应用光伏学-第3章-太阳能电池的特性PPT课件

2020/4/27,.,1,第三章：太阳能电池的特性,3.1理想太阳能电池3.2太阳能电池的参数3.3电阻效应3.4其他效应3.5对太阳能电池的测量,2020/4/27,.,2,3.1.1理想太阳能电池太阳能电池的结构,太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电的电子器件。入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电压的形式来产生电能。这个过程的发生需要两个条件：首先，被吸收的光要能在材料中把一个电子激发到高能级。第二，处于高能级的电子能从电池中移动到外部电路。在外部电路的电子消耗了能量然后回到电池中。许多不同的材料和工艺都基本上能满足太阳能转化的需求，但实际上，几乎所有的光伏电池转化过程都是使用组成pn结形式的半导体材料来完成的。,.,.,.,.,.,3.1.1理想太阳能电池太阳能电池的结构,太阳能电池的横截面,2020/4/27,.,8,太阳能电池运行的基本步骤：光生载流子的产生光生载流子聚集成电流产生跨越太阳能电池的高电压能量在电路和外接电阻中消耗,3.1.1理想太阳能电池太阳能电池的结构,2020/4/27,.,9,3.1.2理想太阳能电池光生电流,在太阳能电池中产生的电流叫做“光生电流”，它的产生包括了两个主要的过程。第一个过程是吸收入射光子并产生电子空穴对。电子空穴对只能由能量大于太阳能电池的禁带宽度的光子产生。,第二个过程是pn结通过对这些光生载流子的收集，即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。pn结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果用一根导线把发射区跟基区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外部电路。,2020/4/27,.,10,动画展示了短路情况下的理想电流。如果要阻止复合并对电流有贡献的话，必须通过pn结的收集。,3.1.2理想太阳能电池光生电流,.,“收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生的载流子被pn结收集并参与到电流流动的概率。它的大小取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。1.在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。2.在远离电场的区域，其收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域产生时，那么它的收集概率是相当低的。相似的，如果载流子是在靠近电池表面这样的高复合区的区域产生，那么它将会被复合。,3.1.3理想太阳能电池收集概率,.,3.1.3理想太阳能电池收集概率,前端表面,在高复合率的情况下，其表面的收集概率很低。,低扩散长度的太阳能电池。,电池中距离表面的距离,弱钝化的太阳能电池,强钝化的太阳能电池,在耗散区的收集概率相同,背表面,收集概率,下面的图描述了表面钝化和扩散长度对收集概率的影响。,2020/4/27,.新南威尔士大学,13,收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小。光生电流大小等于电池各处的载流子生成速率乘以该处的收集概率。下面是硅在光照为AM1.5下光生电流的方程，包括了生成率和收集概率。,3.1.3理想太阳能电池收集概率,2020/4/27,.,14,在AM1.5光谱下硅片中的载流子生成率。注意，电池表面的生成率是最高的，因此电池对表面特性是很敏感的。,3.1.3理想太阳能电池收集概率,.,上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长0.45m的蓝光拥有高吸收率，为cm-1，也因此它在非常靠近顶端表面处被吸收。波长0.8m的红光的吸收率cm-1，因此其吸收长度更深一些。1.1m红外光的吸收率为cm-1，但是它几乎不被吸收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。,3.1.3理想太阳能电池收集概率,归一化的E-H对生成率,.,3.1.3理想太阳能电池收集概率,电池各区域截流子的收集概率是不一致。例如，表面的收集概率低于其他部分的收集概率。蓝光在硅表面的零点几微米处几乎被全部吸收。因此，如果顶端表面的收集概率非常低的话，入射光中蓝光将不对光生电池做出贡献。,收集概率,生成率,在电池中的距离,2020/4/27,.,17,所谓“量子效率”，即太阳能电池所收集的载流子的数量与入射光子的数量的比例。