第二章光伏电池及其特性

1、第二章第二章 光伏电池及其特性光伏电池及其特性n1. Principle of Solar Cellsn2 .硅型光伏电池的电特性硅型光伏电池的电特性n3.光伏电池的外特性光伏电池的外特性n4. 光伏电池性能的检测光伏电池性能的检测n5.光伏电池的结构和分类光伏电池的结构和分类2.1 Principle of Solar Cellsn2.1.1半导体的基础知识半导体的基础知识n半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。n本征半导体本征半导体 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。n掺杂半导体掺杂半导体 -photovoltaic

2、 cellsWhat are Semiconductors?n入门入门n导带性导带性界界于导体与绝缘体之间于导体与绝缘体之间的材料的材料n中阶中阶n电阻系数电阻系数约为约为10-3 108 .cm的材料的材料n进阶进阶n能隙能隙约约在在 4eV以下之的材料以下之的材料能带理论（补充内容）E2E3E5E4E6E7E1a a 2a 3a 3 a a 2 0kE E k 曲线的表达图式曲线的表达图式能带理论的基本要点量子力学计算表明,固体中若有N个原子,由于各原子间的相互作用,对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了N条靠得很近的能级,称为能带能带。能带宽度E,量级为EeV，若N1023, 两能级的间

3、距约10-23eV。越是外层电子，E越大。点阵间距越小，E越大。两个能带有可能重叠。Li原子电子构型是原子电子构型是1s22s12s1s能量2s带半充满（导带）1s带全满（满带）Li能带示意图禁带能带中的电子分布l 满带：能带中所有能级（轨道）均有电子占据，为由充满电子的原子轨道能级所形成的低能量能带。l 空带：能带中所有能级（轨道）均无电子占据。l 禁带：不允许有电子占据的能量范围。禁带宽度（满带与空带的能量间隔）称为带隙。能带中的电子分布l 价带：依据轨道能量高低顺序填充电子时，最后由价电子填充的（轨道）能带称为价带。l 导带：部分被价电子（可自由移动）占据的能带可称为导带。导带可以是由未

4、充满电子的原子轨道组合而成的能带（价带），或（与满带重叠或能量相近）空带。导体、半导体和绝缘体l 导体价电子能带是半满的(如Li,Na)，或价电子能带是全满但有空的能带(Be,Mg)，而且两个能带能量间隔很小，彼此发生部分重叠。 Eg导体、半导体和绝缘体l 导体金属钠金属镁导体、半导体和绝缘体l 绝缘体价电子都在满带，导带是空的，而且满带顶与导带底之间的能量间隔（即禁带宽度）大。在外电场作用下，满带中的电子不能越过禁带跃迁到导带中，故不能导电。 Eg禁带宽度5eV导体、半导体和绝缘体l 半导体满带被电子充满，导带是空的，便禁带宽度很窄。由于禁带宽度小，因此当光照或在外电场作用下，使满带上的电子

5、，很容易跃迁到导带上，使原来空的导带充填电子，同时在满带上留下空穴。 Eg禁带宽度3eVnElement semiconductor（元素半导体）nCompound semiconductor（化合物半导体）nIntrinsic semiconductor（本征半导体）（本征半导体）nExtrinsic semiconductor（掺杂半导体）（掺杂半导体）nDirect semiconductor（直接半导体）nIndirect semiconductor（间接半导体）nDegenerate semiconductor（简并半导体）nNon-degenerate semiconductor（

6、非简并半导体）nCompensated semiconductor（补偿半导体）nNon-compensated semiconductor（非补偿半导体）（1）Intrinsic semiconductorn完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本本征半导体征半导体。硅（锗）的原子结构硅（锗）的原子结构Si2 8 4Ge2 8 18 4简化模型简化模型+4惯性核惯性核价电子价电子(a) Diamond lattice. (b) Zincblende lattice.Covalence BondsA tetrahedron bond (a) 3-D. (b

7、) 2-D共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子本征激发本征激发Formation of intrinsic carriersn在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位（空穴）的过程。个空位（空穴）的过程。复合：复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。对消失的过程。漂移：漂移： 自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。结论结论:1. 本征

8、半导体的电子空穴成对出现本征半导体的电子空穴成对出现, 且数量少；且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关本征半导体导电能力弱，并与温度有关。本征激发的特点本征激发的特点（2） Extrinsic Semiconductor 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂掺杂半导体半导体的的某种载流子浓度某种载流子浓度大大增加。大大增加。SiPSiSi硅原子硅原子磷原子磷原子多余电子

