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 WhatareSemiconductors 入门导电性界于导体与绝缘体之间的材料中阶电阻系数约为10 4 108 cm的材料进阶能隙约在4eV以下之的材料 2 1PrincipleofSolarCells photovoltaiccells 2 1 1半导体的基础知识 重要的半导体分类 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 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 1 Intrinsicsemiconductor 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 称为本征半导体 纯半导体 硅 锗 的原子结构 简化模型 本征半导体 本征半导体的原子结构和共价键 共价键内的电子称为束缚电子 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 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 TheDiamondStructure a Diamondlattice b Zincblendelattice 真实的原子分布 三维 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型半导体 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 少了一个带负电荷的电子 可视为多了一个正电荷 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 1 要形成水的循环 必须有水 同时还必须把水抽上去 而要形成电流 必须有载流子 电子或者空位 的产生 同时必须能让正负电荷分开 1 2PrincipleofSolarCells PrincipleofSolarCells 思考 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 1 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 2 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 这一现象称为光伏效 Photoelectriceffect 内建电场 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 光伏电池的光照的详细情况 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 光伏电池的光照的详细情况 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 光伏电池的光照的详细情况 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 光生载流子形成电流的过程 光伏电池的工作原理 电流方向 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 一般等效电路图 问题1 为什么可把光伏电池看成一个电流源和一个硅二极管的复合体 内建电场 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 多数载流子的扩散产生一个向下的暗电流 1 少数载流子的漂移产生电流 1 等效电路中符号的说明 光伏电池的等效电路图 1 Rs为串联电阻主要是由于半导体材料的体电阻 金属电极与半导体材料的接触电阻 扩散层横向电阻以及金属电极本身的电阻 一般小于1 负载load Photicadj 光的 与光有关的 外接负载电阻 暗电流 等效电路中符号的说明 负载load Photicadj 光的 与光有关的 由于由于电池表面污染 半导体晶体缺陷引起的边缘漏电 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 一般为几千欧 漏电流越小 并联电阻也就越大 2 Rsh为旁路电阻 光伏电池的等效电路图 L 2 实际等效电路中各变量之间的关系 式中I0 反向饱和电流 U 等效二极管的端电压 q 电子电量 T 绝对温度 A 二极管曲线因子 取值在1 2之间 有的地方用n表示 光伏电池的等效电路图 L 实际等效电路中各变量之间的关系 显然 太阳电池的串联电阻Rs越小 旁路电阻Rsh越大 越接近于理想的太阳电池 该太阳电池的性能也越好 目前的太阳电池制造工艺水平 在要求不很严格时 可以认为串联电阻接近于零 旁路电阻趋近于无穷大 也就可当做理想的太阳电池看待 理想太阳能电池的等效电路图以及变量关系 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 AkT 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 因而流过负载电阻的电流值为 1 式 测试输出特性 P N 作业一 1 阐述PN结的形成过程 并画出示意图 2 结合示意图 阐述晶体硅太阳能电池的工作原理 要求画出光照时载流子的运动和电流方向 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 反向饱和电流 是指给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 2 2 2光伏电池的伏安特性曲线 太阳能电池的主要技术参数 由上式可知 当负载R从0变到无穷大时 负载R两端的电压U和流过电流I之间的关系曲线 即为太阳电池的负载特性曲线 通常称为太阳电池的伏安特性曲线 以前习惯称为I V特性曲线 流过负载的电流为 1 伏安特性曲线的表示方法 内建电场 从上图可以看出 光照时 光伏电池的电流方向与PN节反向电流相同 伏安特性曲线的一种表示方法 附 半导体二极管伏安特性 b 光伏电池伏安特性曲线通常把电流取为正值 伏安特性曲线的另外一种表示方法 硅太阳能电池在不同光照下的伏安特性曲线 伏安特性曲线的测量过程 L 1 调节负载电阻RL 足够小 测短路电流 sc shortcircuitcurrent 2 调节负载电阻RL 足够大 测开路电压 opencircuitvoltage 3 不断调节负载电阻RL 把光伏电池的输出电压和电流绘制下来就可以得到伏安特性曲线 实际上 通常并不是通过计算 而是通过实验测试的方法来得到 对于一般的太阳电池 可近似认为接近于理想的太阳电池 即太阳电池的串联电阻值为零 旁路电阻为无穷大 下面 考察理想太阳能电池的开路电压和短路电流 2 开路电压 