2013新能源发电技术2_太阳能光伏发电技术2

,新能源发电技术第2章 太阳能光伏发电技术,2.2太阳能电池工作原理,2.2.1太阳能电池的物理基础(1),固体能带理论*能带的形成孤立原子中的电子只能在壳层上运动单个原子的能级,2.2.1太阳能电池的物理基础(2),固体能带理论*能带的形成晶体原子共有化运动孤立原子的单一能级分裂成为能带每一能带由许多相距极近的能级组成,2.2.1太阳能电池的物理基础(3),固体能带理论*能带的形成允带：为电子占据的能带禁带:又称能隙，两个允带之间不允许存在电子的间隙N个原子形成 2N个能级,2.2.1太阳能电池的物理基础(4),固体能带理论*能带的形成导带：未被电子填满的能带或空能带满带或价带：已被电子填满的能带 满带中的电子在外界电场作用下不能移动，不起导电作用空穴：晶体原子之间共价键上的价电子脱离后而形成的空洞,固体能带理论*金属、绝缘体和半导体金属：金属的导带和满带重叠，禁带消失，满带中的电子在电场作用下自由进入导带。（如Al）绝缘体：除非外电场相当强，否则不能使电子获得足够能量从满带跃迁到空带。（如SiO2）半导体：在常温下，满带中少数电子在热激发下能够越过禁带跃迁到空带中去，这时半导体具有一定的导电性。（如Si）,2.2.1太阳能电池的物理基础(5),金属 绝缘体 半导体,2.2.1太阳能电池的物理基础(6),本征半导体和参杂半导体*元素半导体：由同一种原子组成的半导体化合物半导体：由两种以上原子组成的半导体本征半导体：绝对纯的没有缺陷的半导体本征载流子浓度ni ：本征硅中的电子浓度n等于空穴浓度p，称为本征载流子浓度ni。ni随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小。室温时硅的ni为1010/cm3参杂半导体：在本征半导体中掺入其他杂质,2.2.1太阳能电池的物理基础(7),本征半导体和参杂半导体*n型半导体：硅晶体中掺入少量五价元素磷或砷原子。提供电子的杂质称为施主（磷或砷原子）。这种杂质半导体主要靠施主能级激发到导带中去的电子来导电，称为电子型半导体或n型半导体。p型半导体：硅晶体中掺入少量三价硼原子。从半导体中接受电子的杂质称为受主（硼原子）。这种杂质半导体的导电机构主要取决于满带空穴运动，故称空穴半导体或p型半导体。,2.2.1太阳能电池的物理基础(8),本征半导体和参杂半导体*n型半导体：施主浓度为ND，电子浓度nND，电子浓度远大于空穴浓度，电子为多数载流子（称为多子），空穴为少数载流子（称为少子）。p型半导体：受主浓度为NA，空穴浓度p NA 。电子少子，空穴多子同时存在施主和受主杂质时nnND- NA(NDNA)ppNA- ND(NAND),2.2.1太阳能电池的物理基础(9),载流子浓度和费米能级费米能级 费米狄喇克统计分布函数：,EF - 费米能级,2.2.1太阳能电池的物理基础(9),载流子浓度和费米能级半导体平衡判据,温度升高时，费米能级向本征费米能级靠近，电子和空穴浓度不断增加，不论P型硅还是N型硅，在温度很高时都会变成本征硅，电子浓度n等于空穴浓度p。,Nc为导带中的有效能态密度；Nv为价带中的有效能态密度；Eg= Ec Ev 为禁带的宽度只要半导体处于平衡状态，公式始终成立,2.2.1太阳能电池的物理基础(10),电子和空穴的输运漂移和扩散：电子和空穴发生净位移，即产生电子和空穴的输运外电场引起漂移，载流子浓度差引起扩散半导体在外电场的作用下，在载流子的热运动上叠加的一个速度为漂移速度在同一电场时，电子漂移的速度比空穴快产生与复合“产生输运复合”过程，反映了包括太阳能电池在内的大多数半导体器件工作过程，对于分析太阳能电池的工作性能很重要。,2.2.1太阳能电池的物理基础(11),产生热平衡状态下的N型半导体必须满足nn0pn0=ni2(热平衡判据)非平衡载流子或过剩载流子：受到光照时，价带中的电子吸收光子中的能量跃迁进入导带，在价带中留下等量空穴。这些多于平衡浓度的光生电子和空穴叫非平衡载流子或过剩载流子。载流子的注入：由外界条件的改变而使半导体产生非平衡载流子的过程，称为载流子的注入，简称注入或激发。有光注入、热注入、电注入等。大注入： nnpn nn0pn0=ni2 （聚光电池在强光条件下工作）小注入：nnpn nn0pn0=ni2 （非聚光太阳能电池）载流子的抽取：半导体载流子浓度积小于平衡载流子浓度积的情况。