光伏电池及其特性.ppt

第二章光伏电池及其特性 1 principleofsolarcells2 硅型光伏电池的电特性3 光伏电池的外特性4 光伏电池性能的检测5 光伏电池的结构和分类 2 1principleofsolarcells 2 1 1半导体的基础知识 半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 本征半导体 纯净的半导体 如硅 锗单晶体 掺杂半导体 photovoltaiccells whataresemiconductors 入门导带性界于导体与绝缘体之间的材料中阶电阻系数约为10 3 108 cm的材料进阶能隙约在4ev以下之的材料 能带理论 补充内容 能带理论的基本要点 量子力学计算表明 固体中若有n个原子 由于各原子间的相互作用 对应于原来孤立原子的每一个能级 变成了n条靠得很近的能级 称为能带 能带宽度 e 量级为 e ev 若n 1023 两能级的间距约10 23ev 越是外层电子 e越大 点阵间距越小 e越大 两个能带有可能重叠 li原子电子构型是1s22s1 能带中的电子分布 满带 能带中所有能级 轨道 均有电子占据 为由充满电子的原子轨道能级所形成的低能量能带 空带 能带中所有能级 轨道 均无电子占据 禁带 不允许有电子占据的能量范围 禁带宽度 满带与空带的能量间隔 称为带隙 能带中的电子分布 价带 依据轨道能量高低顺序填充电子时 最后由价电子填充的 轨道 能带称为价带 导带 部分被价电子 可自由移动 占据的能带可称为导带 导带可以是由未充满电子的原子轨道组合而成的能带 价带 或 与满带重叠或能量相近 空带 导体 半导体和绝缘体 导体价电子能带是半满的 如li na 或价电子能带是全满但有空的能带 be mg 而且两个能带能量间隔很小 彼此发生部分重叠 eg 导体 半导体和绝缘体 导体 金属钠 金属镁 导体 半导体和绝缘体 绝缘体价电子都在满带 导带是空的 而且满带顶与导带底之间的能量间隔 即禁带宽度 大 在外电场作用下 满带中的电子不能越过禁带跃迁到导带中 故不能导电 eg 禁带宽度 5ev 导体 半导体和绝缘体 半导体满带被电子充满 导带是空的 便禁带宽度很窄 由于禁带宽度小 因此当光照或在外电场作用下 使满带上的电子 很容易跃迁到导带上 使原来空的导带充填电子 同时在满带上留下空穴 eg 禁带宽度 3ev elementsemiconductor 元素半导体 compoundsemiconductor 化合物半导体 intrinsicsemiconductor 本征半导体 extrinsicsemiconductor 掺杂半导体 directsemiconductor 直接半导体 indirectsemiconductor 间接半导体 degeneratesemiconductor 简并半导体 non degeneratesemiconductor 非简并半导体 compensatedsemiconductor 补偿半导体 non compensatedsemiconductor 非补偿半导体 1 intrinsicsemiconductor 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 称为本征半导体 硅 锗 的原子结构 简化模型 a diamondlattice b zincblendelattice covalencebonds atetrahedronbond a 3 d b 2 d 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 本征激发 formationofintrinsiccarriers 在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子 并在共价键中留下一个空位 