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1 第九章太阳能电池 9 1引言9 2太阳能电池工作原理半导体pn结光伏效应光伏参数与材料性质的关系单结太阳能电池的极限效率9 3硅太阳能电池9 3化合物半导体太阳能电池多结太阳能电池9 4太阳能电池的发展趋势 2 PVeffectwasdiscoveredbyEdmondBecquerel Frenchphysicist in1839 In1941 Charpin FullerandPearsonproducedaSicellatBellLabs 3 半导体pn结的光伏效应 半导体pn结的光伏效应是指在光照下半导体pn结两端产生电位差的现象 大多数太阳电池都是基于pn结的光伏效应 4 太阳能电池 光伏电池 5 2000 2100全球各种能源的发展趋势 煤炭 石油 核能 天然气 水力 生物 风力 太阳能发电 太阳能发热 其它 6 太阳光辐射 太阳是距地球最近的一颗恒星 其直径约139万公里 太阳辐射的能量来源于太阳核心的热核聚变 4个氢原子聚变成1个氦原子 对于 质子 质子 循环核聚变 反应过程的质量亏损 m 4mH mHe 按照爱因斯坦质能关系 E mC2 C为光速 计算 相当于25MeV的能量 太阳核心每秒大约有700亿吨氢聚变成氦 每秒释放的能量大约相当于3 9 1026焦耳 太阳表面温度约为5758K 太阳光向四周外空间辐射穿越大约1 5亿公里 太阳与地球的平均距离 后到达地球表面 在地表外层空间太阳光的强度约为1366W m2 太阳从诞生至今大约已经过了46亿年 估计太阳寿命至少还有50亿年 7 SolarPVmap 8 我国的太阳能资源分布 9 优点不受地域限制 安全可靠 无噪声 无污染 不用水 不消耗燃料 不需要架设远距离输电线路 安装简单 方便 建设周期短 分散建设 就地发电 便于分步实施 缺点成本高 每千瓦4万元 带蓄电池4 6万元 能量密度低 峰值辐射1KW m2 满发电100瓦 发电时数低 每年满功率1500小时 不连续 受天气影响 存在储能问题 太阳能光伏发电的优缺点 10 太阳电池及组件分类 按材料分类晶体硅光伏电池及组件非晶硅薄膜光伏电池及组件微晶硅薄膜光伏电池及组件纳晶硅薄膜光伏电池及组件硒光电池化合物太阳电池 硫化镉 硒铟铜 碲化镉 砷化镓光伏电池及组件染料电池 11 太阳电池及组件分类 按结构分类同质结光伏电池及组件异质结光伏电池及组件肖特基结光伏电池及组件复合结光伏电池及组件液结光伏电池及组件按用途分类空间光伏电池及组件地面光伏电池及组件光伏传感器 12 太阳电池及组件分类 按使用分类平板光伏电池及组件聚光光伏电池及组件分光光伏电池及组件按封装分类刚性封装光伏电池及组件半刚性封装光伏电池及组件柔性衬底封装光伏电池及组件 13 太阳能光伏发电的优缺点 优点不受地域限制 安全可靠 无噪声 无污染 不用水 不消耗燃料 不需要架设远距离输电线路 安装简单 方便 建设周期短 分散建设 就地发电 便于分步实施 缺点成本高 每千瓦4万元 带蓄电池4 6万元 能量密度低 峰值辐射1KW m2 满发电100瓦 发电时数低 每年满功率1500小时 不连续 受天气影响 存在储能问题 14 太阳能电池工作原理 半导体pn结光伏效应半导体pn结的光伏效应是指在光照下半导体pn结两端产生电位差的现象 当光能量大于Eg的光照射到半导体pn结上时 电子跃迁产生电子 空穴对 如果这些光生的电子和空穴扩散到pn结的势垒区 则在内建电场的作用下 电子被扫向n区 空穴被扫向p区 从而在n区形成电子的积累 在p区形成空穴的积累 在pn结两端产生光电压 p端为正极 n端为负极 在开路的情况下 pn结太阳电池两端的光电压为开路电压Voc 在短路的情况下 