9、多余电子自由电子浓度大于空穴浓度多数载流子（多子）N型半導體型半導體+N型硅表示型硅表示P-type Semiconductor (P型半導體)空穴空穴硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被认为带一个空穴被认为带一个单位的正电荷，并单位的正电荷，并且可以移动。且可以移动。N 型半导体和型半导体和 P型半导体型半导体N型型+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由电子自由电子电子数电子数 空穴数空穴数电子为多数载流子电子为多数载流子( (多子多子) )空穴为少数载流子空穴为少数载流子( (少子少子) )载流子数载流子数 = = 电子数电子数 + + 空穴数空穴数 电子数电子

10、数P 型型+3+4+4+4+4+4硼硼原子原子空穴空穴空穴数空穴数 电子数电子数空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数施主施主离子离子施主施主原子原子受主受主离子离子受主受主原子原子半导体掺杂技术半导体掺杂技术热扩散技术热扩散技术离子注入技术离子注入技术浓度差使浓度差使多子多子产生产生扩散运动扩散运动 当参与扩散运动的多子数目和参与漂移运动的少当参与扩散运动的多子数目和参与漂移运动的少子数目相同时，达到动态平衡，就形成了子数目相同时，达到动态平衡，就形成了PN结。结。内电场使内电场使少子少子产生产生漂移运动漂移运动内电场无光照时无光照时,PN结的形成结的形成采用不同

11、的掺杂工艺，将采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与型半导体与N型半导体制作型半导体制作在同一硅片上，在它们的交界面处就会形成在同一硅片上，在它们的交界面处就会形成PN结结太阳电池发电原理示意图太阳电池发电原理示意图PN结受光照后，光伏效应结受光照后，光伏效应半导体吸收光能产生带半导体吸收光能产生带正电和负电的粒子（空正电和负电的粒子（空穴和电子），在内建电穴和电子），在内建电场作用下，电子（）场作用下，电子（）朝朝N型半导体汇集，而型半导体汇集，而空穴（）则朝空穴（）则朝P型半型半导体汇集。如果外电路导体汇集。如果外电路处于开路状态，那么这处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累些光生电子和空穴

12、积累在在pn结附近，使结附近，使p区获区获得附加正电荷，得附加正电荷，n区获得区获得附加负电荷，这样在附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动结上产生一个光生电动势势。光伏电池的光照的详细情况光伏电池的光照的详细情况1.1.电池表面被反射回去的光线电池表面被反射回去的光线2.2.刚进入电池表面被吸收生成电刚进入电池表面被吸收生成电子子- -空穴对的光线，其中大部分空穴对的光线，其中大部分是吸收系数较大的短波光线。它是吸收系数较大的短波光线。它们产生的电子们产生的电子- -空穴对来不及到空穴对来不及到达达PNPN结就很快被复合还原。结就很快被复合还原。3.PN3.PN结附近被吸收生成电子结附近

13、被吸收生成电子- -空穴对的那部分光线。光生空穴对的那部分光线。光生少数载流子在电场作用下漂少数载流子在电场作用下漂移能够产生移能够产生光生电动势。光生电动势。4. 4. 进入电池深处，距离进入电池深处，距离PNPN结较结较远的地方被吸收生成电子远的地方被吸收生成电子- -空穴空穴对的光线，与对的光线，与2 2类似，无用。类似，无用。5.5.被电池吸收，但能量较小不能被电池吸收，但能量较小不能产生电子产生电子- -空穴对的那部分光线，空穴对的那部分光线，只能使电池加热，温度上升。只能使电池加热，温度上升。6.6.没有被吸收透射部分。没有被吸收透射部分。-+-+-+-+下电极下电极光生载流子形成

14、电流的过程光生载流子形成电流的过程光伏电池的工作原理光伏电池的工作原理PN(不照光，平衡狀態)EfEvEcNPPNPNPNPN光子(Photon)-+-+-+-+-+ +- - - -+-+-+太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)-+Photon+- -+EfEvEcPN(照光狀態)+- -+-+-+Photon多數載子多數載子少數載子少數載子+-多數載子多數載子電子-電洞對(Electron-hole pair)EvN TypeSemiconductorP TypeEfEcEfEvEc電子位能Ec : conduction bandEv : valance bandEf :

15、Fermi energy作业作业 1. 用能带理论解释导体和半导体的导电机理。 2. 阐述PN结的形成过程，并画出示意图。2 .2硅型光伏电池的电特性硅型光伏电池的电特性n2.2.1 等效电路等效电路n2.2.2 光伏电池伏安特性曲线光伏电池伏安特性曲线n2.2.3 输出功率和输出因子输出功率和输出因子n2.2.4 输出效率输出效率2.2.1光伏电池的等效电路光伏电池的等效电路PN 少子的漂移，导致少子的漂移，导致P区出现区出现空穴的积聚，空穴的积聚，N区出现电子的积区出现电子的积聚。反过来，这种电荷积聚会消聚。反过来，这种电荷积聚会消弱内建电场，使得少子漂移效应弱内建电场，使得少子漂移效应减

