太阳能电池板原理

随着全球能源日趋紧张 太阳能成为新型能源得到了大力的开发 其中我们在生活中使用 最多的就是太阳能电池了 太阳能电池是以半导体材料为主 利用光电材料吸收光能后发 生光电转换 使它产生电流 那么太阳能电池的工作原理是怎么样的呢 太阳能电池是通 过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置 当太阳光照射到半导体上时 其中一部分被表面反射掉 其余部分被半导体吸收或透过 被吸收的光 当然有一些变成 热 另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞 于是产生电子 空穴对 这样 光能 就以产生电子 空穴对的形式转变为电能 一 太阳能电池的物理基础一 太阳能电池的物理基础 当太阳光照射 结时 在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子 相应地便产生 了电 子 空穴对 并在势垒电场的作用下 电子被驱向型区 空穴被驱向 型区 从 而使凡区有过剩的 电子 区有过剩的空穴 于是 就在 结的附近形成了与势垒 电场方向相反的光生电场 如果半导体内存在 P N 结 则在 P 型和 N 型交界面两边形成势垒电场 能将电子驱向 N 区 空穴驱向 P 区 从而使得 N 区有过剩的电子 P 区有过剩的空穴 在 P N 结附近形成与势 垒电场方向相反光的生电场 制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种 因此太阳电池的种类也很多 目前 技术最 成熟 并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池 下面我们以硅太阳能电池为例 详细 介绍太阳能电池的工作原理 1 1 本征半导体 本征半导体 物质的导电性能决定于原子结构 导体一般为低价元素 它们的最外层电子极易挣脱原子 核的束缚成为自由电子 在外电场的作用下产生定向移动 形成电流 高价元素 如惰性 气体 或高分子物质 如橡胶 它们的最外层电子受原子核束缚力很强 很难成为自由电 子 所以导电性极差 成为绝缘体 常用的半导体材料硅 Si 和锗 Ge 均为四价元素 它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚 也不像绝缘体那样被原子核束 缚的那么紧 因而其导电性介于二者之间 将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体 即为本征半导体 晶体中的原子在空间 形成排列整齐的点阵 相邻的原子 形成共价键 晶体中的共价键具有极强 的结合力 因此 在常温下 仅有极少数的价电子由于热运动 热激发 获得足够的能量 从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子 与此同时 在共价键中留下一个空穴 原子因失 掉一个价电子而带正电 或者说空穴带正电 在本征半导体中 自由电子与空穴是成对出 现的 即自由电子与空穴数目相等 自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴 使两者同时消失 这种现象称为 复合 在一定的温度下 本征激发所产生的自由电子与空穴对 与复合的自由电子和空穴 对数目相等 故达到动态平衡 能带理论 1 单个原子中的电子在绕核运动时 在各个轨道上的电子都各自具有特定的能量 2 越靠近核的轨道 电子能量越低 3 根据能量最小原理电子总是优先占有最低能级 4 价电子所占据的能带称为价带 5 价带的上面有一个禁带 禁带中不存在为电子所占据的能级 6 禁带之上则为导带 导带中的能级就是价电子挣脱共价键束缚而成为自由电子所能占据 的能级 7 禁带宽度用 Eg 表示 其值与半导体的材料及其所处的温度等因素有关 T 300K 时 硅 的 Eg 1 1eV 锗的 Eg 0 72eV 2 杂质半导体 杂质半导体 通过扩散工艺 在本征半导体中掺入少量杂质元素 便可得到杂质半导体 按掺入的杂质元素不用 可形成 N 型半导体和 P 型半导体 控制掺入杂质元素的浓度 就 可控制杂质半导体的导电性能 N 型半导体 在纯净的硅晶体中掺入五价元素 如磷 使之取代晶格中硅原子的位置 就形成了 N 型半导体 由于杂质原子的最外层有 五个价电子 所以除了与其周围硅原子形成共价键外 还多出一个电子 多出的电子不受 共价键的束缚 成为自由电子 N 型半导体中 自由电子的浓度大于空穴的浓度 故称自 由电子为多数载流子 空穴为少数载流子 由于杂质原子可以提供电子 故称之为施主原 子 P 型半导体 在纯净的硅晶体中掺入三价元素 如硼 使之取代晶格中硅原子的位置 就 形成了 P 型半导体 由于杂质原子的最外层有三个价电子 所以当它们与其周围硅原子形成共价键时 就产生 了一个 空位 