如果某个特定波长的所有光子都被吸收，并且其所产生的少数载流子都能被收集，则这个特定波长的所有光子的量子效率都是相同的。而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。下图将描述理想太阳能电池的量子效率曲线。,3.1.4理想太阳能电池量子效率,.,3.1.4理想太阳能电池量子效率,下图为硅太阳能电池的量子效率。通常，波长小于350nm的光子的量子效率不予测量，因为在1.5大气质量光谱中，这些短波的光所包含能量很小。,2020/4/27,.,19,尽管理想的量子效率曲线是矩形的（如上图），但是实际上几乎所有的太阳能电池的都会因为复合效应而减小。影响收集效率的因素同样影响着量子效率。例如:顶端表面钝化会影响靠近表面的载流子的生成，蓝光是在非常靠近表面处被吸收的，所以顶端表面的高复合效应会强烈地影响蓝光部分量子效率。绿光能在电池体内的大部分被吸收，但是电池内过低的扩散长度将影响收集概率并减小光谱中绿光部分的量子效率。,3.1.4理想太阳能电池量子效率,2020/4/27,.,20,硅太阳能电池中，“外部”量子效率：包括光的损失，如透射和反射。“内部”量子效率：指的是那些没有被反射和透射且能够产生可收集的载流子的光的量子效率。通过测量电池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲线并得到内部量子效率。,3.1.4理想太阳能电池量子效率,2020/4/27,.,21,“光谱响应”在概念上类似于量子效率。量子效率描述的是电池产生的光生电子数量与入射到电池的光子数量的比，而光谱响应指的是太阳能电池产生的电流大小与入射能量的比例。下图将描述一光谱响应曲线。,理想的光谱响应,硅太阳能电池的响应曲线,能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以在长波长段的光谱响应为零。,光谱响应,3.1.5理想太阳能电池光谱响应,短波长的光子的能量很高，导致光子与能量的比例下降。因高光子能量的不能完全利用，所以光谱响应随着波长减小而下降。,2020/4/27,.新南威尔士大学,22,光子的能量中，所有超出禁带宽度的部分都不能被电池利用，而是只能加热电池。在太阳能电池中，高光子能量的不能完全利用以及低光子能量的无法吸收，导致了显著的能量损失。光谱响应是非常重要的量，因为只有测量了光谱响应才能计算出量子效率。公式如下：,3.1.5理想太阳能电池光谱响应,SR（光谱响应）,2020/4/27,.,23,被收集的光生载流子并不是靠其本身来产生电能的。为了产生电能，必须同时产生电压和电流。在太阳能电池中，电压是由所谓的“光生伏打效应”过程产生的。,3.1.6理想太阳能电池光伏效应,.,耗尽区：由N指向P的漂移电流,.,.,在耗尽区外：光照产生的电子空穴对，由于没有内建电场的作用，并且多子浓度基本上不受光照效应的影响，所以在光照下，少子浓度增加，会产生的扩散电流。P区内：由于耗尽层靠近P区边缘的电子浓度较低，所以P区内光照产生的光生电子（少子）会扩散进入耜尽区，再流入N型区，光生空穴（多子）留在P区；N区内：光照产生的光生空穴（少子）会扩散进入耜尽层，进而再流入P型区，光生电子（多子）留在N区。这样便在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。,.,耗尽层内的漂移电流（NP），P区内产生的电子扩散电流（PN）和N区内产生的空穴扩散电流（NP）的总和就是所说的“光生电流”，也就是短路电流。其流向与PN结正向偏压下的电流流向相反。,.,3.1.6理想太阳能电池光伏效应,光生电场除了部分抵消内建电场的作用外，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了电动势，这就是光生伏打效应。因为内建电场代表着对多数载流子扩散电流的障碍，所以电场减小的同时也增大扩散电流，这就抵消了部分的光电流。穿过pn结的电压将达到新的平衡。流出电池的电流大小就等于光生电流与扩散电流的差。,.,3.1.6理想太阳能电池光伏效应,在电池开路的情况下，pn结的正向偏压处在新的一点，此时，光生电流大小等于扩散电流大小，且方向相反，即总的电流为零。当两个电流达到平衡时的电压叫做“开路电压Voc”。对晶体硅电池来说，开路电压的典型型为0.50.6V。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.,2020/4/27,.,30,下面动画展示了载流子分别在短路和开路情况下的流动情况。,动画显示了太阳能电池分别在热平衡、短路和开路下的载流子运动状态。请注意不同情况下，流过pn结的电流的不同。