16、弱，光电流输出变小。相当于减弱，光电流输出变小。相当于出现暗电流（出现暗电流（Id）！）！等效电路中符号的说明等效电路中符号的说明L光伏电池的等效电路图光伏电池的等效电路图2.Rs为串联电阻。一般小于为串联电阻。一般小于1. 前面和背面的电极接触，以及材前面和背面的电极接触，以及材料本身具有一定的电阻率。料本身具有一定的电阻率。 3.Rsh为旁路电阻。由于电池边沿的为旁路电阻。由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的

17、大小可用一并联电阻路，这种作用的大小可用一并联电阻RSh来等效来等效 。 1.RL为外负载电阻。为外负载电阻。4.I Id d为暗电流。为暗电流。等效电路图的理想形式等效电路图的理想形式 由于电路中无电源，电压由于电路中无电源，电压U=IRU=IR实际加在太阳电池的结上，实际加在太阳电池的结上，即结处于正向偏置。一旦结处即结处于正向偏置。一旦结处于正向偏置时，二极管电流于正向偏置时，二极管电流I Id d= =I I0 0exp(qU/nkT)-1exp(qU/nkT)-1朝着与光朝着与光激发产生的载流子形成的光电激发产生的载流子形成的光电流流 Ip h相 反 的 方 向 流 动 。相 反 的

18、 方 向 流 动 。0exp1phdphIIIIIqU nkT(1) (1) 因而流入因而流入负载电阻的负载电阻的电流值为电流值为 -(1) -(1)式式测试输出特性测试输出特性PNI0反映光生电池对光生载流子反映光生电池对光生载流子的最大复合能力的最大复合能力问题问题1：为什么可把太阳能电池的内部看成一个电为什么可把太阳能电池的内部看成一个电流源（光电池）和一个硅二极管的复合体：流源（光电池）和一个硅二极管的复合体：n光伏电池无光照时就是一个光伏电池无光照时就是一个PN结，有光照时，结，有光照时，会产生光生电动势和光伏电流。会产生光生电动势和光伏电流。（1）产生光伏电流的原因是：）产生光伏电

19、流的原因是： 光照时，光照时，本征激本征激发产生发产生的的电子聚集在电子聚集在N端端，空穴汇聚在空穴汇聚在P端端，破，破坏了光照前的平衡。电子通过外回路由坏了光照前的平衡。电子通过外回路由N P,电电流是流是P N。（2）载流子的汇聚载流子的汇聚会在PN结内产生一个与结内产生一个与原内原内建电场建电场方向相反的附加电场，在一定程度上降低方向相反的附加电场，在一定程度上降低了了原内建电场原内建电场。相当与。相当与PN节的正向偏置。（节的正向偏置。（如果如果外回路断开外回路断开内建电场和载流子汇聚产生的电场在内部抵消，达到平衡。）内建电场和载流子汇聚产生的电场在内部抵消，达到平衡。）负载 load

20、光伏电池的等效电路图光伏电池的等效电路图L等效电路中各变量之间的关系等效电路中各变量之间的关系0(1)exp1ddIIqUAkT(2)LdphdshUIIIR0exp1LSdphshq UI RUIIAkTRseries resistance 串联电阻shunt resistance 并联电阻反向饱和电流反向饱和电流n 指给指给PNPN结加一结加一反偏电压时反偏电压时，外加的电压使得，外加的电压使得PNPN结的耗尽层变宽，结电场（即内建电场）变大，结的耗尽层变宽，结电场（即内建电场）变大，电子的电势能增加，电子的电势能增加，P P区和区和N N区的区的多数载流子多数载流子（P P区多子为空穴，

21、区多子为空穴，N N区多子为电子）区多子为电子）就很难越过势就很难越过势垒垒，因此，因此扩散电流趋近于零扩散电流趋近于零；n 但是由于结电场的增加，使得但是由于结电场的增加，使得N N区和区和P P区中的区中的少数载流子更容易产生漂移运动少数载流子更容易产生漂移运动，因此在这种情，因此在这种情况下，况下，PNPN结内的电流由起支配作用的结内的电流由起支配作用的漂移电流决漂移电流决定定。漂移电流的方向与扩散电流的方向相反，表。漂移电流的方向与扩散电流的方向相反，表现在外电路上有一个流入现在外电路上有一个流入N N区的反向电流，它是区的反向电流，它是由少数载流子的漂移运动形成的。由于少数载流由少数

