太阳能电池工作原理ppt课件

第二章太阳能电池的工作原理1。太阳能电池的分类1。按基材分类：晶体硅太阳能电池，包括：单晶硅和多晶硅太阳能电池；非晶硅太阳能电池；非晶硅太阳能电池；薄膜太阳能电池复合太阳能电池，包括：砷化镓电池；硫化镉电池；碲化镉电池；有机半导体太阳能电池，如硒铟铜电池等。1，太阳能电池类型，2，单晶硅太阳能电池，3，多晶硅太阳能电池，4，非晶硅太阳能电池，5，2。按结构分类：同质结太阳能电池异质结太阳能电池肖特基结太阳能电池复合结太阳能电池液体结太阳能电池等。6，3。根据应用分类：空间太阳能电池：太阳能电池用于人造卫星、宇宙飞船和其他宇宙飞船。由于特殊的使用环境，要求太阳能电池具有高效、轻质和抗辐射的特性。地面太阳能电池：太阳能电池应用于地面。当光敏传感器：被光照射时，可以在太阳能电池的两极之间产生电压。当连接成一个回路时，电流流过它，电流的大小随光照强度而变化，因此它可以用作传感器。7，航天器上的光伏系统，8，9，探测车，10，4。按工作模式分类：平板太阳能电池聚光太阳能电池，11，聚光太阳能电池，12，聚光太阳能电池，13，2。硅太阳能电池的工作原理，硅原子的外层电子壳层中有4个电子。原子核的束缚相对较小。如果获得足够的能量，它将摆脱原子核的束缚，成为一个自由电子，同时留下一个空穴。电子带负电荷；这个洞带正电荷。在纯硅晶体中，自由电子和空穴的数量是相等的。14，硅原子示意图，15，硅晶体中的每个原子有4个相邻原子，与每个相邻原子共享2个价电子，形成一个稳定的8原子壳层。从硅原子中分离电子需要1.12电子伏的能量，这被称为硅的禁带宽度。分离的电子是自由传导电子，可以自由移动并传输电流。16，共价键结构的硅原子，17，如果少量五价杂质磷(或砷、锑等。)掺杂到纯硅晶体中，因为磷原子有五个价电子，当一个磷原子与四个相邻的硅原子形成共价键时，就有一个以上的价电子，这个价电子很容易脱离磷核的吸引而成为自由电子。因此，掺杂有5价杂质的4价半导体成为电子传导型半导体，也称为N型半导体。在N型半导体中，除了由于杂质掺杂而产生的大量自由电子之外，还由于热激发而产生少量的电子-空穴对。然而，相对于电子的数量，空穴的数量非常少，因此在N型半导体材料中，空穴的数量非常少，称为少数载流子。电子的数量很大，被称为多数载流子。类似地，如果三价杂质如硼(或铝、镓或铟等。)掺杂到纯硅晶体中，这些三价杂质原子的最外层只有3个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，它仍然缺少1个价电子，因此在共价键上会出现空穴。因此，三价杂质掺杂的四元半导体也称为P型半导体。对于P型半导体，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。21，P型半导体，22。如果P型半导体和N型半导体紧密结合形成一个整体，两个导电类型相反的半导体之间的过渡区称为p-n结。在p-n结的两侧，在P型区域中有许多空穴和少量电子。在N型区域，有许多电子和几个空穴。由于电子和空穴在界面两侧的浓度不相等，多数载流子将发生扩散运动。23岁。在靠近界面的P区，空穴将从高浓度的P区扩散到低浓度的N区，并在那里与电子复合，产生一批掺杂有杂质的带正电离子。同时，在P型区域中，掺杂有负cha杂质的离子24，同样在界面附近的N区中，电子将从高浓度的N区扩散到低浓度的P区，而电子将从高浓度的N区扩散到低浓度的P区，并在那里与空穴复合，从而导致掺杂有杂质的一批负电荷离子出现在那里。同时，在N型区域中，由于一批电子逃逸，存在掺杂有带正电荷的杂质的离子。因此，扩散的结果是在界面的两侧形成非常薄的区域层，一侧带正电荷，另一侧带负电荷，称为空间电荷区域。这是pn结。在p-n结中，由于负电荷和正电荷分别在两侧积累，将产生从正电荷到负电荷的电场。因此，在pn结中，从N区到P区有一个电场，称为内建电场(或势垒电场)。26，27，太阳能电池，能量大于半导体禁带宽度的光子引起半导体中原子的价电子被激发，并且在P区、空间电荷区和N区产生光生电子-空穴对，也称为光生载流子。由于热运动，这样形成的电子-空穴对向所有方向迁移。28，光生电子-空穴对在空间电荷区产生后立即被内建电场分开，光生电子被推入N区，光生空穴被推入P区。空间电荷区边界处的总载流子浓度约为0。29，在N区域中，在光生电子空穴产生之后，光生空穴扩散到p-n结边界。一旦它到达p-n结边界，它立即受到内置电场的影响并在电场的作用下漂移，穿过空间电荷区进入P区，而光生电子(多数载流子)留在N区。30时，P区中的光生电子也将扩散到p-n结边界，并且在到达p-n结边界之后，它们也将在由于内置电场的作用而产生的电场力的作用下漂移到N区中，而光生空穴(多数载流子)将留在P区中。因此正负电荷在p-n结的两侧累积，形成与内置电场方向相反的光生电场。除了部分抵消内置电场之外，该电场还使P型层带正电，N型层带负电，从而产生光生电动势。这就是“光伏效应”(光伏)。32，如果太阳能电池打开，即负载电阻R1=，所有被p-n结分开的多余载流子将在p-n结附近积累，从而产生等于开路电压VOC的最大光生电动势。