太阳能电池的研究与开发

太阳能电池的研究与开发

太阳能电池是利用半导体器的光谱电泳效应（光学效应）制成的半导体器，也是利用电离辐射效应的应用。太阳能电池(solarcell)在太空中及地球上的应用均非常广泛,他提供了人造卫星长时期的动力供应,并且是地球能量来源的一个重要选择,因为他能以高转换效率将日光直接转换成电能,能提供低成本而近乎永恒的动力,且几乎没有污染。1太阳能电池生产电路硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构,如图1所示。其中,第一个符号,即P+和N+,表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型;第二个符号,即N和P,表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。在太阳光或其他照射时,太阳能电池输出电压的极性,P型一侧电极为正,N型一侧电极为负。当太阳能电池作为电源与外电路连接时,太阳能电池在正向状态下工作。当太阳能电池与其他电源联合使用时,如果外电路的正极与电池的P电极连接,负极与电池的N电极连接,则外电源向太阳能电池提供正向偏压;如果外电源的正极与电池的N电极连接,负极与P电极连接,则外电源向太阳能电池提供反向偏压。2太阳电池的性能参数(1)太阳能电池输出电压开路电压UOC,即将太阳能电池置于100mW/cm2的光源照射下,在两端开路时,太阳能电池的输出电压值。可用高内阻的直流毫伏计测量电池的开路电压。(2)太阳能电池两端电流短路电流ISC,就是将太阳能电池置于标准光源的照射下,在输出端短路时,流过太阳能电池两端的电流。测量短路电流的方法,是用内阻小于1Ω的电流表接在太阳能电池的两端。(3)太阳能电池伏安特性太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的,将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大,即可获得最大输出功率,用符号Pm表示。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流,分别用符号Um和Im表示,Pm=UmIm。(4)ffvoc的测试方法太阳能电池的另一个重要参数是填充因子FF,他是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比:FF=PmUOCISC=UmImUOCISC(1)FF=ΡmUΟCΙSC=UmΙmUΟCΙSC(1)FF是衡量太阳能电池输出特性的重要指标,是代表太阳能电池在带最佳负载时,能输出的最大功率的特性,其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。FF的值始终小于l。FF可由下列经验公式给出:FF=VOC−ln(VOC+0.72)VOC+1(2)FF=VΟC-ln(VΟC+0.72)VΟC+1(2)式(2)中VOC是归一化的开路电压,即UOC/(nKT/q)。当VOC>15时,该公式的精度可达4位有效数字。实际上,由于受串联电阻和并联电阻的影响,实际太阳能电池填充因子的值要低于上式所给出的理想值。串、并联电阻对填充因子有较大影响,如图2所示。串联电阻越大,短路电流下降越多,填充因子也随之减少的越多;并联电阻越小,这部分电流就越大,开路电压就下降的越多,填充因子随之也下降的越多。(5)太阳能电池透照厚度与材料禁带宽度太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率,等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比:η=PmPin⋅FF⋅UOC⋅ISCPin(3)η=ΡmΡin⋅FF⋅UΟC⋅ΙSCΡin(3)地面用太阳能电池的测试标准为:大气质量为AM1.5时的光谱分布(具体规定可参见有关我国国家标准和国际标准),入射的太阳辐照度为1000W/m2,温度为25℃。在此条件下太阳能电池的输出功率定义为太阳能电池的峰瓦数,用符号表示为WP(peakwatt)。太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数,他与电池的结构、结特性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。