池系统建设周期短，方便灵活，而且可以根 据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池方阵容量，避 免浪费。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 四、太阳能电池的主要缺点 (1)地面应用时有间歇性和随机性。 到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是 不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。 (2)能量密度较低，标准条件下，地面上接收到 的太阳辐射强度为1000W/m2。 正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太 阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有 1000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W 左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1 5左右。 (3)目前价格仍较贵，为常规发电的515倍，初始投资高。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 五、太阳辐射 太阳的能量主要来源于氢聚变成氦的聚变 反应，每秒产生3. 90l023kW能量。这些能量 以电磁波的形式，以3.0105 km/s的速度穿越太 空射向四面八方。 地球只接受到太阳总辐射的二十二亿分之 一，即有1.71014 kW达到地球大气层上边缘(“ 上界”)，由于穿越大气层时的衰减，最后约 8.51013 kW达地球表面，这个数量相当于全世 界发电量的数万倍。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 五、太阳辐射（参数） 1太阳常数 在地球大气层之外，平均日地距离处，垂直 于太阳光方向的单位面积上所获得太阳辐射能基 本上是一个常数，这个辐照度称为太阳常数，或 称大气质量0(AM0)的辐射。 1981年10月在墨西哥召开的世界气象组织仪 器和观测方法委员会第八届会议通过的太阳常数 的大小是：ISC=13677W/m2。 实际上，一年中的日地距离是变化的，因此ISC的值也稍有变化。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 五、太阳辐射（参数） 2大气质量m 太阳与天顶轴重合时，太阳光线穿过 一个地球大气层的厚度，路程最短。 太阳光线的实际路程与此最短路程之 比称为大气质量。并假定在1个标准大气压 和0时，海平面上太阳光线垂直入射时 m=1。 因此，大气层上界的大气质量m=0。 太阳在其他位置时，大气质量都大于1，如 m=1.5时，通常写成AM1.5。大气质量的示 意图如图所示。 大气质量的示意图 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 五、太阳辐射（参数） 2大气质量m 大气质量的示意图 大气质量越大，说明光线经过大气的路程 越长，受到衰减越多，到达地面的能量就越少 。 地面上的大气质量计算公式为： m=secZ=1/sins 式中 Z-太阳天顶角；s-太阳高度角。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 五、太阳辐射（参数） 2大气质量m （1）天顶角z 天顶角就是太阳光线OP与地平面法 线QP之间的夹角。 （2）高度角s 高度角就是太阳光线OP与其在地平面上投影线Pg 之间的夹角，它表示太阳高出水平面的角度。 高度角与天顶角的关系为： OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 五、太阳辐射（参数） 当z=0o时，大气光学质量等于1或称AM1 ； 当z=60o时，则是大气光学质量是2或 AM2的情况。 AM1.5（相当于太阳光和垂线方向成48.2o 角）为光伏业界的标准。 任何地点的大气光学质量可以由下列公式 估算： AM=1+(s/h)21/2 如图所示，s是高度为h的竖直杆的投影长度。 利用已知高度的物体的投影估算大气光学质量 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 五、太阳辐射（参数） 3、太阳光谱 (1)太阳光谱的定义 太阳看上去是白色的，但是如果使一束 太阳光通过一个玻璃三棱镜，那么就在白色 幕布上，出现条红，橙、黄、绿、青、蓝、 紫等彩色光带。 物理学上把这样的彩色光带（各色光按 频率或波长大小的次序排列成的光带图）叫 做太阳光谱，这样的可见光谱（约400-760nm ），只占太阳光谱中的微小部分。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 五、太阳辐射（参数） (1)太阳光谱的定义 整个太阳光谱的波长是非常宽广的 ，从几个埃到几十米。 比可见光波长长的有红外，微波、 无线电波等； 比可见光波长短的有紫外线、X射线 等。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 五、太阳辐射（参数） (2)光谱的分类 光谱按产生的方法可以分为发射光 谱和吸收光谱两大类。 