电池的光电流为短路电流Isc 当有负载时 太阳能电池就会有电功率输出 15 无光照和有光照时的能带图 pn结中 没有光照时在接触势垒的作用下pn结界面附近形成了一个势垒区 接触势垒的高度 b等于pn结形成之前n区和p区的费米能级之差 9 1 式中e为电子电荷 Vbi为pn结的内建电势 电池的能量等于电子和空穴的准费米能级之差 9 2 16 光电流密度 开路电压和光电转换效率 光电流密度Joc pn结暗电流密度Jd与短路电流密度Jsc之差 9 3 式中Js为pn结反向饱和电流密度 短路电流密度Jsc是一个不依赖于电压的常数 pn结上的电压变化只改变Jd的大小 不影响光生载流子的收集效率 开路电压 在开路条件下 Joc等于0 得到 9 4 光电转换效率 在标准光强下电池的最大输出功率与输入光功率P0之比值 9 5 填充因子FF 电池的最大输出功率VmJm与开路电压和短路电流密度乘积之比 9 6 Joc Jd Jsc Js exp eVoc kT 1 1 Jsc 17 有无光照时太阳能电池的J V特性曲线 图中标明了Jsc Voc和最大功率点VmJm 18 太阳光谱 AM0 1366 1W m2 地球大气层外太阳光譜 AM1 5D 1000W m2 穿过1 5倍大气质量的太阳光譜 大气层出现了H2O O2 CO2等气体的吸收峰 AM1 5G 768 3W m2 到达地面的太阳光谱 通常AM1 5指AM1 5G光谱 温度为25 C 19 太阳光强度 地面 标准测试 条件 1个大气压 25 1KW m2 或者100mW cm2太空条件下 136mW cm2或者1 36KW m2 光伏电池 组件的标准测试条件 20 光伏参数与材料性质的关系 太阳电池的光伏参数依赖带隙宽度 杂质浓度 载流子迁移率和少子寿命等 电池的短路电流密度Jsc的上限 9 7 Nph为光子流密度 Q为光生电子 空穴对的几率 L为电池的厚度 g为Eg对应的波长 电池的短路电流密度Jsc可以表示为 9 8 9 9 9 10 可见短路电流Jsc与少子扩散长度 少子寿命等都密切相关 Le De e 2 Lh Dh h 2 21 光伏参数与材料性质的关系 电池的开路电压Voc密切依赖于Jsc Js的比值 反向饱和电流密度Js主要由pn结两侧少子扩散长度范围内少子的复合率 e和 h 决定 9 11 其中和分别为p区的电子浓度和n区的空穴浓度 e和 h为p区的电子寿命和n区的空穴寿命 通常 太阳电池采用n p或p n结构 例如在p型硅 掺杂浓度NA 衬底上扩散磷形成n p结 此时反向饱和电流密度近似表示为 9 12 由此可见 Js和Voc在很大程度上取决于Eg 同时与少子寿命密切相关 少子寿命依赖于太阳能电池中的各种复合机制 如辐射复合 俄歇复合 通过复合中心的复合 Shockley Read Hall复合 等 同时 陷阱效应对少子寿命也起着重要的作用 22 太阳电池的极限效率 受热力学第二定律限制 太阳电池极限效率 应为 9 13 其中Ts和Ta分别为太阳表面光球温度和电池表面温度 令Ts 6000K Ta 300K 得到 95 0 即所谓Carnot 卡诺 效率 考虑到太阳电池表面存在热辐射 得到太阳电池的极限效率为 9 14 利用Ts和Ta同样的数据 得到 93 3 即所谓Andsberg效率或技术极限效率 23 太阳能电池的极限效率 太阳能电池由材料带隙宽度Eg决定的极限效率 开路电压Voc必须小于pn结的内建电势 它们还要小于带隙宽度Eg 即eVoc eVbi Eg 而由 9 6 式决定Jsc e 如果光生电子 空穴对的几率小于1 则光生电子 空穴对的数目小于能量大于Eg的所有光子数Nph Eg 带隙为Eg的材料的电池极限效率为 9 15 在AM0光谱下此极限效率对应的材料带隙宽度为1 