光电器件(4)太阳电池.ppt

1 第四章太阳电池 4 1光生伏特效应4 2光电池主要参数4 3太阳电池主要技术4 4高效太阳电池的发展 2 第四章太阳电池 SolarCell 太阳电池是利用半导体p n结光生伏特效应直接将太阳能转换为电能的能量转换器件 1883年Frist制成第一块硒光电池 1941年Ohl制成单晶硅生长结光电池 1954年贝尔实验室的Chapin Fuller和Pearson制成了实用型硅p n扩散结太阳电池 此后太阳电池的性能不断提高并得到了广泛的应用 太阳电池的特点 优点 长寿命 无污染 效率高和可靠性高 缺点 成本高 太阳电池的应用由于太阳电池的优点突出在许多领域已得到广泛的应用 空间探测飞行器 卫星 地面或海上无人灯塔 气象站通信设施 现代电器等 太阳电池是一种绿色能源 3 化合物半导体太阳电池效率30 单晶硅太阳电池效率25 多晶硅太阳电池效率 20 非晶硅太阳电池效率10 4 太阳电池板成本现在 3 5 Watt 200 50Watt 10年前大约 8 10 Watt 500 50W 5 太阳电池阵列的跟踪系统输出与天气 地点 云和时间等条件有关夏天5倍标准输出功率夏天2倍标准输出功率 6 太阳电池阵列试验电站 7 太阳能汽车ThetwoseatHondaDream onitswaytowinningthe1996WorldSolarChallenge 8 Spectrolab ssolarcellsApproximately3 000dual junctiongalliumarsenidesolarcellswereusedtopowertheUniversityofMichigan M Pulse solar poweredcar whichtookfirstplaceattheAmericanSolarChallengein2001 ninedays 2 247 5 mileracein56hours 10minutesand46seconds 9 广泛的应用 10 发达国家的发展计划 美国的FirstSolar Uni Solar德国的Q cell日本的Sharp Fuji Sanyo公司 11 4 1太阳辐射和p n结光生伏特效应4 1 1太阳辐射太阳核聚变 每秒6 1011kgH2 He 质量损失 4 103kg 能量E MC2 4 1020J太阳总质量 2 1030kg 估计近恒定输出的寿命超过100亿年 太阳常数和光谱太阳投射到地球的能量 1 3被反射 近1 3被大气吸收 主要为红外波段的水汽吸收 紫外波段的臭氧层吸收及悬浮粒子的散射 大于1 3到达地球表面 由太阳常数和大气质量描述太阳常数 在地 日平均距离自由空间上 与阳光垂直的单位面积太阳辐射能量叫一个太阳常数S0 1353W m2或135 3mW cm2 12 2 大气质量太阳与天顶夹角的正割Sec 为大气质量太阳处于天顶时 m 1 称为AM1情况 大气层以外称为AM0情况 太阳辐射通量 Pin m 大气透明度K和大气质量m的关系 Pin m Pin 0KmK 0 85 0 80 0 75 0 70 0 65大气质量对太阳辐射光谱的影响 光生伏特效应 光生伏特效应就是半导体吸收光能后利用各种势垒产生光生电动势的效应 这些势垒可以是PN结 MS结 异质结等 PN结光生伏特效应涉及到的物理过程 PN结光生伏特效应涉及到以下三个主要的物理过程 第一 半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子 空穴对第二 非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动 这种运动可以是扩散运动 也可以是漂移运动 第三 非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离 4 1 2PN结的光生伏特效应 14 太阳电池的效率 太阳电池的最大输出的电功率与吸收的光功率之比 用能带图分析PN结光生伏特效应的物理过程 平衡P N结能带图 在光子能量大于禁带宽度的光的照射下 在半导体中就会产生电子 空穴对 在P N结的空间电荷区的作用下 在P区边界将积累非平衡空穴 在N区边界将积累非平衡电子 产生一个与平衡P N结内建电场方向相反的光生电场 于是 