由发光体所发出的光直接生成的光 谱叫发射光谱。 发射光谱又分为连续光谱和明线光 谱。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 五、太阳辐射（参数） (2)光谱的分类 发射光谱又分为连续光谱和明线光 谱。 连续光谱是固体或液体在高温下所 发出的光生成的，包含由红到紫各式各 样的色光在内的连续彩色光带。 明线光谱是气体或蒸气在高温下所 发出的光生成的，在黑暗的背景上只有 一些不连续的明线。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 太阳光谱是一种吸收光谱，它是在连续光 谱的背景上分布许多暗线。 原因是太阳发出的白光，要穿过温度比太 阳低得多的太阳大气层，在这种太阳大气层里 存在着从太阳里蒸发出来的许多元素的气体； 太阳光穿过它们的时候，跟这些元素标识 谱线相同的光，都被这些气体吸收掉了，所以 太阳光到达地球后就形成了吸收光谱。 五、太阳辐射（参数） (2)光谱的分类 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 地球大气上界的太阳辐射光谱的99% 以上在波长0.154.0m。 大约50%的太阳辐射能量在可见光谱 区(波长0.40.76m)，7%在紫外光谱区(波 长0.76m）。 五、太阳辐射（参数） (2)光谱的分类 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 太阳能不能直接储存，必须转换 成其他形式能量才能储存。太阳能 储存有以下方法。 （1） 电能储存 在太阳能光伏发电系统中，主 要是用蓄电池将太阳能电池发出来 的电能储存。铅酸蓄电池是光伏发 电系统配套的主要储能装置。 六、太阳能储存方式 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 太阳能不能直接储存，必须转换 成其他形式能量才能储存。太阳能储 存有以下方法。 （2） 热能储存 利用材料的显热储能是最简单的 储能方法。在实际应用中，水、砂、 石子、土壤等可作为储能材料，其中 水的比热容最大，即温度即使升高不 多也能够吸收大量的能量。 六、太阳能储存方式 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 (3) 潜热储存 利用材料在相变时（从一种相转变为另 一种相时）吸入的潜热储能，其储能量大。 且在温度不变情况下放热。 如纯铁在无限缓慢的冷却过程中，由一 种相转变成另一种相的过程中温度是不变的 ，这就说明物质在发生相变时，放出的潜藏 热量抵消了一部分因冷却散失的热量，所以 温度不变。 六、太阳能储存方式 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 六、太阳能储存方式 (4)化学储热 利用化学反应储热储热量大 ，体积小，重量轻，储存时间长。 (5)太阳池储熟 太阳池是一种具有一定盐浓度 梯度的盐水池，可用于采集和储存 太阳能。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 (6)氢能储存 氢可以大量、长时间储存。它能以气相、 液相、固相（氢化物）或化合物（如氨、甲醇 等）形式储存。此外氢和氧输入到燃料电池中 也可以发电。 (7)机械能储存 太阳能转换为电能，带动电动水泵将低位 水抽至高位，便以位能的形式储存太阳能；太 阳能转换为热能，推动热机压缩空气，也能储 存太阳能。 六、太阳能储存方式 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 专题二、太阳能电池机理 主讲： 光电学院 钟 建 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 太阳能电池的工作原理 太阳能电池的工作原理是光电效应。 光伏发电是指“光-电转换”。 主要是以半导体材料为基础 ，利用光照产生电子-空穴对，在 PN结上可以产生光电流和光电压 的现象（光伏效应），从而实现 太阳能光电转换的目的。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 . 提纲 一、半导体材料及特点 二、 PN结原理 三、太阳能电池的工作原理 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 一、一、 半导体材料及其特点半导体材料及其特点 半导体的特性 本征半导体 杂质半导体 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 半导体特性半导体特性 何谓半导体 物体分类 导体 电导率为大于105s.cm-1，量级; 绝缘体 电导率为10-22-10-14 s.cm-1量级; 导电能力介于导体和绝缘体之间。 半导体 电导率为105s.cm-1 量级，如： 银、铜、金、铝。 电导率10-22-10-14 s.cm-1 量级，如：橡胶、云母、 塑料等。 电导率为10-9-102 s.cm-1 量级，如：硅、锗、 砷化镓（集成电路）等。 电阻率：银Ag 1.60（10-6m） 金Au 2.40（10-6m） OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 电阻率与电导率电阻率与电导率 (1)电阻率是用来表示各种物质 电阻特性的物理量。 