22、载流子的漂移运动形成的。由于少数载流子是由本征激发而产生的，在温度一定的情况下，子是由本征激发而产生的，在温度一定的情况下，热激发产生的少子数量是一定的，电流趋于恒定。热激发产生的少子数量是一定的，电流趋于恒定。PN结正向偏置结正向偏置内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强，扩散扩散 飘移，形成正向电流，飘移，形成正向电流，PN结导通结导通正向电流PN结反向偏置结反向偏置内电场增强，抑制扩散、加剧漂内电场增强，抑制扩散、加剧漂移，移，形成反向电流，也称漂移电形成反向电流，也称漂移电流，因为漂移电流是由少子运动流，因为漂移电流是由少子运动引起的，而其数目极少，因此漂引起的，而其数目极少，

23、因此漂移电流很小，常可忽略不计，认移电流很小，常可忽略不计，认为为PN结处于截止状态。结处于截止状态。反向饱和电流反向饱和电流很小，很小， A级级(a)开路电压开路电压当太阳电池处于开路状态时，对当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大小产生电动势，这应光电流的大小产生电动势，这就是开路电压。就是开路电压。理想情况下理想情况下, 流入负载电阻的流入负载电阻的电流值为电流值为 0exp1phdphDIIIIIqUnkT .(2).(2)式式设设=0=0（开路），（开路），phphSCSC，则，则0ln1ocscnkTUIIq开路电压开路电压1ln0IIqnkTVscocshort circuit

24、 n.短路在可以忽略串联、并联电阻的影响时，在可以忽略串联、并联电阻的影响时，I ISCSC为与入射光强度成为与入射光强度成正比的值，正比的值，(a) (a) 在很弱的阳光下，在很弱的阳光下，I ISCSCI0 0，0lnIIqnkTVscoc2.2.2 光伏电池伏安特性曲线光伏电池伏安特性曲线光伏电池伏安特性曲线的光伏电池伏安特性曲线的另外一种表达形式另外一种表达形式图图4. 硅太阳能电池在不同光照下的伏安特性曲线硅太阳能电池在不同光照下的伏安特性曲线2.2.3 输出功率和曲线因子输出功率和曲线因子伏安特性曲线伏安特性曲线 I-V曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵横坐标，即为工

25、作电流和工作电压,其乘积P=IV 为电池的输出功率。最大功率如何确定呢？最大功率如何确定呢？最大输出功率点的确定最大输出功率点的确定n当太阳电池接上负载当太阳电池接上负载RL 时，上图负载线与伏时，上图负载线与伏安特性曲线的交点处的安特性曲线的交点处的IV乘积即为该负载下的乘积即为该负载下的输出功率。输出功率。n等功率线与伏安特性曲线的切点，即为最佳工等功率线与伏安特性曲线的切点，即为最佳工作点。该点处输出功率最大，作点。该点处输出功率最大，Um/Im 为最佳为最佳负载电阻负载电阻 .n为了精确计算最大功率点，可根据伏安特性曲为了精确计算最大功率点，可根据伏安特性曲线绘出线绘出P-U图，求极值

26、即可。图，求极值即可。曲线因子曲线因子n又称填充因子又称填充因子n将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm之比定义为填充因子填充因子FFFF，则scocmmscocmIVIVIVPFFnFF为太阳电池的重要表征参数，FFFF愈大则愈大则输出的功率愈高输出的功率愈高。FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。VocVmImIscIVRm1%100inmPP2.2.4 输出效率输出效率n太阳电池的转换效率转换效率定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能Pin之比，即影响因素n1. 不同波长太阳光穿透能力不同，只有能量大于Eg的光子才能产生电子-空穴对，这一过程太

27、阳辐射能大约损失25%；n2. 任何电池表面对光都有反射作用，辐射光要损失10%左右；n3. 能量大于Eg的光子在半导体内部，由于复合和寿命原因，不能全部生成电子-空穴对；n4. 光伏电池的工作电压一般是开路电压的60%；n5. 串联电阻和并联电阻的影响，往往使输出功率降低5%左右；n6. 曲线因数一般为0.75-0.8.2.3 光伏电池的外特性光伏电池的外特性n2.3.1 光谱响应光谱响应n2.3.2 温度特性和光照特性温度特性和光照特性n2.3.3 负载特性负载特性概述概述n 光伏电池工作光伏电池工作环境环境的多种外部因素，如的多种外部因素，如光光照强度照强度、环境温度环境温度、粒子辐射粒

28、子辐射等都会对电池的等都会对电池的性能指标带来影响，而且性能指标带来影响，而且温度的影响温度的影响和和光照强光照强度度的影响还常常同时存在的影响还常常同时存在.n 为了保证光伏电池具有较高的工作效率和为了保证光伏电池具有较高的工作效率和较稳定的性能，其较稳定的性能，其制造工艺制造工艺、组合安装组合安装，以及，以及在在设计配套的控制系统设计配套的控制系统时，都要考虑改善光伏时，都要考虑改善光伏电池外特性的问题。电池外特性的问题。 2.3.1 光谱响应光谱响应n分析光伏电池的光谱响应，通常是讨论它的分析光伏电池的光谱响应，通常是讨论它的相相对光谱响应对光谱响应，其定义是，其定义是，当各种波长一定等