当硅原子的最外层电子填补此空位时 其共价键中便产生一个空穴 因而 P 型半导体中 空穴为多子 自由电子为少子 因杂质原子中的空位吸收电子 故称之为 受主原子 3 PN 结 PN 结 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块硅片上 在它们的 交界面就形成 PN 结 扩散运动 物质 总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动 这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动 当把 P 型半导体和 N 型半导体制作在一起时 在它们的交界面 两种载流子的浓度差很大 因而 P 区的空穴必然向 N 区扩散 与此同时 N 区的自由电子也必然向 P 区扩散 如图示 由于扩散到 P 区的自由电子与空穴复合 而扩散到 N 区的空穴与自由电子复合 所以在交 界面附近多子的浓度下降 P 区出现负离子区 N 区出现正离子区 它们是不能移动的 称 为空间电荷区 从而形成内建电场 随着扩散运动的进行 空间电荷区加宽 内建电场增强 其方向由 N 区指向 P 区 正好阻 止扩散运动的进行 漂移运动 在电场力作用下 载流子的运动称为漂移运动 当空间电荷区形成后 在内建电场作用下 少子产生飘移运动 空穴从 N 区向 P 区运动 而自由电子从 P 区向 N 区运动 在无外电场和其它激发作用下 参与扩散运动的多子数 目等于参与漂移运动的少子数目 从而达到动态平衡 形成 PN 结 如图示 此时 空 间电荷区具有一定的宽度 电位差为 Uho 电流为零 二 太阳能电池工作原理二 太阳能电池工作原理 1 1 光生伏打效应 光生伏打效应 太阳能电池能量转换的基础是半导体 PN 结的光生伏打效应 如前所述 当光照射到半导体 光伏器件上时 能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中 在 N 区 耗尽区和 P 区中激发出光生电子 空穴对 耗尽区 光生电子 空穴对在耗尽区中产生后 立即被内建电场分离 光生电子被送进 N 区 光生空穴则被推进 P 区 根据耗尽近似条件 耗尽区边界处的载流子浓度近似为0 即 p n 0 在 N 区中 光生电子 空穴对产生以后 光生空穴便向 P N 结边界扩散 一旦到达 P N 结 边界 便立即受到内建电场作用 被电场力牵引作漂移运动 越过耗尽区进入 P 区 光生 电子 多子 则被留在 N 区 在 P 区中 的光生电子 少子 同样的先因为扩散 后因为漂移而进入 N 区 光生空穴 多子 留在 P 区 如此便在 P N 结两侧形成了正 负电荷的积累 使 N 区储存了过剩的 电子 P 区有过剩的空穴 从而形成与内建电场方向相反的光生电场 1 光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外 还使 P 区带正电 N 区带负电 在 N 区和 P 区之间的薄层就产生电动势 这就是光生伏打效应 当电池接上一负载后 光电流就从 P 区经负载流至 N 区 负载中即得到功率输出 2 如果将 P N 结两端开路 可以测得这个电动势 称之为开路电压 Uoc 对晶体硅电池来 说 开路电压的典型值为0 5 0 6V 3 如果将外电路短路 则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过 这个电流称为 短路电流 Isc 影响光电流的因素 1 通过光照在界面层产生的电子 空穴对愈多 电流愈大 2 界面层吸收的光能愈多 界面层即电池面积愈大 在太阳电池中形成的电流也愈大 3 太阳能电池的 N 区 耗尽区和 P 区均能产生光生载流子 4 各区中的光生载流子必须在复合之前越过耗尽区 才能对光电流有贡献 所以求解实际 的光生电流必须考虑到各区中的产生和复合 扩散和漂移等各种因素 2 2 太阳能电池材料的光学性质 太阳能电池材料的光学性质 太阳能电池的光学性质 常常决定着太阳能电池的极限效率 而且也是工艺设计的依据 吸收定律 当一束光谱辐照度为 I0的光正交入射到半导体表面上时 扣除反射后 进入半导体的光谱 辐照度为 I0 1 R 在半导体内离前表面距离为 x 处的光谱辐照度 Ix 由吸收定律决定 当薄片厚度为 d 时 我们可以得到关于透射率更完整的近似表达式 单晶硅 砷化镓和一些重要太阳能电池材料的吸收系数与波长的关系如图所示 本征吸收 在原子图像中 硅的本征吸收可以理解为一个硅原子吸收一个光子后受到激发 使得一个 共价电子变成了自由电子 同时在共价键断裂处留下一个空穴 实验发现 只有那些 hu 大 于禁带宽度 Eg 的光子 才能产生本征吸收 显然入射光子必须满足或 式中 Vo 刚好能产生本征吸收的光的频率 频率吸限 o 刚好能产生本征吸收的光的 波长 波长吸收限 可以认为 硅对于波长大于1 15 m 的红外光是透明的 3 3 太阳能电池等效电路 