1、在热平衡下（光照为零），扩散电流和漂移电流都非常小。2、电池短路时，pn结两边的少数载流子浓度以及由少数载流子决定大小的漂移电流都将增加。3、在开路时，光生载流子引起正向偏压，因此增加了扩散电流。因为扩散电流和漂移电流的方向相反，所以开路时电池总电流为零。,3.1.6理想太阳能电池光伏效应,.新南威尔士大学,3.2.1太阳能电池的参数电池的伏安曲线,动画展示了光对一个pn结的电流电压特性的影响。,没有光照时，太阳能电池与普通二极管的电性能没什么不同。点击继续,太阳能电池的伏安曲线是电池二极管在黑暗时的伏安曲线与光生电流的叠加。光的照射能使伏安曲线移动到第四象限，意味着能量来自电池。,2020/4/27,.新南威尔士大学,32,3.2.1太阳能电池的参数电池的伏安曲线,用光照射电池并加上二极管的暗电流，则二极管的方程变为：,式中IL为光生电流。,第一象限的伏安曲线方程为：,接下来的几节将讨论几个用于描述太阳能电池特性的重要参数。短路电流（ISC），开路电压（VOC），填充因子（FF）和转换效率都可以从伏安曲线测算出来的重要参数。,2020/4/27,.,33,3.2.2太阳能电池的参数短路电流,短路电流是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流（或者说电池被短路时的电流）。通常记作ISC。,太阳能电池的伏安曲线,短路电流ISC是电池流出的最大电流，此时穿过电池的电压为零。,电池产生的电能,短路电流源于光生载流子的产生和收集。对于电阻阻抗最小的理想太阳能电池来说，短路电流就等于光生电流。因此短路电流是电池能输出的最大电流。,.,硅的禁带宽度约为1.1eV，相应的波长是1.13um。,.,禁带宽度减小使能够产生电子空穴对的光子数目增多。,2020/4/27,.,36,短路电流的大小取决于以下几个因素：太阳能电池的表面积。要消除太阳能电池对表面积的依赖，通常需改变短路电流强度（JSC单位为mA/cm2）而不是短路电流。硅在光照为AM1.5下光生电流的方程,3.2.2太阳能电池的参数短路电流,2020/4/27,.,37,短路电流的大小取决于以下几个因素：光子的数量（即入射光的强度）。电池输出的短路电流ISC的大小直接取决于光照强度（在入射光强度一节有讨论）。入射光的光谱。测量太阳能电池是通常使用标准的1.5大气质量光谱。电池的光学特性（吸收和反射）（光学损耗一节有讨论）电池的收集概率，主要取决于电池表面钝化和基区的少数载流子寿命。,3.2.2太阳能电池的参数短路电流,2020/4/27,.,38,在比较相同材料的两块太阳能电池时，最重要的参数是扩散长度和表面钝化。对于表面完全钝化和生成率完全相同的电池来说，短路电流方程近似于：JSC=qG(Ln+Lp)式中G代表生成率，而Ln和Lp分别为电子和空穴的扩散长度。从这个方程看出，短路电流很大程度上取决于生成率和扩散长度。在AM1.5大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电流为46mA/cm2。实验室测得的数据已经达到42mA/cm2，而商业用太阳能电池的短路电流在28到35mA/cm2之间。,3.2.2太阳能电池的参数短路电流,2020/4/27,.新南威尔士大学,39,开路电压VOC是太阳能电池能输出的最大电压，此时输出电流为零。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的正向偏压。开路电压如下图伏安曲线所示。,3.2.3太阳电池的参数开路电压,开路电压是太阳能电池的最大电压，即净电流为零时的电压。,2020/4/27,.,40,上述方程显示了VOC取决于太阳能电池的饱和暗电流和光生电流。增加光生电流、减少饱和暗电流可提高开路电压。短路电流与入射光强成正比，开路电压与入射光强的对数成正比。所以增加入射光强，可增大开路电压。,3.2.3太阳电池的参数开路电压,通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路电压方程：,2020/4/27,.,41,但由于短路电流的变化很小，而饱和暗电流的大小可以改变几个数量级，所以主要影响是饱和电流。饱和电流I0主要取决于电池的复合效应。当，即：少子寿命无限长，复合率趋于零时，饱和暗电流将趋于零。最小暗饱和电流与禁带宽度之间关系的经验公式：Eg减小Isc增大，但Voc减小。,3.2.3太阳电池的参数开路电压,太阳能电池的开路电压方程：,.,存在一个最佳的半导体禁带宽度，可使效率达到最高。,.,在太阳能电池的伏它特性中，习惯上把光生电流JL的方向作为电流的正方向。伏安特性曲线中，电压V在0VOC之间时，电压V和电流J的乘积为正值，表明太阳能电池产生电能；当V0.4时有效,3.3.4电阻效应并联电阻,.