空穴 的过程 复合 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程 漂移 自由电子和空穴在电场作用下的定向运动 结论 1 本征半导体的电子空穴成对出现 且数量少 2 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电 3 本征半导体导电能力弱 并与温度有关 本征激发的特点 2 extrinsicsemiconductor 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加 硅原子 磷原子 多余电子 自由电子浓度大于空穴浓度 多数载流子 多子 n型半導體 p typesemiconductor p型半導體 空穴 硼原子 硅原子 空穴被认为带一个单位的正电荷 并且可以移动 n型半导体和p型半导体 n型 磷原子 自由电子 电子数 空穴数 电子为多数载流子 多子 空穴为少数载流子 少子 载流子数 电子数 空穴数 电子数 p型 硼原子 空穴 空穴数 电子数 空穴 多子 电子 少子 载流子数 空穴数 施主离子 施主原子 受主离子 受主原子 半导体掺杂技术 热扩散技术 离子注入技术 浓度差使多子产生扩散运动 当参与扩散运动的多子数目和参与漂移运动的少子数目相同时 达到动态平衡 就形成了pn结 内电场使少子产生漂移运动 内电场 无光照时 pn结的形成 采用不同的掺杂工艺 将p型半导体与n型半导体制作在同一硅片上 在它们的交界面处就会形成pn结 太阳电池发电原理示意图 pn结受光照后 光伏效应 半导体吸收光能产生带正电和负电的粒子 空穴和电子 在内建电场作用下 电子 朝n型半导体汇集 而空穴 则朝p型半导体汇集 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 光伏电池的光照的详细情况 1 电池表面被反射回去的光线 2 刚进入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 它们产生的电子 空穴对来不及到达pn结就很快被复合还原 3 pn结附近被吸收生成电子 空穴对的那部分光线 光生少数载流子在电场作用下漂移能够产生光生电动势 4 进入电池深处 距离pn结较远的地方被吸收生成电子 空穴对的光线 与2类似 无用 5 被电池吸收 但能量较小不能产生电子 空穴对的那部分光线 只能使电池加热 温度上升 6 没有被吸收透射部分 光生载流子形成电流的过程 光伏电池的工作原理 pn 不照光 平衡狀態 ef ev ec n p 光子 photon 太陽光發電 photovoltaic 原理 ii 多數載子 多數載子 電子 電洞對 electron holepair ec conductionbandev valancebandef fermienergy 作业 1 用能带理论解释导体和半导体的导电机理 2 阐述pn结的形成过程 并画出示意图 2 2硅型光伏电池的电特性 2 2 1等效电路2 2 2光伏电池伏安特性曲线2 2 3输出功率和输出因子2 2 4输出效率 2 2 1光伏电池的等效电路 p n 少子的漂移 导致p区出现空穴的积聚 n区出现电子的积聚 反过来 这种电荷积聚会消弱内建电场 使得少子漂移效应减弱 光电流输出变小 相当于出现暗电流 id 等效电路中符号的说明 l 光伏电池的等效电路图 2 rs为串联电阻 一般小于1 前面和背面的电极接触 以及材料本身具有一定的电阻率 3 rsh为旁路电阻 由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时 在电池的微裂纹 划痕等处形成的金属桥漏电等 使一部分本应通过负载的电流短路 这种作用的大小可用一并联电阻rsh来等效 1 rl为外负载电阻 4 id为暗电流 等效电路图的理想形式 由于电路中无电源 