【《光伏器件及太阳能电池发电原理分析》5300字】

光伏器件及太阳能电池发电原理分析目录TOC\o"1-2"\h\u2156光伏器件及太阳能电池发电原理分析 128721.1半导体及其物理属性 125411.2半导体种类 4314061.3载流子运输 569741.4电池p-n结形成与原理 7298971.5太阳能电池特性 81.1半导体及其物理属性半导体是一种在正常温下导电性能处于导体与绝缘体之间的材料，并且其电学属性随温度的变化而发生相应改变。半导体在电力电子、太阳能电池、光伏发电，集成电路等领域都有应用，如二极管就是采用半导体制作的器件。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。几乎所有的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，其中硅是所有半导体材料应用中最具有影响力的一种。半导体是由许多单原子组成的，它们以有规律的周期性的结构键合在一起，然后排列成型，借此，每个原子都被8个电子包围着。一个单原子由原子核和核外电子构成，原子核则包括了质子（带正电荷的粒子）和中子（电中性的粒子），而电子则围绕在原子核周围。电子和质子拥有相同的数量，因此一个原子的整体是显电中性的。图1.1半导体结构图1.1.1化学键半导体材料的电学特性与材料原子的化学键有着密切的联系。对于硅来说，多个单独的硅原子组成半导体，原子间由周期性出现的结构键相连接而排列成型，每个独立的硅原子的外壳层有4个电子，硅晶体中相邻的硅原子与对方公用两个价电子从而形成稳定的8电子壳层。由于独立的原子是由原子核和电子构成，而原子核包括带正电的质子和呈电中性的中子，电子与质子数量相等，那么原子整体呈现电中性。半导体中的价键结构是半导体材料性能的决定因素，其作用为限制电子所占据的能级和电子在晶格间的移动。而在半导体材料中，原子周围的电子均为共价键（相邻原子各拿出一个电子与对方公用，保持原子被8个电子所包围）的一部分。电子被共价键所束缚在原子周围的地方。正由于其无法移动或改变自身能量，共价键中的电子是不自由的，无法参与电流的流动、能量变化以及太阳能电池工作时的相关物理过程。图1.2所示为硅中电子在晶格中的运动。价键的存在导致了电子有两个不同能量状态。低能量电子处于价带之中高能量电子成为自由电子表1.1电子的两个不同能量状态电子不能处在这两个能带之间的能量区域。它要么束缚在价键中除于低能量状态，要么获得足够能量摆脱共价键，但它吸收的能量有个最低限度，这个最低能量值被叫做半导体的“禁带”。图1.2硅晶体中硅原子、共价键的排布以及电子运动示意图1.1.2能带结构在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。而：晶体中原子之间的相互作用，使能级分裂形成能带。晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有5×1022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化，从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。半导体的禁带宽度是指一个电子从价带运动到能参与导电的自由状态所需要吸收的最低能量值。能带图中：半导体中比较低的能级被叫做“价带”（Ev，valenceband）而处于其中的电子能被看成自由电子的能级叫“导带”(Ec)。处于导带和价带之间的便是禁带（Eg）了。图1.3电子在半导体能带中的示意图图1.4绝缘体、半导体、导体的能带示意图1.2半导体种类虽然半导体各式各样的种类很多，但是总的来讲可以分为本征半导体和杂质半导体两种而杂志半导体主要可以分为N型半导体和P型半导体两类。1.1.1本征半导体本征半导体是指完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体，一般是指其导电能力主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。典型的本征半导体有硅、锗及砷化镓等。本征半导体材料完全纯净，不含杂质，晶格完整，因为内部的共价键被本征激发（部分价带中的电子越过禁带进入空带，形成能在外部电场下自由移动的电子和空穴）而导电，所谓本征半导体就是一块没有杂质和缺陷的半导体。