在P区和N区之间建立了光生电动势 一般情况下 P N结材料和引线总有一定电阻 这时光生载流子只有一部分积累于P N结上 使势垒降低 是电流流过时 在上产生的电压降 如图7 5c所示 这时P区和N区费米能级分开的距离仍然代表P N结势垒降低的程度 如果加上负载就会有光电流通过 b c 太阳电池的等效电路图及I V特性 式中ID为P N结正向电流 称为太阳电池的暗电流 为P N结饱和电流 实际的太阳电池存在着串联电阻和分流电阻 串联电阻是接触电阻和薄层电阻的总和 它使电流 电压特性发生改变 分流电阻是P N结泄漏电流引起的 考虑到串联电阻和分流电阻的作用 太阳电池的等效电路图如图所示 根据图可以写出考虑到串联电阻作用的V I特性公式 包括串联电阻和分流电阻的太阳电池等效电路 20 1 开路电压与短路电流光照产生非平衡载流子 p n结收集产生光电流JL 在势垒区两侧产生电荷积累 光生电动势VS 2 理想p n结光电池特性理想情况下 负载电阻上的电压短路 VS 0 IS IL ISC开路 VS VOC IS 0 21 4 2p n结太阳电池的主要参数太阳电池 p n结太阳电池 异质结太阳电池 集光太阳电池 薄膜太阳电池等 p n结太阳电池为最基本的类型 结构如图所示 22 4 2 1光谱响应波长为 的单色光照射时 考虑光谱响应 距表面x处的非平衡载流子产生率F为单位带宽每平方厘米每秒入射的光子数 R 为反射率 稳态小注入下 连续性方程P型N型电流密度方程 23 耗尽区以外 无电场 连续性方程为边界条件 解出pn pn0 然后得出耗尽区边缘空穴光生电流同样H 为p型底面中性区宽度 24 总电流J Jn Jp Jar Jar 为耗尽区产生电流 表面复合速率Sp影响很大 25 4 2 2太阳电池的转换效率1 理想转换效率理想太阳电池等效电路中填充因子 理想情况下F F 仅与VOC有关 令则最大值理想转换效率 26 2 非理想情况实际太阳电池等效电路中结压降V IRS 所以串联电阻和并联电阻效应串联电阻不影响开路电压 但严重影响填充因子和短路电流 并联电阻不影响短路电流 但影响开路电压和填充因子 从而影响太阳电池的效率 27 其它影响太阳电池效率的因素 光生电流的光学损失 反射损失 透射损失 b 光生少子的收集几率c 太阳电池的光谱响应d 非平衡载流子的复合e 温度效应 转换效率随温度的上升而下降 为不能吸收能量比能隙低的光子的损失 为热损失 和 为P一N结和接触电压损失 电子一空穴复合所造成的损失 28 4 3光电池主要技术 4 3 1硅基薄膜太阳电池 单结结构与原理a Si H结构 29 30 4 3 2氧化亚铜太阳电池 4 3 3硒太阳电池 31 4 3 4硫化镉太阳电池 32 4 3 5叠层太阳电池在多结叠层串接太阳电池中 由于各子电池由P N结组成 如果直接串联在一起 采用隧道结结构可以解决P N结反偏而不导电这一问题 增加太阳电池的层数 理论上可获得的最高效率为86 8 GaAs的Eg大 光谱响应好 更适合制作太阳电池 但成本高 制作困难 采用异质结可克服界面复合 改善光谱响应 获得高效率 33 34 4 4高效率太阳电池的发展太阳电池的发展是以提高效率和降低成本为方向的 40 50年中单晶硅太阳电池的效率从6 提高到近25 聚光条件下可达27 4 4 1紫电池 浅结电池 浅结 0 1 0 25 m 减少了 死区 提高了少子的收集效率 改善了电池的短波响应 但要采用 密栅 来减小串联电阻 减反射膜的应用将进一步改善短波响应 4 4 2背表面场电池背表面场的高低结有两个作用 提高了电池的开路电压高低结对p区空穴的反射和阻挡作用减少了表面复合 35 36 4 4 3绒面电池 减少表面光学反射技术 硅对入射太阳光的反射可达30 以上 减少反射损失措施 减反射膜技术 SiO2 Ta2O5 Nb2O5等 表面绒面或微槽化 各向异性化学腐蚀 光多次反射提高了光的利用率 37 4 4 4表面钝化技术1984年新南威尔士大学采用5 10nm的薄SiO2减少了表面态密度和表面复合 改善了短波光谱响应 制成了 19 1 的钝化发射极硅太阳电池 PassivatedEmitterSolarCellPESC 随后1990年又发展了一种双面钝化发射极和背面定域扩散太阳电池 PassivatedEmitterandRearLocaldiffu