某种材料制成的长1m、横截面 积是1mm2的在常温下(20时）导 线的电阻，称为这种材料的电阻率 。国际单位制中，电阻率的单位是 欧姆米( )。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 电阻率与电导率电阻率与电导率 电阻率的计算公式为： 式中 电阻率， ； S横截面积， ； R电阻值， ； L导线的长度，m。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 电阻率与电导率电阻率与电导率 电阻率和电阻是两个不同概念。 电阻率是反映物质对电流阻碍作用的 属性，电阻是反映物体对电流阻碍作 用。 工程应用中常用于衡量电阻的 量，一个是电阻率，另一个是方块 电阻。 何为方块电阻？ OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 电阻率与电导率电阻率与电导率 实验室常用的阳极材料为ITO玻 璃，其方块电阻为10-15/ 。 氧化铟-锡透明导电膜（Indium tinoxide，即 ITO）。 电阻大小为方块电阻乘以金属 块的长度和宽度之比。 电阻率除以金属膜的厚度得到 所谓方块电阻。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 电阻率与电导率电阻率与电导率 电导率是用来表示物质中电流动 的难易程度，是物质固有的物理量。 电导率与电阻率之间是互为倒 数关系，即： 电导率=1/电阻率。 电导率的单位是S/m或者 。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 电阻率与电导率电阻率与电导率 对于一般的导电材料，其电导率 可用下式表示： 式中 电导率，S/m； n载流子浓度，原子 ； e电子的电荷，C； 载流子的迁移率 ， 。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 电阻率与电导率电阻率与电导率 对于半导体材料，由于电子和空 穴同时导电，存在两种载流子，因此 其电导率应用下式表示： 式中n，电子、空穴的浓度； ， 电子、空穴的迁移率。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 电阻率与电导率电阻率与电导率 ， 电子、空穴的迁移率。 迁移率是用来说明载流子导电 运动的一个物理量，就是当电场强 度为lV/cm时，载流子的漂移速度。 迁移率的单位是cm2/(V.s) 硅的电子迁移率为1350cm2/(Vs)就是说，当电场强度为 lV/cm时电子在硅晶体中以1350cm/s的速度向正电极漂移。 半导体的电导率与载流子的浓度和迁移率的关系为： 电导率=载流子浓度载流子所带电荷迁移率。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 半导体材料的种类半导体材料的种类 按其结构分，可分为三 大类：单晶体、多晶体和非 晶体。 按其成分来分，可以粗 分为有机半导体和无机半导 体，而无机半导体又可分为 元素半导体和化合物半导体 。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 半导体材料的种类半导体材料的种类 (1)元素半导体 从周期表上看 ，元素半导体包括硅、锗、硼、碳 、灰锡、磷、灰砷、灰锑、硫、硒 、碲和碘，共有l2种，其中锡、锑 和砷只有在特定的固相时才显示半 导体性质。 但由于高纯度的单晶元素半导 体制备还较为困难，所以到目前为 止，在实际产业中得到应用的只有 硅、锗和硒，而且常用的只有硅和 锗。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 半导体材料的种类半导体材料的种类 (2)化合物半导体 可分为V 族半导体、V族半导体、 族半导体、V 族半导体、氧 化物半导体、硫化物半导体和稀土 化合物半导体等。 化合物半导体的种类最多，有 二元，也有多元，如碳化硅（- 族化合物）和-V族化合物S、Se 、Te，此外还有Zn、Al、Hg所组 成的二元化合物。常见的如：砷化 镓。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 半导体特性半导体特性 半导体特性 掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性半导体器件 温度增加使导电率大为增加温度特性 热敏器件 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性 光敏器件 光电器件 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 本征半导体本征半导体 本征半导体 完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.99999%，“7N”， 它在物理结构上呈单晶体形态。 