本征半导体的材料特性，使其具有本征导电现象：温度等于绝对温度价带中所有量子态都被电子占据，而导带中所有量子态都是空的。温度大于零度就会有电子从价带由于本征激发跃迁至导带，同时在价带中产生空穴。在室温下半导体拥有足够的自由电子使其导电，然而在到达或接近绝对零度的时候，它就像一个绝缘体。表1.2本征导电现象在本征半导体中由于电子和空穴是成对产生的，导带中电子的浓度no应等于价带中空穴的浓度Po，即有：no=Po.1.1.2N型半导体在纯净的半导体中掺入杂质，杂质电离后，导带中的导电电子增多，增强了半导体的导电能力。通常把主要依靠导带电子导电的半导体称为电子型或n型半导体。对于N型半导体电子是多数载流子，简称多子，空穴是少数载流子，简称少子。1.1.3P型半导体在纯净的半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力。通常把主要依靠空穴导电的半导体称为空穴型或p型半导体。对于p型半导体：空穴浓度p>>电子浓度n；空穴是多数载流子，简称多子，电子是少数载流子，简称少子。图1.5通过在硅晶格中掺入不同杂志产生的P、N型半导体材料1.3载流子运输1.3.1平衡载流子浓度在没有外加偏压的情况下，导带和价带中的载流子浓度就叫平衡载流子浓度。对于多子来说，其平衡载流子浓度等于本征载流子浓度加上掺杂入半导体的自由载流子的浓度。在多数情况下，掺杂后半导体的自由载流子浓度要比本征载流子浓度高出几个数量级，因此多子的浓度几乎等于掺杂载流子的浓度。在平衡状态下，多子和少子的浓度为常数，由质量作用定律可得其数学表达式。n0p0=ni2式中ni表示本征载流子浓度，n0和p0分别为电子和空穴的平衡载流子浓度。1.3.2光的吸收入射到半导体表面的光子要么在表面被反射，要么被半导体材料所吸收，或者两者都不是，即只是从此材料透射而过。对于光伏器件来说，反射和透射通常被认为损失部分，就像没有被吸收的光子一样不产生电。如果光子被吸收，将在价带产生一个电子并运动到导带。决定一个光子是被吸收还是透射的关键因素是光子的能量。基于光子的能量与半导体禁带宽度的比较，入射到半导体材料的光子可以分为三种：Eph<Eg光子能量Eph小于禁带宽度Eg光子与半导体的相互作用很弱，只是穿过，似乎半导体是透明的一样。Eph=Eg光子的能量刚刚好足够激发出一个电子-空穴对，能量被完全吸收。Eph>Eg光子能量大于禁带宽度并被强烈吸收。表1.3入射到半导体材料的光子种类1.3.3半导体中的载流子运动导带中的电子和价带中的空穴之所以被叫做自由载流子，是因为它们能在半导体晶格间移动。一个很简单但在多数情况下都适用的对载流子运动的描述是，在一定温度下，在随机方向运动的载流子都有特定的速度。在与晶格原子碰撞之前，载流子在随机方向运动的距离长度叫做散射长度。一旦与原子发生碰撞，载流子将往不同的随机方向运动。载流子的速度决定于晶格的温度。在温度为T的半导体内载流子的平均运动能量为mv2/2，其中m为载流子的质量，v代表热运动速度。热运动速度指的是载流子速度的平均值，因：载流子的速度是分散的、不均匀的，有些速度快有些则很慢。图1.6载流子漂移1.4电池p-n结形成与原理采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结（英语：PNjunction）。PN结具有单向导电性，是电子技术中许多器件所利用的特性，例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础。在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内自由电子为多子，空穴几乎为零称为少子，而P型区内空穴为多子，自由电子为少子，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。由于自由电子和空穴浓度差的原因，有一些电子从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。开路中半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个空间电荷区，空间电荷区的薄厚和掺杂物浓度有关。在空间电荷区形成后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区形成了内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，阻止扩散。