输出功 太阳能电池等效电路 输出功 率和填充因数率和填充因数 等效电路 为了描述电池的工作状态 往往将电池及负载系统用一个等效电路来模拟 1 恒流源 在恒定光照下 一个处于工作状态的太阳电池 其光电流不随工作状态而变 化 在等效电路中可把它看做是恒流源 2 暗电流 Ibk 光电流一部分流经负载 RL 在负载两端建立起端电压 U 反过来 它又 正向偏置于 PN 结 引起一股与光电流方向相反的暗电流 Ibk 3 这样 一个理想的 PN 同质结太阳能电池的等效电路就被绘制成如图所示 4 串联电阻 RS 由于前面和背面的电极接触 以及材料本身具有一定的电阻率 基区和顶 层都不可避免地要引入附加电阻 流经负载的电流经过它们时 必然引起损耗 在等效电 路中 可将它们的总效果用一个串联电阻 RS 来表示 5 并联电阻 RSh 由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时在微裂纹 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个并联电阻 RSh 来 等效 当流进负载 RL 的电流为 I 负载 RL 的端电压为 U 时 可得 式中的 P 就是太阳能电池被照射时在负载 RL 上得到的输出功率 输出功率 当流进负载 RL 的电流为 I 负载 RL 的端电压为 U 时 可得 式中的 P 就是太阳能电池被照射时在负载 RL 上得到的输出功率 当负载 RL 从0变到无穷大时 输出电压 U 则从0变到 U0C 同时输出电流便从 ISC 变到0 由此即可画出太阳能电池的负载特性曲线 曲线上的任一点都称为工作点 工作点和原点 的连线称为负载线 负载线的斜率的倒数即等于 RL 与工作点对应的横 纵坐标即为工作 电压和工作电流 调节负载电阻 RL 到某一值 Rm 时 在曲线上得到一点 M 对应的工作电流 Im 和工作电压 Um 之积最大 即 Pm ImUm 一般称 M 点为该太阳能电池的最佳工作点 或称最大功率点 Im 为最佳工作电流 Um 为 最佳工作电压 Rm 为最佳负载电阻 Pm 为最大输出功率 填充因数 1 最大输出功率与 Uoc Isc 之比称为填充因数 FF 这是用以衡量太阳能电池输出特 性好坏的重要指标之一 2 填充因数表征太阳能电池的优劣 在一定光谱辐照度下 FF 愈大 曲线愈 方 输出 功率也愈高 太阳能电池的效率 影响效率的因素 太阳能电池的效率 影响效率的因素 太阳能电池的效率 太阳能电池受照射时 输出电功率与入射光功率之比 称为太阳能电池的效率 也称光电 转换效率 一般指外电路连接最佳负载电阻 RL 时的最大能量转换效率 在上式中 如果把 At 换为有效面积 Aa 也称活性面积 即从总面积中扣除栅线图形面积 从而算出的效率要高一些 这一点在阅读国内外文献时应注意 美国的普林斯最早算出硅太阳能电池的理论效率为21 7 20世纪70年代 华尔夫 M Wolf 又做过详尽的讨论 也得到硅太阳能电池的理论效率在 AM0光谱条件下为 20 22 以后又把它修改为25 AM1 0光谱条件 估计太阳能电池的理论效率 必须把从入射光能到输出电能之间所有可能发生的损耗都计 算在内 其中有些是与材料及工艺有关的损耗 而另一些则是由基本物理原理所决定的 影响效率的因素 综上所述 提高太阳能电池效率 必须提高开路电压 Uoc 短路电流 ISC 和填充因子 FF 这 三个基本参量 而这3个参量之间往往是互相牵制的 如果单方面提高其中一个 可能会因 此而降低另一个 以至于总效率不仅没提高反而有所下降 因而在选择材料 设计工艺时 必须全盘考虑 力求使3个参量的乘积最大 1 材料能带宽度 开路电压 UOC 随能带宽度 Eg 的增大而增大 但另一方面 短路电流密度随能带宽度 Eg 的 增大而减小 结果可期望在某一个确定的 Eg 处出现太阳电池效率的峰值 用 Eg 值介于 1 2 1 6eV 的材料做成太阳电池 可望达到最高效率 薄膜电池用直接带隙半导体更为可 取 因为它能在表面附近吸收光子 2 温度 少子的扩散长度随温度的升高稍有增大 因此光生电流也随温度的升高有所增加 但 UOC 随温度的升高急剧下降 填充因子下降 所以转换效率随温度的增加而降低 3 辐照度 随辐照度的增加短路电流线性增加 最大功率不断增加 将阳光聚焦于太阳电池 可使一 个小小的太阳电池产生出大量的电能 4 掺杂浓度 对 UOC 有明显影响的另一因素是半导体掺杂浓度 掺杂浓度越高 UOC 越高 但当硅中杂 质浓度高于1018 cm3时称为高掺杂 由于高掺杂而引起的禁带收缩 杂质不能全部电离和 少子寿命下降等等现象统称为高掺杂效应 也应予以避免 5 光生载流子复合寿命 对于太阳电池的半导体而言 光生载流子的复合寿命越长 短路电流会越大 达到长寿命 的关键是在材料制备和电池的生产过程中 要避免形成复合中心 在加工过程中 适当而 且经常进行相关工艺处理 可以使复合中心移走 而且延长寿命 6 表