29、量当各种波长一定等量的辐射光子束人射到光伏电池上，的辐射光子束人射到光伏电池上，所产生的短所产生的短路电流路电流与与其中其中最大最大短路电流短路电流相比较相比较，按波长的，按波长的分布求其比值变化曲线即为相对光谱响应。分布求其比值变化曲线即为相对光谱响应。n而而绝对光谱响应绝对光谱响应指的是，当指的是，当各种波长的单位辐各种波长的单位辐射光能射光能或对应的光子人射到光伏电池上，将产或对应的光子人射到光伏电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求出对应的生不同的短路电流，按波长的分布求出对应的短路电流短路电流变化曲线。变化曲线。硅型光伏电池的相应光谱响应曲线硅型光伏电池的相应光谱响应曲线n 能

30、够产生光生伏能够产生光生伏特效应的太阳辐射波特效应的太阳辐射波长范围一般在长范围一般在0.41.2m左右的左右的范围内；范围内；n 不论是波长小于不论是波长小于0. 4m太阳光分量太阳光分量辐射，还是波长大于辐射，还是波长大于1.2m的太阳光无法的太阳光无法产生光电流；产生光电流；n 而硅型光伏电池而硅型光伏电池光谱响应最大灵敏度光谱响应最大灵敏度在在0.80.95m之间。之间。 硅型光伏电池的相应光谱响应曲线硅型光伏电池的相应光谱响应曲线 2.3.2 温度特性和光照特性温度特性和光照特性Pm=FFIscUocn通过分析可以看到：通过分析可以看到：n1. 温度的升高对硅电池的发电效率有不温度的

31、升高对硅电池的发电效率有不利影响；利影响；n2. 光强越强，发光效果越好。光强越强，发光效果越好。2.3.3 负载特性负载特性光伏电池参数与负载的关系光伏电池参数与负载的关系光伏电池参数与负载的关系光伏电池参数与负载的关系（2）有偏压和有电阻时的伏安特性）有偏压和有电阻时的伏安特性2.4 光伏电池的结构和分类光伏电池的结构和分类n2.4.1 硅型电池结构n2.4.2 光伏电池的组态分类n2.4.3 光伏电池的发展历程n2.4.4 现代光伏电池的发展趋势 2.4.1 2.4.1 硅型光伏电池的结构硅型光伏电池的结构上电极上电极下电极或底电极下电极或底电极扩散顶区扩散顶区基体或衬底基体或衬底n硅光

32、伏电池一般分为硅光伏电池一般分为P P+ +/N/N和和N N+ +/P /P 两种结构。其中两种结构。其中带带+ +的第一位符号表示电池表面光照层。的第一位符号表示电池表面光照层。硅太阳能电池的结构硅太阳能电池的结构太阳能电池单体、组件和方阵 n太阳能电池单体太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为是光电转换的最小单元，尺寸一般为4cm2到到100cm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V, 工工作电流约为作电流约为2025mA/cm2, 一般不能单独作为电源使用一般不能单独作为电源使用。n将将太阳能电池单体太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为

33、进行串并联封装后，就成为太阳能电池组太阳能电池组件件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。的最小单元。n太阳能电池组件太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率，可以满足负载所要求的输出功率 。 太阳能电池组件太阳能电池组件图图1 1 太阳能电池方阵太阳能电池方阵500w500w图2 工人们正在一片占地270英亩的前东德军事基地上铺设弧线阵列的太阳能板，为沃德坡棱兹太阳能园提高4000万兆瓦的电力。该电厂于2008年

34、底完工，是世界上最大的光伏太阳 能电厂。在德国，政府对太阳能电厂会给予奖励。政府的鼓励大大刺激了该国太阳能基础设施的发展。2.4.2 太阳能电池的分类n无机无机太阳能电池太阳能电池n半导体硅半导体硅 (单晶、多晶、单晶、多晶、非晶非晶、复合型等）、复合型等）n化合物半导体（化合物半导体（GaAs、CuInSe、CdTe、InP等）等）n有机太阳能电池有机太阳能电池n有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）n光化学太阳能电池（纳米光化学太阳能电池（纳米TiO2等）等）A A 按照所用材料的不同：按照所用材料的不同：非晶硅太阳能内部结构和背电极非晶硅太阳

35、能内部结构和背电极n 太阳能电池的第一层为太阳能电池的第一层为P P层，即窗口层。下面是层，即窗口层。下面是i i层，层，即太阳能电池的本征层，光即太阳能电池的本征层，光生载流子主要在这一层产生。生载流子主要在这一层产生。再下面为再下面为n n层，起到连接层，起到连接i i和和背电极的作用。背电极的作用。n 最后是背电极和最后是背电极和Al/AgAl/Ag电电极。极。 目前制备目前制备背电极通常背电极通常采用掺铝采用掺铝ZnO(A1),ZnO(A1),或简称或简称AZOAZO intrinsic n 由于由于a-Si(非晶硅非晶硅)多多缺陷的特点，缺陷的特点，a-Si的的p-n结是不稳定的结是