电压u ir实际加在太阳电池的结上 即结处于正向偏置 一旦结处于正向偏置时 二极管电流id i0 exp qu nkt 1 朝着与光激发产生的载流子形成的光电流iph相反的方向流动 1 因而流入负载电阻的电流值为 1 式 测试输出特性 p n i0反映光生电池对光生载流子的最大复合能力 问题1 为什么可把太阳能电池的内部看成一个电流源 光电池 和一个硅二极管的复合体 光伏电池无光照时就是一个pn结 有光照时 会产生光生电动势和光伏电流 1 产生光伏电流的原因是 光照时 本征激发产生的电子聚集在n端 空穴汇聚在p端 破坏了光照前的平衡 电子通过外回路由np 电流是pn 2 载流子的汇聚会在pn结内产生一个与原内建电场方向相反的附加电场 在一定程度上降低了原内建电场 相当与pn节的正向偏置 如果外回路断开内建电场和载流子汇聚产生的电场在内部抵消 达到平衡 负载load 光伏电池的等效电路图 l 等效电路中各变量之间的关系 seriesresistance串联电阻 shuntresistance并联电阻 反向饱和电流 指给pn结加一反偏电压时 外加的电压使得pn结的耗尽层变宽 结电场 即内建电场 变大 电子的电势能增加 p区和n区的多数载流子 p区多子为空穴 n区多子为电子 就很难越过势垒 因此扩散电流趋近于零 但是由于结电场的增加 使得n区和p区中的少数载流子更容易产生漂移运动 因此在这种情况下 pn结内的电流由起支配作用的漂移电流决定 漂移电流的方向与扩散电流的方向相反 表现在外电路上有一个流入n区的反向电流 它是由少数载流子的漂移运动形成的 由于少数载流子是由本征激发而产生的 在温度一定的情况下 热激发产生的少子数量是一定的 电流趋于恒定 pn结正向偏置 内电场减弱 使扩散加强 扩散 飘移 形成正向电流 pn结导通 pn结反向偏置 内电场增强 抑制扩散 加剧漂移 形成反向电流 也称漂移电流 因为漂移电流是由少子运动引起的 而其数目极少 因此漂移电流很小 常可忽略不计 认为pn结处于截止状态 反向饱和电流很小 a级 a 开路电压 当太阳电池处于开路状态时 对应光电流的大小产生电动势 这就是开路电压 理想情况下 流入负载电阻的电流值为 2 式 设 0 开路 ph sc 则 开路电压 shortcircuitn 短路 在可以忽略串联 并联电阻的影响时 isc为与入射光强度成正比的值 a 在很弱的阳光下 isc i0 因此 3 式 其中 b 在很强的阳光下 sc 0 2 2 2光伏电池伏安特性曲线 光伏电池伏安特性曲线的另外一种表达形式 图4 硅太阳能电池在不同光照下的伏安特性曲线 2 2 3输出功率和曲线因子 伏安特性曲线 i v曲线上任何一点都可以作为工作点 工作点所对应的纵横坐标 即为工作电流和工作电压 其乘积p iv为电池的输出功率 最大功率如何确定呢 最大输出功率点的确定 当太阳电池接上负载rl时 上图负载线与伏安特性曲线的交点处的iv乘积即为该负载下的输出功率 等功率线与伏安特性曲线的切点 即为最佳工作点 该点处输出功率最大 um im为最佳负载电阻 为了精确计算最大功率点 可根据伏安特性曲线绘出p u图 求极值即可 曲线因子 又称填充因子将voc与isc的乘积与最大功率pm之比定义为填充因子ff 则 ff为太阳电池的重要表征参数 ff愈大则输出的功率愈高 ff取决于入射光强 材料的禁带宽度 理想系数 串联电阻和并联电阻等 2 2 4输出效率 太阳电池的转换效率 定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能pin之比 即 影响因素 1 不同波长太阳光穿透能力不同 只有能量大于eg的光子才能产生电子 空穴对 这一过程太阳辐射能大约损失25 2 任何电池表面对光都有反射作用 辐射光要损失10 左右 3 能量大于eg的光子在半导体内部 由于复合和寿命原因 不能全部生成电子 空穴对 4 