07eV 对于AM1 5光谱而言 此极限效率在1 0 1 4eV范围存在两个峰值 1 13eV和1 33eV 而且前者相应的峰值略大 24 AM0和AM1 5光谱下带隙限定的太阳电池极限效率 电池极限效率存在一个极大值 存在一个最佳带隙宽度 使电池极限效率达到最大 在AM0和AM1 5光谱下 由电池材料带隙限制的极限效率分别为43 7 和49 1 25 异质半导体电池的Eg 电子亲合势 有效态密度NC和NV 电导率 等都是位置x的函数 光照下异质结内的静电场E0发生变化 开路条件下将电场差E E0对整个结构积分 得出开路电压 9 16 n和 p为光生电子和空穴的浓度 e n n e p p 为光电导在总电导中所占的比例 异质结半导体电池结构的Voc包括三部分 1 第一项为pn结内建静电场的贡献 2 第二项为材料组分变化即有效力场的贡献 3 第三项为扩散电势差或丹倍 Dember 电势的贡献 26 能量转换效率的热动力学限 27 太阳能电池中的主要损耗机理 Transmission透射Nonradiativerecombination非辐射复合Radiativerecombination辐射复合Thermalization h average Eg kT 发热Spatialrelaxationenergyloss Eg kT qVm 空间驰预 28 Shockley QueisserLimit detailedbalancelimit 29 多结太阳能电池的Henry s模型 30 Idealefficiencyforsinglejunction IdealoutputefficiencyvsEgforsinglejunctionsolarcellunderdifferentairmassconditions AM0 AM1 5GandAM1 5D IdealoutputefficiencyvsEgforsinglejunctionsolarcellunderdifferentsolarconcentrations 1 300 and1000suns 31 Detailedbalancelimitvs achievableefficiency 32 电流叠加原理 理想的pn结太阳能电池中 电池的光电流密度Joc为pn结暗电流密度Jd与短路电流密度Jsc之差 即电流满足叠加原理 9 17 式中Js为pn结反向饱和电流密度 k为玻耳兹曼常数 短路电流密度Jsc是一个不依赖于电压的常数 pn结上的电压变化只改变Jd的大小 不影响光生载流子的收集效率 在开路条件下 Joc等于0 得到开路电压 9 18 33 34 太阳能电池效率 UnitedStatesDepartmentofEnergyReportontheBasicEnergySciencesWorkshoponSolarEnergyUtilizationbyN S Lewisetal 2005 andfromJ CrystalGrowth275 292 2005 byT Surek 35 单晶硅PN结太阳电池的基本结构 36 硅太阳电池的主要进展 70代晶硅太阳电池 应用浅结扩散 减少蓝光的表面吸收损失 紫 电池 采用铝背场 增强载流子的收集电场和增加长波光的背反射 选择性腐蚀形成表面织构 金字塔结构 减少光在表面的反射和增加光的有效吸收长度 黑 电池 单晶硅太阳电池的效率增加到17 以上 80年代以来 减少电池的各种复合损失 提高电池的开路电压等光伏参数 高性能热氧化层钝化硅表面 降低表面复合速度 形成钝化发射极电池 PESC 使电池效率提高到20 通过高性能热氧化层钝化硅表面和背面 形成钝化发射极与背电极电池 PERC 使电池效率提高到24 以上 37 晶体硅太阳能电池 38 