36、不稳定的，而且光，而且光照时光电导不明显，几照时光电导不明显，几乎没有有效的电荷收集。乎没有有效的电荷收集。所以，所以，a-Si太阳能电池基太阳能电池基本结构不是本结构不是p-n结而是结而是p-i-n结。结。 n 掺硼形成掺硼形成P区，掺磷区，掺磷形成形成n区，区，i为非杂质或为非杂质或轻掺杂的本征层轻掺杂的本征层(因为非因为非掺杂的掺杂的a-Si是弱是弱n型型)。n 重掺杂的重掺杂的p、n区在区在电池内部形成内建势，电池内部形成内建势，以收集电荷。太阳光照以收集电荷。太阳光照通过电线产生电流。通过电线产生电流。 非晶硅太阳能电池发电原理非晶硅太阳能电池发电原理 TCOTCO制备成绒面起到减少

37、反射光的作用制备成绒面起到减少反射光的作用。图图2 非晶硅柔性太阳能电池非晶硅柔性太阳能电池 n非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池 无机太阳能电池研究进展无机太阳能电池研究进展单晶硅：澳大利亚新南威尔士大学格林教授发电成本可降低为单晶硅：澳大利亚新南威尔士大学格林教授发电成本可降低为58美分美分/（kWh）20092009年年, SunFab, SunFab system system公司制备出的大型薄膜太阳公司制备出的大型薄膜太阳能电池能电池上图简介上图简介nSunFab system公司的薄膜太阳能面板主要是公司的薄膜太阳能面板主要是在薄膜技术的基础上，利用非晶硅太阳能电池板在薄膜技

38、术的基础上，利用非晶硅太阳能电池板建成世界上面积最大、产能最多的太阳能薄膜电建成世界上面积最大、产能最多的太阳能薄膜电池板。这种做法一方面可以成功降低材料的成本，池板。这种做法一方面可以成功降低材料的成本，另一方面还可以和太阳能产业最高端的制造技术另一方面还可以和太阳能产业最高端的制造技术进行结合。据悉，该公司的薄膜太阳能面板主要进行结合。据悉，该公司的薄膜太阳能面板主要采用无框架设计，从而采用无框架设计，从而解决了薄膜太阳能面板防解决了薄膜太阳能面板防水效果差和使用时间长会导致面板结构整体性受水效果差和使用时间长会导致面板结构整体性受损这两大主要难题损这两大主要难题。 图图1 肖特基型有机太

39、阳能电池原理肖特基型有机太阳能电池原理 有机半导体内的电子在光照下被从HOMO能级激发到LUMO能级，产生一对电子和空穴。电子被电子被低功功函数低功功函数的电极提取，电极提取，空穴则被来自高功函数电空穴则被来自高功函数电极的电子填充极的电子填充，由此在光由此在光照下形成光电流。照下形成光电流。 理论上，有机半导体有机半导体膜膜与两个不同功函数的电极接触时，会形成不同的肖特基势垒。这是光致电荷能定向传递的基础。因而此种结构的电池通常被称为“肖特基型有机太阳能电池”。 HOMO：Highest Occupied Molecular Orbital 电子已占有的最高能级轨道LUMO：Lower Un

40、occupied Molecular Orbital 未占有电子的能级最低的轨道氧化铟锡氧化铟锡(Indium-Tin Oxide)透明导电膜玻璃透明导电膜玻璃有机太阳能电池原理有机太阳能电池原理有机半导体膜有机半导体膜n 实现这个突破的是位华人，柯达公司的实现这个突破的是位华人，柯达公司的邓青云邓青云。这。这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料，主要还是具个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料，主要还是具有高可见光吸收效率的有高可见光吸收效率的有机染料有机染料。这些染料通常也被用作。这些染料通常也被用作感光材料，这自然是柯达的强项。邓青云的器件之核心结感光材料，这自然是柯达的强项。邓青云的

41、器件之核心结构是构是由四羧基苝的一种衍生物（由四羧基苝的一种衍生物（PV）和铜酞菁（）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜组成的双层膜。双层膜的本质是一个异质结，思路是。双层膜的本质是一个异质结，思路是用用两种有机半导体材料两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池。来模仿无机异质结太阳能电池。他制备的太阳能电池，光电转化效率达到他制备的太阳能电池，光电转化效率达到1左右。虽然左右。虽然还是跟硅电池差得很远，但相对于以往的肖特基型电池却还是跟硅电池差得很远，但相对于以往的肖特基型电池却是一个很大的提高。这是一个成功的思路，为有机太阳能是一个很大的提高。这是一个成功的思路，为有机太阳能电池研究开拓