光伏电池的工作电压一般是开路电压的60 5 串联电阻和并联电阻的影响 往往使输出功率降低5 左右 6 曲线因数一般为0 75 0 8 2 3光伏电池的外特性 2 3 1光谱响应2 3 2温度特性和光照特性2 3 3负载特性 概述 光伏电池工作环境的多种外部因素 如光照强度 环境温度 粒子辐射等都会对电池的性能指标带来影响 而且温度的影响和光照强度的影响还常常同时存在 为了保证光伏电池具有较高的工作效率和较稳定的性能 其制造工艺 组合安装 以及在设计配套的控制系统时 都要考虑改善光伏电池外特性的问题 2 3 1光谱响应 分析光伏电池的光谱响应 通常是讨论它的相对光谱响应 其定义是 当各种波长一定等量的辐射光子束人射到光伏电池上 所产生的短路电流与其中最大短路电流相比较 按波长的分布求其比值变化曲线即为相对光谱响应 而绝对光谱响应指的是 当各种波长的单位辐射光能或对应的光子人射到光伏电池上 将产生不同的短路电流 按波长的分布求出对应的短路电流变化曲线 硅型光伏电池的相应光谱响应曲线 能够产生光生伏特效应的太阳辐射波长范围一般在0 4 1 2 m左右的范围内 不论是波长小于0 4 m太阳光分量辐射 还是波长大于1 2 m的太阳光无法产生光电流 而硅型光伏电池光谱响应最大灵敏度在0 8 0 95 m之间 硅型光伏电池的相应光谱响应曲线 2 3 2温度特性和光照特性 pm ff isc uoc 通过分析可以看到 1 温度的升高对硅电池的发电效率有不利影响 2 光强越强 发光效果越好 2 3 3负载特性 光伏电池参数与负载的关系 光伏电池参数与负载的关系 2 有偏压和有电阻时的伏安特性 2 4光伏电池的结构和分类 2 4 1硅型电池结构2 4 2光伏电池的组态分类2 4 3光伏电池的发展历程2 4 4现代光伏电池的发展趋势 2 4 1硅型光伏电池的结构 上电极 下电极或底电极 扩散顶区 基体或衬底 硅光伏电池一般分为p n和n p两种结构 其中带 的第一位符号表示电池表面光照层 硅太阳能电池的结构 太阳能电池单体 组件和方阵 太阳能电池单体是光电转换的最小单元 尺寸一般为4cm2到100cm2不等 太阳能电池单体的工作电压约为0 5v 工作电流约为20 25ma cm2 一般不能单独作为电源使用 将太阳能电池单体进行串并联封装后 就成为太阳能电池组件 其功率一般为几瓦至几十瓦 是可以单独作为电源使用的最小单元 太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上 就构成了太阳能电池方阵 可以满足负载所要求的输出功率 太阳能电池组件 图1太阳能电池方阵500w 图2工人们正在一片占地270英亩的前东德军事基地上铺设弧线阵列的太阳能板 为沃德坡棱兹太阳能园提高4000万兆瓦的电力 该电厂于2008年底完工 是世界上最大的光伏太阳能电厂 在德国 政府对太阳能电厂会给予奖励 政府的鼓励大大刺激了该国太阳能基础设施的发展 2 4 2太阳能电池的分类 无机太阳能电池半导体硅 单晶 多晶 非晶 复合型等 化合物半导体 gaas cuinse cdte inp等 有机太阳能电池有机半导体 酞菁锌 聚苯胺 聚对苯乙炔等 光化学太阳能电池 纳米tio2等 a按照所用材料的不同 非晶硅太阳能内部结构和背电极 太阳能电池的第一层为p层 即窗口层 下面是i层 即太阳能电池的本征层 光生载流子主要在这一层产生 再下面为n层 起到连接i和背电极的作用 最后是背电极和al ag电极 目前制备背电极通常采用掺铝zno a1 或简称azo intrinsic 由于a si 非晶硅 多缺陷的特点 a si的p n结是不稳定的 而且光照时光电导不明显 几乎没有有效的电荷收集 所以 a si太阳能电池基本结构不是p n结而是p i n结 掺硼形成p区 掺磷形成n区 i为非杂质或轻掺杂的本征层 因为非掺杂的a si是弱n型 重掺杂的p n区在电池内部形成内建势 