,2.2.1太阳能电池的物理基础(12),复合载流子浓度偏离了其平衡值时，它们就有恢复平衡的倾向，在注入的情况，恢复平衡靠复合来实现在抽取的情况，靠载流子的产生来实现载流子的寿命（复合过程中的重要物理量）一个电子从产生到复合前的生存时间，一个空穴从产生到复合的时间。复合与产生互为逆过程，产生时吸收能量，复合时释放能量。表现为放出光子、发射声子和传递能量给其它载流子。3种复合机构：直接复合，通过复合中心复合，表面复合,2.2.2太阳能电池材料的光学特性(1),半导体对光的吸收吸收定律垂直入射光I0，反射率R，吸收系数距离前表面x处光谱辐照度：Ix=I0(1-R)e-x- 是与波长有关的吸收系数；- R为反射率；,2.2.2太阳能电池材料的光学特性(2),半导体对光的吸收本征吸收和非本征吸收本征吸收：由于电子在能带间跃迁由价带到导带而形成导电的自由电子和空穴的吸收过程，即半导体本身原子对光的吸收。产生电子空穴对。入射光子能量hh0=Eg才能产生本征吸收。非本征吸收：激子吸收（电子空穴团）、自由载流子吸收（多为红外吸收）、杂质吸收和晶格振动吸收。,2.2.2太阳能电池材料的光学特性(3),直接材料和间接材料直接跃迁：保持能量守恒和动量守恒的跃迁，例如砷化镓，只有直接跃迁能带结构的材料称为直接材料。间接跃迁：保持能量守恒但动量不守恒的跃迁，需吸收声子，例如硅，具有间接跃迁能带结构的材料称为间接材料。间接材料吸收太阳光能比直接材料要求更厚材料丹倍效应强光照射半导体后，较大浓度的上表面光生载流子向背面扩散过程中，由于电子比空穴先达到背面而产生由上表面指向下表面的扩散电压。,2.2.3同质结太阳能电池(1),P-N结的形成及内建电场*,P型半导体与N型半导体紧密结合在一起后，两者的交界面就为P-N结P型硅和N型硅相互接触时，界面附近的电子向左扩散，空穴向右扩散扩散运动形成阻挡层或耗尽层，也叫空间电荷区，形成由N区指向P区的内建电场，阻挡载流子扩散,2.2.3同质结太阳能电池(2),P-N结的形成及内建电场*内建电场与扩散运动形成平衡，漂移电流等于扩散电流根据杂质分布，P-N可分为突变结和缓变结缓变结的杂质浓度梯度小，耗尽区比较宽势垒宽度即是阻挡层宽度,2.2.3同质结太阳能电池(3),反偏压与正偏压正偏：P区接正， N区接负，外加电压UF与内建电场UD相反为正向电压，形成正向电流。反偏：加反向电压，形成反向电流，但是由于少子数目少，反向电流小。,2.2.3同质结太阳能电池(4),肖克莱方程正向电流密度反映在理想情况下P-N结的正偏电流密度与偏压、反向饱和密度及温度的关系P-N结电容空间电荷区由于正负电荷的电偶层形成的电容对于太阳能电池发电没有多大影响用作信号转换的时候，影响频率特性,2.2.3同质结太阳能电池(5),硅太阳能电池的构造和工作原理*,2.2.3同质结太阳能电池(6),硅太阳能电池的构造和工作原理*内建电场（多子扩散作用）由NP耗尽区光生载流子（电子空穴对）被内建电场分离，空穴 P区，电子N区先漂移后扩散N区或P区光生载流子（电子空穴对），先扩散后漂移，空穴 P区，电子 N区P区形成太阳能电池(P-N结)正极，N区形成负极，这也就是光生电压,2.2.3同质结太阳能电池(7),硅太阳能电池的构造和工作原理*,2.2.3同质结太阳能电池(8),光电流和光电压*光电流：光生载流子的定向运动影响光电流的因素有：光的反射、材料的吸收、电池厚度、光生载流子的实际产生率太阳能电池的N区、耗尽区和P区都产生光生载流子但其必须在复合之前越过耗尽区才对光电流有贡献，因此需要考虑复合、扩散和漂移等因素光电流密度JL()= Jn() +Jc()+ Jp(),2.2.3同质结太阳能电池(9),光电流和光电压*教材式(2-45)-(2-49)是描述太阳能电池工作状态的基本方程。均匀参杂时简化求解为(2-57) (2-59)，非均匀参杂的求解为（2-60）（2-63）太阳能电池各区对光电流的贡献不同顶区光电流对紫光敏感,约占总光电流的5-12%空间电荷区对可见光敏感，约占2-5%基区光电流对红外光敏感，约占90%短路电流密度Jsc等于光生电流密度JL,2.2.3同质结太阳能电池(10),光电流和光电压*光电压由于光照而在电池两端出现的电压光电压与正偏压一样，与内建电场方向相反太阳能电池在开路状态下的光电压为开路电压有光照时，太阳能电池两端出现的电压为开路电压Uoc,2.2.3同质结太阳能电池(10a),光电流和光电压*漂移电场的作用和背电场(BSF)电池由于掺杂浓度不同而形成的自建