42、了一个新的方向，时至今日这种双层膜异质电池研究开拓了一个新的方向，时至今日这种双层膜异质结的结构仍然是有机太阳能电池研究的重点之一。结的结构仍然是有机太阳能电池研究的重点之一。常见的有机半导体n有机物类包括芳烃、染料、金属有机化合物，如紫精、酞菁、孔雀石绿、若丹明B等 ；n聚合物类包括主链为饱和类聚合物和共轭型聚合物，如聚苯、聚乙炔、聚乙烯咔唑、聚苯硫醚等 ；n电荷转移络合物由电子给予体与电子接受体二部分组成，典型的有四甲基对苯二胺与四氰基醌二甲烷复合物。 光化学太阳能电池的结构及工作原理光化学太阳能电池的结构及工作原理染料敏化纳米薄膜太阳电池染料敏化纳米薄膜太阳电池 它通过染料光敏化剂吸收太

43、阳光的能量，使染料分子中的电子它通过染料光敏化剂吸收太阳光的能量，使染料分子中的电子发生跃迁，最后电子进入收集电极，通过外回路产生电流。发生跃迁，最后电子进入收集电极，通过外回路产生电流。 光化学太阳能电池原理光化学太阳能电池原理B 按照电池结构分类n1. 同质结光伏电池n2. 异质结光伏电池n3. 肖特基结光伏电池n4. 薄膜光伏电池n5. 叠层光伏电池2. 异质结光伏电池n指在不同禁带宽度的两种半导体材料相接的界面上构成一个异质P-N结的光伏电池。n禁带宽度（ev）：单晶Si-1.12，非晶Si-1.8，InP-1.35， CdTe-1.451.5， CaAs-1.424 CuInSe2-

44、0.961.04 。常见的异质结太阳能电池：1. SnO2/n-Si异质结太阳电池2. InGaN/Si异质结太阳能电池 3. aSi/cSi异质结结构太阳能电池 3.肖特基结光伏电池n指用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的光伏电池（又称MS光伏电池）。n原理：在一定条件下金属-半导体接触时产生类似于P-N结可整流接触的肖特基效应。n发展：由MS发展为MIS（金属-绝缘体-半导体）光伏电池。5.叠层光伏电池n指将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠在一起构成的光伏电池。n原理：鉴于波长短的光子能量大，在Si中穿透深度小的特点，充分利用太阳光中不同波长的光。n通常，让波长最短的光线被最上边

45、的宽禁带材料电池吸收，波长较长的光线能透进去让下边禁带较窄的半导体材料吸收，最大限度将太阳光变成电能。1. 1. 第一代光伏电池第一代光伏电池基于基于silicon wafers（硅晶），采用单晶硅和多晶硅及（硅晶），采用单晶硅和多晶硅及GaAs材材料制成。料制成。2004年第一代光伏太阳能电池约占产品市场的年第一代光伏太阳能电池约占产品市场的86%。优缺点：优缺点：工艺成熟，具有较高的转换效率；但成本较高，硅晶体的尺寸不能满足大面积的要求。目前，圆形单晶硅片的主流产品是200mm (8英寸），逐渐向300mm过渡， 研制水平达到400 450 mm。由于制作晶体硅光伏电池的硅材料占总成本的4

46、5%以上，生产成本太高，而且制作全过程中还需消耗大量的能源。2.4.3 光伏电池的发展进程2. 2. 第二代光伏电池第二代光伏电池- 是基于薄膜技术的一种光伏电池。电池在薄是基于薄膜技术的一种光伏电池。电池在薄膜中，很薄的光电材料被铺在衬底上。厚度为晶膜中，很薄的光电材料被铺在衬底上。厚度为晶体硅光伏电池的体硅光伏电池的1/100到到1/10。构成薄膜的材料有很多种，主要包括多晶硅多晶硅，非晶硅非晶硅（-Si amorphous silicon),硫化镉(cadmium sulphide )，铜铟铜铟硒硒(copper indium diselenide)，碲化镉碲化镉(c a d m i u

47、 m T e l l u r i d e )。第二代虽然具有很大的成本潜力。但其转换效率更低，只有转换效率更低，只有6-10%6-10%。 薄膜电池的优势薄膜电池的优势n虽然目前晶硅电池占主流目前晶硅电池占主流，薄膜电池也还存在种种薄膜电池也还存在种种问题需要解决问题需要解决，但是薄膜电池有其独特的优势使得，但是薄膜电池有其独特的优势使得发展前景广阔发展前景广阔：（1）转换效率和生产成本改善空转换效率和生产成本改善空间巨大间巨大；（；（2）生产工序相对简单、生产能耗少；）生产工序相对简单、生产能耗少；（3）应用范围广泛）应用范围广泛。n美国的薄膜产商FirstSolar发展非常迅速，后来者居上