常用的本征半导体 Si+14 2 84Ge +32 2 8 18 4 +4 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 本征半导体本征半导体 本征半导体的原子结构和共价键 +4+4+4 +4+4+4 +4 +4+4 共价键内的电子 称为束缚电子 价带 导带 挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子 价带中留下的空位 称为空穴 禁带EG 外电场E 自由电子定向移动 形成电子流 束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流 在半导体物理中，通常把这种形成共价键的价电子所 占据的能带称为价带，而 把价带上面邻近空带（自由电子 占据的能带）称为导带。导带和价带之间为禁带。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 本征半导体本征半导体 1. 本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴， 它们是成对出现的。 2. 在外电场的作用下，产生电流 电子流和空穴流。 电子流 自由电子作定向运动形成的， 与外电场方向相反， 自由电子始终在导带内运动。 空穴流 价电子递补空穴形成的， 与外电场方向相同， 始终在价带内运动。 由此我们可以看出： OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 本征半导体本征半导体 本征半导体的载流子的浓度 电子浓度ni :表示单位体积的自由电子数； 空穴浓度pi :表示单位体积的空穴数。 结论 1. 本征半导体中 电子浓度ni = 空穴浓度pi； 2. 载流子的浓度与T有关。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三. 杂质半导体 本征半导体缺点？ 1、自由电子浓度=空穴浓度； 2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！ (1) N型半导体 (2) P型半导体 (3) 杂质对半导体导电性的影响 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 杂质半导体杂质半导体 杂质半导体 掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高； 掺入的三价元素如硼B、Al、铟In等， 形成P型半导体，也称空穴型半导体； 掺入的五价元素如磷P、砷Se等， 形成N型半导体，也称电子型半导体。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 杂质半导体杂质半导体 N (Negative 负）型半导体 +4+4+4 +4+4+4 +4 +4+4 +5 +5 在本征半导体中掺入的五价元素如磷。 自由电子是多子 空穴是少子 杂质原子提供 由热激发形成 由于五价元素很容易贡献电子， 因此将其称为施主杂质。施主杂 质因提供自由电子而带正电荷成 为正离子。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 N（ Negative 负）型半导体（电子型半导体） 掺 杂： 特 点： 多数载流子：自由电子（主要由杂质原子提供） 少数载流子：空穴（ 由热激发形成） 少量掺入五价杂质元素（如：磷，砷等） OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 杂质半导体杂质半导体 P （ Positive 正）型半导体 +4+4+4 +4+4+4 +4 +4+4 +3 +3 在本征半导体中掺入的三价元素如硼。 自由电子是少子空穴是多子 杂质原子提供 由热激发形成 因留下的空穴很容易俘获电 子，使杂质原子成为负离子 。三价杂质 因而也称为受主 杂质。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 P（ Positive 正）型半导体（空穴型半导体） 掺 杂：少量掺入三价杂质（如硼、镓和铟等） 特 点： 多子：空穴（主要由杂质原子提供） 少子：电子（ 由热激发形成） OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 杂质半导体杂质半导体 杂质半导体的载流子浓度 在杂质型半导体中，多子浓度比本征 半导体的浓度大得多，而少子浓度比本 征半导体的浓度小得多，但两者乘积保 持不变，并等于ni2 。 详见“半导体物理”。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 在杂质杂质半导导体中，尽管杂质杂质含量很少，但提供的载载流子数量计计算 仍远远大于本征半导导体中载载流子的数量。 例如：T=300k时时，锗锗本征半导导ni=2.51013/cm3,锗锗原子密度为为 4.4*1022/cm3,若掺掺入砷原子是锗锗原子密度的万分之一。 则则施主杂质浓杂质浓度为为： ND=10-44.41022=4.41018/cm3 （比ni大十万倍） 杂质半导体的载流子浓度 在杂质型半导体中： 多子浓度比本征半导体的浓度大得多； 载流子的浓度主要取决于多子（即杂质浓度），故 使导电能力激增 。 结 论 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 掺入杂质是一个绝妙的构想。掺入杂质是一个绝妙的构想。P P、N N杂质杂质 半导体放在一起的效果会怎样？