其中与制造电池半导体材料禁带宽度的关系最为直接。首先,禁带宽度直接影响最大光生电流即短路电流的大小。由于太阳光中光子能量有大有小,只有那些能量比禁带宽度大的光子才能在半导体中产生光生电子——空穴对,从而形成光生电流。所以,材料禁带宽度小,小于他的光子数量就多,获得的短路电流就大;反之,禁带宽度大,大于他的光子数量就少,获得的短路电流就小。但禁带宽度太小也不合适,因为能量大于禁带宽度的光子在激发出电子-空穴对后剩余的能量转变为热能,从而降低了光子能量的利用率。其次,禁带宽度又直接影响开路电压的大小。开路电压的大小和P-N结反向饱和电流的大小成反比。禁带宽度越大,反向饱和电流越小,开路电压越高。3太阳能电池特性图3是P-N结太阳能电池的示意图。他包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。当电池暴露于太阳光谱时,能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg,大于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此,在太阳能电池的设计和制造过程中,必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。太阳能电池的能带、电路及等效电路如图4所示。其中,RL为电池的外负载电阻。把太阳能电池接上负载,负载中便有电流流过,该电流称为太阳能电池的工作电流,也称负载电流或输出电流。负载两端的电压称为太阳能电池的工作电压。一个理想的太阳能电池,串联电阻RS很小,而并联电阻Rsh很大。由于RS和Rsh是分别串联和并联在电路中的,所以在进行理想的电路计算时,他们可以忽略不计。此时,流过负载的电流为IL为:IL=ISC−ID(4)ΙL=ΙSC-ΙD(4)采用单二极管模型,理想情况下太阳电池的电压-电流特性(伏-安特性)可以写为:IL=ISC−I0(eqU/AKT−1)(5)ΙL=ΙSC-Ι0(eqU/AΚΤ-1)(5)式(4),(5)中:ID为太阳电池的暗电流或漏电流,单位A;I0为P-N结的反向饱和暗电流,单位A;q为电子电荷,单位C;K为玻尔兹曼常数;T为热力学温度,单位K;A为常数因子(正偏电压大时A值为1,正偏电压小时A值为2);e为自然对数的底。研究表明,决定I0大小的关键参数是半导体材料的禁带宽度Eg,以下的经验公式给出了I0的低限:I0≥1.5×105exp(−Eg/KT)(6)Ι0≥1.5×105exp(-Eg/ΚΤ)(6)在短路状态下,U=0,由式(5)可得到:IL=ISC(7)ΙL=ΙSC(7)在开路状态下,且IL=0时,电压U即为UOC,用式(8)表示:UOC=AKTqln(ISCI0+1)(8)UΟC=AΚΤqln(ΙSCΙ0+1)(8)式(8)是开路电压的表达式,表明要提高太阳电池的开路电压,必须提高短路电流和反向饱和电流的比值。根据式(5)和式(8)做图,可得到太阳能电池的伏-安关系曲线,如图5所示。这个曲线,可简称为I-U曲线。图5中,曲线1,是二极管的暗伏安关系曲线,即无光照时太阳能电池的I-U曲线;曲线2,是电池接受光照后的I-U曲线,他可由无光照时I-U曲线向第4象限位移ISC量得到。经过坐标变换,最后可得到常用的光照太阳能电池的伏安特性曲线,如图6所示。太阳能电池的伏安特性曲线显示了通过太阳能电池(组件)传送的电流与电压在特定的太阳辐照度下的关系。对于实际的太阳电池来说,必须考虑P-N结的品质和实际存在的串联电阻RS,并联电阻Rsh。串联电阻包括扩散层的薄层电阻、基区材料本身的电阻、电极与半导体的接触电阻、电极的电阻等;并联电阻包括P-N结的漏电阻及电池边缘的漏电阻等,他是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的。因此考虑串并联电阻的影响后太阳电池的伏-安特性为:IL=ISC−I0(eq(U+ILRS/nKT−1)−U+ILRSRsh(9)ΙL=ΙSC-Ι0(eq(U+ΙLRS/nΚΤ-1)-U+ΙLRSRsh(9)式中,n称为P-N结的品质因子。在一定的光照下,太阳电池产生一定的电流ISC,其中一部分是流过P-N结的暗电流,另一部分是供给负载的电流。故可把光照P-N结看作是一个恒流源与理想二极管的并联组合,恒流源的