理想情况下 流入负载电阻的电流值为 由 0 开路 则 I0为PN结的反向饱和电流 当开路时 I 0 此时电压U即为开路电压Uoc 太阳电池的开路电压Uoc与电池面积大小无关 一般单晶硅太阳电池的开路电压约为450 600mV 最高可达700mV左右 对于晶体硅太阳能电池 必须要有p n结的存在 而这个p n结的存在才能在光照下引起开路电势 开路电势反应了p n结电场的强度 当n型硅和p型硅接触时 由于n型硅的费米能级偏负 而p型硅的能级偏正 我们知道 任何两种材料接触在一起后 由于晶体界面电子空穴的相互扩散 平衡后会达到统一费米能级 所以当p n结形成后 n型费米能级正移 p型费米能级负移 最终达到统一能级 这时候由于n型费米正移 就会拉动n型材料体相导带正移 而晶体界面处由于存在电子空穴交换不会移动 所以导带形成上弯型 同样原理p型导带会最终下弯 当体系收到光照时 光生伏打效应产生 电子转移到n型材料上 空穴转移到p型材料上 由于电子空穴的不平衡 n型导带负移 p型导带正移 它俩拉开的电位差就为开路电势 所以 当材料的禁带宽度越宽 pn材料达到共同费米能级时移动空间必然越大 这样当有光照时 从新拉开的电位空间就越大 自然开路电势越大 或许你要问 比如单晶的TiO2没有pn结的存在 但是将其电极置于电解液中 开光照射依然有开路电势 其实道理很简单 因为电解液有氧化还原电位 这个氧化还原电位将于TiO2的费米能级按同样的原理组成液结 又 ph SC 则 开路电压 开路电压 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 由此可见 在阳光较弱时 硅太阳电池的开路电压随光的强度作近似直线的变化 而当有较强的阳光时 VOC则与入射光的强度的对数成正比 图2开路电压与短路电流的关系 图2表示具有代表性的硅和GaAs太阳电池的ISC与Voc之间的关系 Si与GaAs比较 因GaAs的禁带宽度宽 故I0值比Si的小几个数量级 GaAs的VOC值比Si的高0 45伏左右 假如结形成的很好 禁带宽度愈宽的半导体 VOC也愈大 1 反向电流是少子的漂移电流决定 对不同的半导体材料 在一定温度下 禁带宽度Eg愈大 本征载流子浓度执就愈小 二极管PN结的反向饱和电流密度与其成比例 I0为PN结的反向饱和电流 太阳电池的短路电流Isc与太阳电池的面积大小有关 面积越大 Isc越大 一般1cm2的单晶硅太阳电池Isc 16 30mA 3 短路电流 当RL 0时 电路短路 此时太阳电池的端电压为零 对应的电流就是短路电流 通常用Isc来表示 由下式可知 当U 0时 Isc Iph 4 曲线因子又称填充因子 填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数 定义为太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流的乘积之比 通常用FF 或CF 表示 M处为最大功率点 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 5 最大功率点 伏安特性曲线 在一定的太阳辐照度和工作温度的条件下 伏安特性曲线上的任何一点都是工作点 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 IU为电池的输出功率 工作点 负载线 最大功率如何确定呢 工作点和原点的连线称为负载线 负载线斜率的倒数即为负载电阻RL的值 U 1 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 确定最大输出功率点的方法 确定最大输出功率点的方法 2 为了精确计算最大功率点 可根据伏安特性曲线绘出功率随电压的变化关系图 即P u图 求极值即可 通常太阳电池所标明的功率 是指在标准工作条件下最大功率点所对应的功率 实际工作时 往往并不是在标准测试条件下工作 而且一般也不一定符合最佳负载的条件 再加上一天中太阳辐照度和温度也在不断变化 所以真正能够达到额定输出功率的时间很少 有些光伏系统采用 最大功率跟踪器 可在一定程度上增加输出的电能 6 太阳电池的转换效率 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该电池上的总辐射功率Pin之比 即 研究表明 造成太阳能电池能量损失的主要因素有 第一位的损失是热损失 光生载流子对能很快地将能带多余的能量以热的形式损失掉 为减少热损失 可设法让通过电池的光子能量恰好大于带隙能量 使光子的能量激发出的光生载流子无多余的能量可损失 另一主要损失是电子空穴对引起的 为减少电子空穴结合所造成的损失 可设法延长光生载流子寿命 这可通过消除不必要的缺陷来实现 造成太阳能电池能量损失的主要因素有 还有一部分能量是由p n结和接触电压损失引起的 为减少p n结的接触电压损失 可通过聚焦太阳光以加大光子密度的方法来实现 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 太阳电池并不能把任何一种光都同样地转换成电 不同波长的光转变为电的比例也不同 这种特性称为光谱响应特性 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 2 3 2温度特性和光照特性 Pm FF Isc Uoc 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 通过对书中图片的分析可以看到 2 光强越强 发光效果越好 2 3 3负载特性 1 无偏压时光伏电池的伏安特性 2 有偏压和有电阻时的伏安特性 理想光伏电池的等效电路图 只有负载没有偏压时的电路图 有负载和偏压时的电路图 2 4光伏电池性能的检测 1 组装工艺质量检查2 电性能测试 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 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 它是保证光伏发电工程质量非常重要的环节 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 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 好天可遇不可求 同时自然光源的辐射强度既不稳定也不可调 做一条随光强连续变化特性曲线的试验需要的周期时间长 这些都对光伏电池的试验条件带来很大的局限性 测试光源的发展 为此 人们从20世纪50年代末期开始逐渐尝试用各式各样的灯光来模拟太阳光做试验 其中包括白炽灯 钨灯 水银弧灯和高压氛弧灯等 随着科学的进步 各种太阳模拟器也应运而生 它们不但能模拟产生出与真实太阳类似的辐射光谱的光源 还能以平行光束的形式照射到被测物体上 使用太阳模拟器的最大优