半导体放在一起的效果会怎样？ P区 N区 二、二、 PNPN结结原理原理 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 (1).两种半导导体结结合后，由于浓浓度差产产生 载载流子的扩扩散运动动 结结果产产生空间电间电荷 区耗尽层层（多子运动动）。 + + + + + + + + + P N 载流子要从浓度大 区域向浓度小的区域 扩散,称载流子的扩散 的运动 (2).空间电荷区产生建立了内电场 产生载流子定向运动（漂移运动） (3).扩散运动产生扩散电流；漂移运动产 生漂移电流。 动态平衡时：扩散电流=漂移电流。 PN结内总电流=0。 PN结的宽度一定 。 把载流子在电场作 用下的定向移动称 为漂移运动 一.PN结的基本原理： （一）.PN结的形成： 当扩散运动内电场漂移运 动扩散运动动态平衡。 自由电子 空穴 + + + + + + PN + + + 二、二、 PNPN结结原理原理 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 PNPN结的形成结的形成 P区 N区扩散运动 载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流 内电场 内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动 扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、三、 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 P-N结的内建电场对两边的 少数载流子恰恰是助其漂移运动的动 力。所以不管什么原因，在P-N结区 出现少数载流子的时候，它们都会迅 速通过P-N结。 太阳能电池正是利用了光激 发少数载流子通过P-N结而发电的。 空间电荷区 （P-N结） 内建电场方向 后果 扩散运动方向 后果 半导体P-N结的形成1 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、三、 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 太阳能电池中的P-N结一般都是通过 扩散工艺形成的。 例如，在N型半导体中，扩散一定的 受主杂质（3价元素），这一个扩散层就会从 N型变成P型，并形成一个P-N结。这个结是从 N型向P型转变中制成的，称为P+-N结。 如果在P型半导体中，扩散一定的施 主杂质（5价元素），这一个扩散层就会从P 型变成N型，并形成一个N+-P结（也是一种P-N 结）。 空间电荷 区 （P-N结 ） 内建电场方 向后果 扩散运动方 向后果 半导体P-N结的形成1 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、三、 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 太阳能电池是以半导体P-N结上接 受太阳光照产生光生伏特效应为基础，直 接将光能转换成电能的能量转换器。 其工作原理是：当太阳光照射到 半导体表面，半导体内部N区和P区中原子 的价电子受到太阳光子的冲击，通过光辐 射获取到超过禁带宽度Eg的能量，脱离共 价健的束缚从价带激发到导带，由此在半 导体材料内部产生出很多处于非平衡状态 的电子和空穴对。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、三、 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 半导体材料的物理性质是与电 子和空穴的运动状态密切相关的，而它 们运动状态的描述和理解建立在能带理 论的基础上。从大的范围讲，半导体的 物理性质是建立在能带理论上的。 在物理学中，常常用能量图来 描述电子在不同轨道上所具有的能量。 如果把电子所具有的能量由低到高依次 用坐标来表示，那么就可以看出，它们 的能量是一级级地增加上去的。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、三、 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 当价电子在整个晶体中 运动时，这些“共有化”的价电子 不像围绕一个原子核运动时那样 只能有一个固定的能量，即只有 一个固定的能级，而是具有若干 个分布在一定范围内的能级。这 些能级相互之间靠得非常近，基 本上连成一片，这些连成一片的 能级就称为为能带。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、三、 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 在导体中，价带和导 带是重叠的，它们之间没有 禁带。价电子所在的能带中 只有部分被电子填充，其余 部分是空的。处于较高能级 的价电子犹如自由电子，可 以自由地运动，当这些电子 在电场的作用下向着一个方 向移动时就形成了电流。由 于导体的价带和导带之间没 有禁带，因此，即使在很低 的温度下也会有大量电子参 与导电，所以导体的电阻率 很低。