晶硅电池极限效率与朗伯兴陷光结构和电池厚度的关系 如果具有理想的朗伯兴 Lambertian 无规则表面 光线在电池内向各个方向散射 其有效光程将增加4n2倍 n为硅折射率 或者更精确地说 增加n n 1 2倍 好似将光线 陷 在电池内 以增加光的吸收 具有理想的朗伯兴陷光结构的条件下 晶硅电池在厚度仅1 m时效率就可以达到24 39 各种可生产的高效率晶硅太阳电池在AM1 5光谱下的性能 40 III V族化合物半导体太阳电池 优点1 GaAs的Eg 1 42eV 处于太阳电池材料所要求的最佳带隙宽度范围 2 GaAs材料的光吸收系数大 3 GaAs太阳电能电池的抗辐照性能好 4 GaAs太阳能电池的温度系数小 能在较高的温度下正常工作 缺点1 GaAs材料的密度较大 5 32g cm3 比Si材料密度 2 33g cm3 大两倍还多 2 GaAs的机械强度较弱 易碎 3 GaAs价格昂贵 约为Si材料价格的10倍 41 单结GaAs太阳电池的I V曲线 4cm2电池 AM0效率21 95 42 单结GaAs Ge异质结构太阳电池 Ge的晶格常数 0 5646nm 与GaAs的晶格常数 0 5653nm 相近 热膨胀系数两者也比较接近 容易在Ge衬底上实现GaAs单晶外延生长 Ge便宜 机械牢度是GaAs的两倍 不易破碎 器件结构 衬底偏离 001 面6 3 2 mGaAs基区 100nmGaAs 50nmAl0 16Ga0 84As过渡层 Ge衬底 43 44 Ga0 5In0 5P GaAs双结叠层电池 45 多结叠层 GaInP GaAs New GeNew很难找到匹配材料聚光太阳电池 提高电池转换效率增强抗辐照能力降低成本薄膜太阳电池减少材料消耗降低成本电池退化严重 Ge基三结太阳能电池 46 GaInP GaAs GaInAs三结叠层电池 47 非晶硅 非晶锗硅叠层太阳电池 玻璃衬底a Si a SiGe两结叠层太阳电池结构参数 48 非晶硅 微晶硅叠层太阳电池 49 非晶硅 非晶锗硅叠层电池 不锈钢柔性衬底非晶硅基三结叠层太阳电池结构 50 玻璃衬底多晶硅薄膜太阳电池组件结构 51 p i n型和n i p型硅基薄膜太阳电池 52 可再生 水 氢 水 无污染能量循环系统 53 太阳电池在发电系统中所占的成本从系统的建立到使用过期 20年 只占大约28 19 而蓄电池要占大约26 43 降低太阳电池系统的发电成本需要寻求更有效 更低成本的储能手段 发展氢燃料 用太阳电池所发的电来电解水制氢 即将电能以氢能形式储存 然后 再用氢燃料发电或者驱动燃料电池汽车等 所谓 氢经济 电解水制氢技术已日趋成熟 转换效率达到了70 以上 如果商用太阳电池效率15 计算 那么太阳电池规模化制氢效率已可望达到10 以上 德国在96cm2试验面积上获得太阳光 氢转换效率高达18 2 54 太阳能电池地面应用水平及趋势 55 太阳能发电厂和水净化装置 56 2020 4 19 56 57 硅太阳电池遮阳玻璃 58 58 太阳能电池驱动的飞机和汽车 59 60 ENTECH scurrentspaceconcentratormoduleusesasmallsiliconeFresnellens 8 5cmwide tofocussunlightat8 5Xconcentrationontoradiation cooledntriple junctionphotovoltaiccells 1 0cmwide 61 美国Spectrolab公司200倍聚光条件下聚光太阳电池阵列的效率为40 7 多结级连电池 Ge GaAS GaInP 组合式聚光器 广角接收太阳光线 高可靠性跟踪器 精度 1度实用效率 35 实验室40 高效聚光光伏太阳能电池 Composite glass silico