以收集电荷 太阳光照通过电线产生电流 非晶硅太阳能电池发电原理 tco制备成绒面起到减少反射光的作用 图2非晶硅柔性太阳能电池 非晶硅薄膜太阳能电池 无机太阳能电池研究进展 单晶硅 澳大利亚新南威尔士大学格林教授发电成本可降低为5 8美分 kw h 2009年 sunfabsystem公司制备出的大型薄膜太阳能电池 上图简介 sunfab system公司的薄膜太阳能面板主要是在薄膜技术的基础上 利用非晶硅太阳能电池板建成世界上面积最大 产能最多的太阳能薄膜电池板 这种做法一方面可以成功降低材料的成本 另一方面还可以和太阳能产业最高端的制造技术进行结合 据悉 该公司的薄膜太阳能面板主要采用无框架设计 从而解决了薄膜太阳能面板防水效果差和使用时间长会导致面板结构整体性受损这两大主要难题 图1肖特基型有机太阳能电池原理 有机半导体内的电子在光照下被从homo能级激发到lumo能级 产生一对电子和空穴 电子被低功功函数的电极提取 空穴则被来自高功函数电极的电子填充 由此在光照下形成光电流 理论上 有机半导体膜与两个不同功函数的电极接触时 会形成不同的肖特基势垒 这是光致电荷能定向传递的基础 因而此种结构的电池通常被称为 肖特基型有机太阳能电池 homo highestoccupiedmolecularorbital电子已占有的最高能级轨道lumo lowerunoccupiedmolecularorbital未占有电子的能级最低的轨道 氧化铟锡 indium tinoxide 透明导电膜玻璃 有机太阳能电池原理 有机半导体膜 实现这个突破的是位华人 柯达公司的邓青云 这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料 主要还是具有高可见光吸收效率的有机染料 这些染料通常也被用作感光材料 这自然是柯达的强项 邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍生物 pv 和铜酞菁 cupc 组成的双层膜 双层膜的本质是一个异质结 思路是用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池 他制备的太阳能电池 光电转化效率达到1 左右 虽然还是跟硅电池差得很远 但相对于以往的肖特基型电池却是一个很大的提高 这是一个成功的思路 为有机太阳能电池研究开拓了一个新的方向 时至今日这种双层膜异质结的结构仍然是有机太阳能电池研究的重点之一 常见的有机半导体 有机物类包括芳烃 染料 金属有机化合物 如紫精 酞菁 孔雀石绿 若丹明b等 聚合物类包括主链为饱和类聚合物和共轭型聚合物 如聚苯 聚乙炔 聚乙烯咔唑 聚苯硫醚等 电荷转移络合物由电子给予体与电子接受体二部分组成 典型的有四甲基对苯二胺与四氰基醌二甲烷复合物 光化学太阳能电池的结构及工作原理 染料敏化纳米薄膜太阳电池 它通过染料光敏化剂吸收太阳光的能量 使染料分子中的电子发生跃迁 最后电子进入收集电极 通过外回路产生电流 光化学太阳能电池原理 b按照电池结构分类 1 同质结光伏电池2 异质结光伏电池3 肖特基结光伏电池4 薄膜光伏电池5 叠层光伏电池 2 异质结光伏电池 指在不同禁带宽度的两种半导体材料相接的界面上构成一个异质p n结的光伏电池 禁带宽度 ev 单晶si 1 12 非晶si 1 8 inp 1 35 cdte 1 45 1 5 caas 1 424cuinse2 0 96 1 04 常见的异质结太阳能电池 1 sno2 n si异质结太阳电池2 ingan si异质结太阳能电池3 a si c si异质结结构太阳能电池 3 肖特基结光伏电池 指用金属和半导体接触组成一个 肖特基势垒 的光伏电池 又称ms光伏电池 原理 在一定条件下金属 半导体接触时产生类似于p n结可整流接触的肖特基效应 发展 由ms发展为mis 金属 绝缘体 半导体 光伏电池 