另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，内电场减弱。因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，扩散运动加强。最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。图1.4P-N结结构1.5太阳能电池特性本节将重点讨论太阳能光谱响应和影响太阳能工作特性的环境因素。由于大部分商用太阳能电池组件都在室外环境下工作，其受外界因素影响较大。因此研究太阳能电池的外部环境影响因素就显得极其重要。本节将依此详细阐述：太阳电池对入射太阳光的光谱响应；环境温度对太阳电池的影响；太阳电池内部寄生电阻对电池性能的影响。1.5.1光谱响应当单个光子的能量Eph比构成电池的半导体材料的禁带宽度Eg大时，太阳能电池就会吸收这个光子并产生一个电子空穴对，在这种情况下，太阳能电池对入射光的光子产生响应。Eph超出Eg的部分迅速以热量形式散失。太阳能电池的量子效率（QuantumEfficiency,QE)可以定义为：假设照射到太阳能电池上的光子流为nph，这些光子可在电池内部产生电子空穴对(ne=ILq),最终这些载流子对太阳能电池输出电流产生贡献的概率。a)外量子效率（ExternalQuantumEfficiency,EQE)：太阳能电池内部载流子的数量与射入太阳能电池表面光子数量的比值[1]。b)内量子效率(InternalQuantumEfficiency,IQE)：太阳能电池内部载流子的数量与既没有被太阳能电池表面发射也未能穿透太阳能电池光子数量的比值。通常情况下EQE>IQE。图1.5波长小于400nm的光在厚度0.01μm的硅中被完全吸收；波长大于1000nm的光在175μm的硅中没有被完全吸收。1.5.2太阳能电池的参数1)短路电流（Isc）——将太阳能电池放置于标准光源条件下，将输出端短路（V=0）时，流过太阳能电池两端的电流。2)开路电压（Voc）——将太阳能电池置于标准光源条件下，将电源两端开路，太阳能电池所输出的电压值。如图1.6开路电压值随光照辐射强度的增强呈现出对数方式的增长，该特性使得太阳能电池适用于为蓄电池充电[18,19]。图1.6太阳能电池I-V曲线Pmp为最大功率点填充因子（FillFactor,FF）——太阳能电池输出特性最重要的衡量指标就是他填充因子，其标志着太阳能电池在最佳负载状态下输出最大功率，填充因子与电池的输出功率成反比，同时填充因子也是衡量太阳能电池所用P-N结质量和串联电阻阻值的重要参数。填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路VOC和ISC的乘积的比值。FF=如图1.7显然地，当填充因子的数值接近1时电池质量更好。电阻串并联对填充因子有较大影响，串联电阻越大，短路电流随之下降，则填充因子降低；而电阻并联的情况下填充因子的变化则相反。图1.7电阻串并联对填充因子的影响太阳能电池转换效率η发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。效率定义为电池输出的电能与射入电池的光能的比例。除了反映太阳能电池的性能之外，效率还决定于入射光的光谱和光强以及电池本身的温度。所以在比较两块电池的性能时，必须严格控制其所处的环境。（1）测量陆地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度25°C。（2）空间太阳能电池的光照则为AM0。计算电池效率的方程：Pη=综上所述，提高太阳能电池效率，必须提高开路电压Uoc，短路电流Isc和填充因子FF这三个基本参量。而这3个参量之间往往是相互牵制的，如果单方面提高其中一个，可能会因此而降低另一个，以至于总效率不仅没提高反而有所下降。因而在选择材料，设计，工艺时必须全盘考虑，力求使3个参量的乘积最大1.5.3电阻效应太阳能电池的特征电阻就是指电池在输出最大功率时的输出电阻。此参数在分析电池特性，特别是研究寄生电阻损失机制时非常重要。电池的电阻效应以在电阻上消耗能量的形式降低了电池的效率。其中最常见的寄生电阻为串联电阻和并联电阻。在大多数情况下，寄生电阻对电池的最