新南威尔士大学,62,当并联电阻和串联电阻同时存在时，太阳能电池的电流与电压的关系为：,而电池的等效电路图为：,3.3.5电阻效应串、并联电阻的共同影响,式中IL为光生电流。）,（第一象限的伏安曲线方程为：,.,2020/4/27,.新南威尔士大学,64,上式中FFs=FF0（1-1.1rs）+r2s/5.4则将上面的方程结合后得到FF：,3.3.5电阻效应串、并联电阻的共同影响,结合串联电阻和并联电阻的影响，总的方程为：,2020/4/27,.,65,像所有其它半导体器件一样，太阳能电池对温度非常敏感。温度的升高降低了半导体的禁带宽度，因此影响了大多数的半导体材料参数。可以把半导体的禁带宽度随温度的升高而下降看成是材料中的电子能量的提高。因此破坏共价键所需的能量更低。在半导体禁带宽度的共价键模型中，价键能量的降低意味着禁带宽度的下降。,3.4.1其他效应温度效应,.,3.4.1其他效应温度效应,在太阳能电池中，受温度影响最大的参数是开路电压。温度的改变对伏安曲线的影响如下图所示。,短路电流ISC提高幅度很小,温度较高的电池,开路电压Voc下降幅度大,1、开路电压随温度的升高而减小；2、短路电流随温度的升高略有增加。,2020/4/27,.新南威尔士大学,67,1、开路电压随着温度而减小是因为I0对温度的依赖。关于pn结两边的I0的方程如下：式中，q为一个电子的电荷量；D为硅材料中少数载流子的扩散率；L为少数载流子的扩散长度；ND为掺杂率；ni为硅的本征载流子浓度。在上述方程中，许多参数都会受温度影响，其中影响最大的是本征载流子浓度ni。本征载流子浓度决定于禁带宽度（禁带宽度越低本征载流子浓度越高）以及载流子所拥有的能量（载流子能量越高浓度越高）。,3.4.1其他效应温度效应,.新南威尔士大学,3.4.1其他效应温度效应,关于本征载流子的方程为：,式中，T表示温度，h和k都是常数，me和mh分别是电子和空穴的有效质量；EG0为禁带宽度，B是也是一个常数，但基本不受温度影响。把这个方程带回到求解电流的方程中，并假设温度对其它参数的影响忽略不计，则：,2020/4/27,.,69,式中B为一个不受温度影响的常数。常数，被用来代替数字3以把其它参数可能受温度的影响包括进去。对于温度接近于室温的硅太阳能电池来说，温度每升高10C，I0将升高将近一倍。把上述方程代入到VOC的方程中，便可计算出I0对开路电压的影响。,3.4.1其他效应温度效应,其中，VG0=EG0/q。,2020/4/27,.新南威尔士大学,70,此方程显示，随着温度升高，太阳能电池的开路电压线性的减小。即电池的电压越大，受温度的影响就越小。对于硅，EG0为1.2eV，取=3，则开路电压的变化为大约2.2mV/C。,3.4.1其他效应温度效应,我们假设dVOC/dT不受dISC/dT的影响，则,.新南威尔士大学,3.4.1其他效应温度效应,3、同时，硅电池的填充因子FF受温度的影响为：,2、当温度升高时，短路电流ISC会轻微地上升，因为当禁带宽度EG减小时，将有更多的光子有能力激发电子空穴对。然而，这种影响是很小的，下面的方程说明硅太阳能电池中短路电流受温度影响程度：,2020/4/27,.新南威尔士大学,72,而温度对最大输出功率Pm的影响为：,南极洲，正在测量太阳能电池的效率。太阳能电池喜欢阳光明媚寒冷天气。,3.4.1其他效应温度效应,2020/4/27,.,73,改变入射光的强度将改变所有太阳能电池的参数，包括短路电流、开路电压、填充因子FF、转换效率以及并联电阻和串联电阻对电池的影响。通常用多少个太阳来形容光强，比如一个太阳就相当于AM1.5大气质量下的标准光强，即1KW/m2。如果太阳能电池在功率为10KW/m2的光照下工作，也可以说是在10个太阳下工作，或10X。被设计在一个太阳下工作的电池板叫“平板电池”，而那些使用聚光器的电池叫“聚光太阳能电池”。,3.4.2其他效应光强效应,.,3.4.2其他效应光强效应,聚光对太阳能电池的伏安特性的影响。,短路电流ISC随着聚光呈线性上升,FF可能会因串联电阻的上升而下降,开路电压随光强呈对数上升,2020/4/27,.新南威尔士大学,75,聚光太阳能电池聚光太阳能电池是一种在光强大于一个太阳的光照下工作的太阳能电池。入射太阳光被聚焦或透过光学器件形成高强度的光束射到小面积的太阳能电池中。聚光太阳能电池有几个潜在的优势，包括比平板太阳能电池更高的转换效率和更低的成本。,3.4.2其他效应光强效应,1、更高的转换效率：电池的短路电流大小与光的强度成线性关系，因此在10个太阳照射下的电池短路电流是在一个太阳照射下的十倍。然而，这种改变并没有带来转换效率的提升，因为入射功率也随光强呈线性提高。,2020/4/27,.新南威尔士大学,76,相反，由于开路电压与短路电流呈对数关系，转换效率得以提升。因此，在聚光条件下，VOC随着光强上升呈对数形式增加，如下式所示：,式中X代表入射光的强度。,