5 叠层光伏电池 指将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠在一起构成的光伏电池 原理 鉴于波长短的光子能量大 在si中穿透深度小的特点 充分利用太阳光中不同波长的光 通常 让波长最短的光线被最上边的宽禁带材料电池吸收 波长较长的光线能透进去让下边禁带较窄的半导体材料吸收 最大限度将太阳光变成电能 1 第一代光伏电池 基于siliconwafers 硅晶 采用单晶硅和多晶硅及gaas材料制成 2004年第一代光伏太阳能电池约占产品市场的86 优缺点 工艺成熟 具有较高的转换效率 但成本较高 硅晶体的尺寸不能满足大面积的要求 目前 圆形单晶硅片的主流产品是200mm 8英寸 逐渐向300mm过渡 研制水平达到400 450mm 由于制作晶体硅光伏电池的硅材料占总成本的45 以上 生产成本太高 而且制作全过程中还需消耗大量的能源 2 4 3光伏电池的发展进程 2 第二代光伏电池 是基于薄膜技术的一种光伏电池 电池在薄膜中 很薄的光电材料被铺在衬底上 厚度为晶体硅光伏电池的1 100到1 10 构成薄膜的材料有很多种 主要包括多晶硅 非晶硅 siamorphoussilicon 硫化镉 cadmiumsulphide 铜铟硒 copperindiumdiselenide 碲化镉 cadmiumtelluride 第二代虽然具有很大的成本潜力 但其转换效率更低 只有6 10 薄膜电池的优势 虽然目前晶硅电池占主流 薄膜电池也还存在种种问题需要解决 但是薄膜电池有其独特的优势使得发展前景广阔 1 转换效率和生产成本改善空间巨大 2 生产工序相对简单 生产能耗少 3 应用范围广泛 美国的薄膜产商firstsolar发展非常迅速 后来者居上 已成为世界第一大太阳能电池企业 根据nanomarkets预测 09 15年薄膜电池产量还将有16倍的增长空间 复合增速高达58 而按照国内目前各厂商的扩产计划 国内薄膜太阳能电池企业的扩产大幅扩产将将拉动tco玻璃需求高增长 tco transparentconductingoxide 3 第三代光伏电池 综述 1 简单地说 第一代光伏发电技术以晶体硅生产光电池为核心的技术 2 第二代光伏发电技术是指品种繁多的薄膜电池 从行业来看 发展光伏用晶体硅还是薄膜争论从未停息 但业内普遍认为 无论第一代技术还是第二代技术 都存在高耗能 高污染的问题 3 第三代光伏发电技术则是一种完全 绿色 的光伏发电技术 其 绿色 高效 价廉 寿命长 等特点将改变光伏上游产业 两高 现状 具体地说 第三代光伏发电技术就是使用 太阳能炼硅 跟踪 聚光 高效聚光硅电池 技术发电 这是与第一代和第二代最本质的技术区别 从图1所给出的三代太阳能电池的成本和转换效率区间图可以看出 第三代太阳能电池转换效率最高可以接近60 而成本只在10美分 瓦到50美分 瓦之间 相当于目前主流技术的1 30到1 6 1 组装工艺质量检查 普通检测是用目测检查和光学仪器检查 精密检测可用红外线发射法 声发射法 红外显微镜和全息照相技术等来检测焊接质量 其质量标准分为功能性和装饰性两类 功能性质量问题直接影响到光伏阵列的性能指标 可靠性和寿命 而装饰性间题则影响不大 其中光伏电池组件断裂 用于防尘防湿的盖板断裂 电池和盖板间的乳合胶厚度发生变化 部分脱胶 焊点脱焊或漏焊都属于功能性的问题 而电池表面变色 少量多余的粘合胶溢出等则可认为是装饰性问题 对于光伏电池板和光伏阵列的组装工艺检查主要是检查其外观质量 它是保证光伏发电工程质量非常重要的环节 主要检查的内容包括光伏电池板表面 串并联接点的焊接质量 封装板的胶接质量等 2 电性能测试 电性能测试光源的发展 早期进行光伏电池或光伏阵列的电性能测试 所用光源只是理想天气条件下的自然光源 它的优势是 可使大面积的光伏阵列均匀受光 测量结果真实可信 经济实用 缺点是 好天