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、三、 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 半导体的价带 填满了电子，在价带 和导带之间有一个禁 带。由于半导体的禁 带较窄，所以在室温 下，也会有一定数量 的电子从价带跃迁到 导带上，当导带上有 了一定数量的电子后 ，这些电子在外电场 的作用下就会导电。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、三、 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 随着温度的升高 ，有很多的电子被激发到 导带上，这就是半导体的 导电能力会随着温度的升 高而增加的原因。但是， 由于半导体的价带和导带 之间毕竟存在一个禁带， 因而被激发到导带上去的 电子是有限的，所以半导 体的导电能力比导体差， 即半导体的电阻率比导体 的电阻率大。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、三、 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 绝缘体的价带也填 满了电子，它的价带和导带 之间也有一个禁带，但这个 禁带要比半导体的禁带宽得 多。在一般情况下，价带上 的电子从热激发中得到的能 量不足以使它激发到导带上 ，因此，绝缘体的导带上电 子极少，因而绝缘体的导电 能力极差，电阻率很大。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、三、 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 光伏效应 n 如果外电路处于开路状态， 那么这些光生电子和空穴积累在pn 结附近，使p区获得附加正电荷，n 区获得附加负电荷，这样在pn结上 产生一个光生电动势，这一现象称 为光伏效应（ Photoelectric effect ） OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、三、 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 一般希望有更多的先激发载流 子中的少数载流子能运动到P-N结区，通 过P-N结对少数载流子的牵引作用而漂移 到对方区域，对外形成与P-N结势垒电场 方向相反的光生电场。 一旦接通外电路，即可有电能 输出。当把众多这样小的太阳能光伏电 池单元通过串并联的方式组合在一起， 构成光伏电池组件，便会在太阳能的作 用下输出功率足够大的电能。 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、三、 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 是指在电池表面被反射回去的 一部分光线； 是指刚进电池表面被吸收生成 电子-空穴对的光线，其中大部 分是吸收系数较大的短波光线。 它们来不及达到P-N结就很快地 被复合还原。所以它们对产生光 生电动势没有贡献； 上电极 P-N结 下电极 N P 光伏电池受光照情况 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、三、 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 是指在P-N结附近被吸收生成电 子-空穴对的那部分光线，它们是 使太阳能电池能够有效发电的有用 光线。这些光生非平衡少数载流子 在P-N结特有的漂移作用下产生光 生电动势； 是指辐射到电池片深处，距离P-N 结较远的地方才被吸收的光线，它 们与光线的情况相同，虽能产生 电子-空穴对，在P-N较远处被复合 ，只有极少部分能产生光生电动势 ； 上电极 P-N结 下电极 N P 光伏电池受光照情况 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、三、 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 是指被电池吸收，但是由于 能量较小不能产生电子-空穴对 的那部分光线，它们的能量只 能使光伏电池加热，温度上升 ； 是指没有被电池吸收而透射 过去的少部分光线。 上电极 P-N结 下电极 N P 光伏电池受光照情况 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、三、 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 由此可见，能够产生光生 电动势的主要是光线。所以应该 尽可能地增加它们的比例数量，才 能提高光伏电池的光电转换效率。 所谓光电转换效率，是指 受光照的太阳能所产生的最大输出 电功率与入射到该电池受光几何面 积上全部光辐射功率的百分比。 上电极 P-N结 下电极 N P 光伏电池受光照情况 OLED研发中心 电子科技大学OLED研发中心 三、太阳能电池工作原理三、太阳能电池工作原理 当光伏电池的上电极 和下电极接上负载电路之后 ，光线部分是如何在外电 路上形成电流的过程。 正是由于这些靠近P-N 结的光生少数载流子，在P- N结的漂移作用下，N区的电 子留在N区，空穴流向P区； P区的空穴留在P区，电子流