太阳能电池的结构和基本原理

第三章太阳能电池的基本原理.本章以单晶硅pn结太阳能电池为例，介绍半导体太阳能电池的基本工作原理、结构和特性分析。另一方面，太阳能电池的结构和基本工作原理，下图示意性地描述了单晶硅pn结太阳能电池的结构，包括上部电极、无反射薄膜被复层、n型半导体、p型半导体及下部电极和基板。 另外，如果向该pn结太阳能电池照射适当波长的光，则通过光电效应在势垒区域的两侧产生电动势。 因此，光伏效应是半导体电池实现光电转换的理论基础，也是一些光伏元件工作最重要的物理效应。 因此，将来要好好分析pn结的光伏效应。设置入射光的垂直pn接合面。 结浅时，光子进入pn结区，深入到半导体内部。 具有禁带宽度以上能量的光子通过本征吸收来吸收在接合两侧产生的电子-空穴对. 光激发下多数载流子浓度的变化一般较小，但少数载流子浓度的变化较大，因此主要应研究光产生少数载流子的运动。 由于在pn结势垒区域内存在强内置电场(从n区域朝向p区域)，所以结两侧的光产生少数载流子，分别向相反方向移动： p区域的电子通过p-n结进入n区域； 当n区的空穴进入p区时，p端电位上升，n端电位下降，在p-n结的两端形成光伏，这就是p-n结的光伏效应。 因为光在p-n结的两端产生光电动势，所以相当于对p-n结的两端施加正向电压v，使势垒降低为qVD-qV，产生正向电流IF，在pn结开路的情况下，当光电动势电流与正向电流相等时，在p-n结的两端产生稳定的电位差Voc，这是因为光电池的开路电压pn结和外部电路接通后，除非光停止，否则电流不断通过电路，p-n发挥电源的作用。 这就是光电池的基本原理。 另外，根据以上的分析，为了使半导体光电元件产生光电动势(或光积蓄电荷)，1、半导体材料对于一定波长的入射光具有充分的光吸收系数，即入射光子的能量h为半导体材料的带隙Eg以上，该入射光子被半导体吸收而激发光不平衡的电子空穴对. 2、具有光伏结构，有一个内置电场对应的屏障区域。 势垒区域的重要作用是分离了两种不同电荷的光生成非平衡载流子，在p区域内积蓄非平衡空穴，在n区域内积蓄非平衡电子。 产生与平衡pn结内置的电场相反的光产生电场，在p区域和n区域确立了光产生电力(或光产生电压)。上述pn结除了产生光伏效应外，由金属-半导体形成的肖特基势垒层等其他多种结构也产生光伏效应。 其电子过程类似于pn结，均以适当波长的光照射材料，在半导体的界面或表面产生光载流子，通过阻挡区域的电场，光电子和空穴向相反方向漂移而相互分离，在元件两端蓄积光产生电压而产生。 普通的发电系统，例如火力发电，是指燃烧石油和煤来加热水，使其成为蒸汽来推进发电机的发电。原子能发电，不是燃烧石油和煤，而是通过核分裂释放出来的能量。水力发电是利用水的落差来旋转发电机发电。 太阳能电池发电的原理是全新的，与以往的方法完全不同，是一种不排出电机旋转部分和气体，清洁无污染的发电方式。 太阳能电池的结构、单晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。 单晶硅太阳能电池通常以p型Si为基板，扩散n型杂质，形成图(a )所示的结构。 为了取出电流，在p型基板的整个下表面涂上银进行烧结，形成银电极，接通两电极后得到电流。玻璃基板非晶硅太阳能电池首先在玻璃基板上堆积透明导电膜，然后依次通过等离子体反应堆积p型、I型、n型三层a-Si，蒸镀金属电极铝，从透明导电膜和电极铝引出电池电流。 玻璃基板非晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。 不锈钢基板型太阳能电池在不锈钢基板上堆积pin非晶硅层，在其上堆积透明导电膜，最后与单晶硅电池一样制作成梳状的银收集电极。 电池电流由下不锈钢和上梳形电极引出。 不锈钢衬底非晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。二、太阳能电池的输出特性、一、光电池的电流电压特性、光电池工作时的三个电流：光产生电流IL、基于光产生电压v的pn结正向电流IF、流过外部电路的电流I。 IL和IF在pn结内部流动，但方向相反。 根据p-n结整流方程，通过前向偏置结的前向电流是：IF=Isexp(qV/kT)-1，其中v是光生成电压，Is是反向饱和电流。 另外，例如，电池与负载电阻连接的路径中，通过负载的电流为：I=IF-IL=Isexp(qV/kT)-1-IL，这是负载电阻上的电流与电压的关系，即电池的电压-电流特性方程式。 左图分别是没有光的情况和有光的情况下的光电池的电压-电流特性曲线。无论是一般的化学电池还是太阳能电池，其输出特性一般用下图所示的电流-电压曲线来表示。 根据光电池的电压-电流特性曲线，可以得到记述太阳能电池的4个输出参数。 2、太阳能电池的参数，1、开路电压Voc为p-n结开路时(r=)，pn结两端的电压为开路电压Voc。 在这种情况下，I=0，即IL=IF。 若将I=0代入光电池的电流电压方程式，则开路电压为：2、短路电流Isc、pn结短路时(V=0)，IF=0，此时得到的电流为短路电流Isc。 显然，短路电流等于光产生电流： Isc=IL，3，填充因子FF，光电池在电压-电流特性曲线的任一工作点的输出功率等于与该点对应的矩形面积。 其中只有一点是输出最大功率，称为最佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vop和最佳工作电流Iop。 填充系数被定义为：并指示与最大输出点对应的矩形面积在由Voc和Isc构成的矩形面积中所占的比例。 特性好的太阳能电池是能够得到大输出的太阳能电池，也就是Voc、Isc和FF的乘积大的电池。 对于效率适当的电池，此值必须介于0.70-0.85之间。 4、太阳能电池的能量转换效率，Pin是入射光的能量密度，s是太阳能电池的面积，s