如果太阳能电池短路，即RL=0，所有能够到达pn结的多余载流子都可以通过该结，并且由于外部电路的闭合而产生最大可能电流，即短路电流ISC。33，如果太阳能电池连接到负载RL，则由结分离的一些过剩载流子消耗能量以降低p-n结势垒，即建立工作电压Vm，而剩余的光生载流子用于产生光生电流Im。34，35，36，37，太阳能电池的极性，太阳能电池一般制成p /n型结构或n /p型结构，其中第一个符号，即P和N，代表太阳能电池正面光半导体材料的导电类型；第二个符号n和p代表太阳能电池背面衬底上半导体材料的导电类型。下图显示了通过在P型半导体材料上扩散磷而形成的具有n /p型结构的太阳能电池。上表面是负极；下表面是正的。38，3。太阳能电池的结构，39，4。太阳能电池基本参数，1。标准试验条件：光源辐照度：1000瓦/平方米；测试温度：2520；AM1.5地面太阳光谱辐照度分布太阳能电池等效电路(1)理想的太阳能电池等效电路：相当于一个恒流电源，其Iph电流与一个正向二极管并联。流经二极管的正向电流称为暗电流。流过负载的电流为，负载两端的电压为，42，理想太阳能电池等效电路，iphidvri，43，(2)实际太阳能电池等效电路：漏电流引起的旁路电阻Rsh等。由于体电阻和电极的欧姆电阻，串联电阻Rs的Rsh两端的电压为Vj=(V IRS)，因此流经旁路电阻Rsh的电流为：iSH=(V IRS)/流经负载的Rsh电流：I=IPHidiSH，44，实际太阳能电池等效电路，RSIPHIDRSHISHRI、和，45，暗电流ID是注入电流和复合电流之和，可简化为单指数形式：ID=Iooexp(qVj/A0kT)-1，其中IooA0是结构因子，反映了pn结结构完整性对性能的影响。k是玻尔兹曼常数，46，所以：是光照下太阳能电池的电流和电压之间的关系。绘制图形，即(电流-电压)特性曲线。47，理想条件下：Rsh，Rs0。因此，I=IPHID=IPHIOO EXP(qv/A0KT)-1 当负载短路时，即Vj=0(忽略串联电阻)，获得短路电流，其值正好等于光电流Isc=Iph，48，因此，当负载R，输出电流0，开路电压Voc值由下式确定时，I=IPH-ID=ISC-IOO EXP(QV/A0KT)-1 :49，伏安特性曲线在一定的温度和光照以及不同的外部电路负载下，得到流入负载的电流与电池端电压的关系曲线。下图是太阳能电池组件的(电流-电压)特性曲线的示意图。不同辐照度下电池的伏安特性曲线、一定温度和辐照条件下的开路电压、空载(开路)条件下光伏发电机端电压通常用Voc表示。太阳能电池的开路电压与电池面积无关。通常，单晶硅太阳能电池的开路电压约为450-600毫伏，最高可达690毫伏。太阳能电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。在一定温度和辐照条件下，光伏发电机端电压为零时的输出电流通常用Isc表示。Isc与太阳能电池领域有关。面积越大，Isc越大。通常，1cm2太阳能电池的Isc值约为16-30mA。Isc与入射光的辐照度成正比。最大功率点是与太阳能电池伏安特性曲线上的最大功率相对应的点，也称为最佳工作点。7.最佳工作电压是对应于太阳能电池伏安特性曲线上最大功率点的电压。Vm通常用于表示伏安特性曲线上最大功率点8对应的电流。最佳工作电流太阳能电池。通常用Im表示，54，9。转换效率是被照亮的太阳能电池的最大功率和入射到太阳能电池上的总辐射功率的百分比。=VMIm/AtPin，其中Vm和im分别是最大输出功率点的电压和电流，at是太阳能电池的总面积，Pin是单位面积的太阳能入射光功率。填充因子(曲线因子)太阳能电池的最大功率与开路电压和短路电流的乘积之比通常用FF(或CF)表示：FF=ImVm/iscvocisvoc是太阳能电池的极限输出功率ImVm是太阳能电池的最大输出功率填充因子是表征太阳能电池性能的重要参数。在规定的试验条件下，太阳能电池短路电流的变化值通常用太阳能电池测量温度的每一次10C变化的来表示。对于普通晶体硅电池，=0.1%/0C，59，12。在特定的测试条件下，太阳能电池开路电压的变化值通常用测量的太阳能电池温度的每个10C变化的来表示。对于普通晶体硅电池，=-0.38%/0C，60，61，5。提高晶体硅电池效率的方法，1。紫光电池采用浅结(如0.1-0.15m)和密集栅格(如30条/厘米)，克服了“死层”，增加了电池的蓝紫光响应，提高了电池的效率。2.背电场(BSF)电池一层磷或氮被添加到传统电池的硅电池背面，即背面绒面电池使用选择性蚀刻溶液在(100)硅片表面形成微小的金字塔形小丘，小丘的密度约为108-109个/cm2。依靠表面的金字塔形的方锥结构，光被多次反射，不仅减少了反射损耗，而且改变了光在硅中的前进方向，延长了光路，提高了光生载流子的产量。锯齿形纹理表面增加了p-n结的面积，从而增加了光生载流子的收集率。提高了电池的红光响应。63，4。聚光电池通过聚光器将大面积聚光器上接收的太阳光会聚到相对较小的范围内，形成“焦点”或“聚焦区”。位于“焦点”或“聚焦区”的太阳能电池可以获得更多的光能，这样