48、，已成为世界第一大太阳能电池企业；根据NanoMarkets预测，09-15年薄膜电池产量还将有16倍的增长空间，复合增速高达58%；而按照国内目前各厂商的扩产计划，国内薄膜太阳能电池企业的扩产大幅扩产将将拉动TCO玻璃玻璃需求高增长。 TCO（Transparentconductingoxide ）3. 第三代光伏电池第三代光伏电池综述n1. 简单地说，第一代光伏发电技术以晶体硅生产光电池为简单地说，第一代光伏发电技术以晶体硅生产光电池为核心的技术；核心的技术；n2. 第二代光伏发电技术是指品种繁多的薄膜电池。从行业第二代光伏发电技术是指品种繁多的薄膜电池。从行业来看，发展光伏用晶体硅还是薄

49、膜争论从未停息。但业内来看，发展光伏用晶体硅还是薄膜争论从未停息。但业内普遍认为，无普遍认为，无 论第一代技术还是第二代技术，都存在高耗论第一代技术还是第二代技术，都存在高耗能、高污染的问题，能、高污染的问题，n3. 第三代光伏发电技术则是一种完全第三代光伏发电技术则是一种完全“绿色绿色”的光伏发电的光伏发电技术，其技术，其“绿色、高效、价廉、寿命长绿色、高效、价廉、寿命长”等特点将改变光等特点将改变光伏上游产业伏上游产业“两高两高”现状。具体地说，第三代光伏发电技现状。具体地说，第三代光伏发电技术就是使用术就是使用“太阳能炼硅太阳能炼硅+跟踪跟踪+聚光聚光+高效聚光硅电池高效聚光硅电池”技术

50、发电。这是与第一代和第二代最本质的技术区别。技术发电。这是与第一代和第二代最本质的技术区别。 从图从图1 1所给出的三所给出的三代太阳能电池的代太阳能电池的成本和转换效率成本和转换效率区间图可以看出，区间图可以看出，第三代太阳能电第三代太阳能电池转换效率最高池转换效率最高可以接近可以接近60%60%，而，而成本只在成本只在1010美分美分/ /瓦到瓦到5050美分美分/ /瓦之瓦之间，相当于目前间，相当于目前主流技术的主流技术的1/301/30到到1/61/6。 1. 1. 组装工艺质量检查组装工艺质量检查 o普通检测是用目测检查和光学仪器检查，精密检测可用普通检测是用目测检查和光学仪器检查，

51、精密检测可用红外线发射法、声发射法、红外显微镜和全息照相技术等红外线发射法、声发射法、红外显微镜和全息照相技术等来检测焊接质量。来检测焊接质量。o其质量标准分为功能性和装饰性两类。功能性质量问题其质量标准分为功能性和装饰性两类。功能性质量问题直接影响到直接影响到光伏阵列光伏阵列的性能指标、可靠性和寿命的性能指标、可靠性和寿命;而装饰而装饰性间题则影响不大。其中性间题则影响不大。其中光伏电池光伏电池组件断裂、用于防尘防组件断裂、用于防尘防湿的盖板断裂、电池和盖板间的乳合胶厚度发生变化、部湿的盖板断裂、电池和盖板间的乳合胶厚度发生变化、部分脱胶、焊点脱焊或漏焊都属于功能性的问题分脱胶、焊点脱焊或漏

52、焊都属于功能性的问题;而电池表而电池表面变色、少量多余的粘合胶溢出等则可认为是装饰性问题。面变色、少量多余的粘合胶溢出等则可认为是装饰性问题。 o对于光伏电池板和光伏阵列的组装工艺检查主要是检查对于光伏电池板和光伏阵列的组装工艺检查主要是检查其外观质量，它是保证光伏发电工程质量非常重要的环节。其外观质量，它是保证光伏发电工程质量非常重要的环节。主要检查的内容包括主要检查的内容包括光伏电池板表面光伏电池板表面、串并联接串并联接点的焊接质量点的焊接质量、封装板的胶接质量封装板的胶接质量等。等。2.电性能测试电性能测试. . 电性能电性能测试光源测试光源的发展的发展 早期进行光伏电池或光伏阵列的电性能测试，所早期进行光伏电池或光伏阵列的电性能测试，所用光源只是用光源只是理想天气条件下的自然光源理想天气条件下的自然光源，它的，它的优势是优势是：可使大面积的光伏阵列均匀受光，测量结果真实可信，可使大面积的光伏阵列均匀受光，测量结果真实可信，经济实用经济实用; ; 缺点是：缺点是：好天可遇不可求，同时自然光源