新能源发电技术第7讲 太阳能电池工作原理

1、第三章太阳能光伏发电技术、3.1 .太阳能光伏发电的历史和现状3.2太阳能电池片的工作原理3.3太阳能电池片制造工艺3.4太阳能电池片发电系统设备构成3.5独立光伏发电系统3.6并网光伏发电系统，第二节太阳能电池的工作原理、太阳能电池的工作原理、基本原理太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应， 也就是说，如果半导体材料接受光，则载流子数量急剧增加，与之相伴，导电能力增强，这是半导体的感光特性。 基本原理是太阳光照射到半导体上时，其一部分在表面反射，其馀的被半导体吸收或透过。 吸收的光当然一部分变为热量，其他光子与构成半导体的原子价电子碰撞，产生电子空穴对。 于是，光能以产生电子空穴对的形式

2、被转换为电能。 基本原理是，若半导体内存在PN结电容，则在p型和n型的界面的两侧形成势垒电场，能够在n区域驱动电子，在p区域驱动空穴，因此，在n区域存在过剩的电子，在p区域存在过剩的空穴，在PN结电容附近形成与势垒电场相反方向的光的电场。 基本原理是，p型层和n型层分别焊接金属引线，接通负载后，外部电路中就会流过电流。 这样形成的一个电池元件当将它们串联、并联连接时，产生一定的电压和电流，能够输出电力。 制造基本原理、基本原理、太阳能电池片的半导体材料已有十种，所以太阳能电池片的种类也很多。 目前技术最成熟，有商业的价值的太阳能电池片必须计算为硅太阳能电池片。 以硅太阳能电池片为例，详细介绍了

3、太阳能电池片的工作原理。 一、太阳能电池片的物理基础、一、本征半导体物质的导电性能取决于原子结构。 导体一般是低价格元素体，其最外层的电子容易从原子核的束缚变成自由电子，在外电场的作用下发生取向移动，形成电流。 高价的元素体(惰性瓦斯气体等)和高分子物质(橡胶等)，其最外层的电子被原子核束缚的力很强，难以成为自由电子，因此导电性极其差，成为绝缘体。 常用的半导体材料硅(Si )和锗(Ge )都是四价元素体，其最外层的电子不像导体那样容易脱离原子核的束缚，也不像绝缘体那样受原子核束缚，因此两者之间就有电导性。 1、本征半导体、定义：把纯半导体经过一定的工艺制成单晶是本征半导体。 晶体中的原子形成

4、空间排列的晶格，邻接的原子形成共价键。 共价键、1、本征半导体、晶体中的共价键具有非常强的结合力，因此在常温下，只有极少数的价电子通过热运动(热激发)获得一盏茶的能量，挣脱共价键的束缚，成为自由电子。 和云同步，共价键留下了空穴。 原子因失去一个价电子而带正电，或者空穴带正电。 在本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，即自由电子和空穴的数量相等。 1、本征半导体、本征激发：半导体在光或热辐射激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。 空穴、自由电子、1、本征半导体、复合：自由电子在运动过程中与空穴相遇时填充空穴，将两者消失于云同步的现象称为复合现象。 在一定的温度下，固有激发产生的自由电子

5、和空穴对，由于与复合的自由电子和空穴对的数量相等，因此达到了动态平衡。1、本征半导体、乐队理论：单一原子中的电子在绕核运动时，各轨道上的电子分别越接近具有特定能量的核的轨道，则电子能量越低，基于最小原理的电子总是优先占有最低能量水平，乐队理论是本征激发，1、本征半导体， 乐队理论：价电子所占的乐队称为价电子乐队的价电子带上有禁带，禁带中不存在电子所占的能级的禁带上是导带，导带中的能级是价电子脱离共价键的束缚，成为自由电子能够占据的能级的禁带宽度用Eg表示，其值是半导体的在T=300K的情况下，硅的Eg=1.1eV； 锗的Eg=0.72eV。 2、非本征半导体、非本征半导体：采用扩散工艺，在本征

6、半导体中混入少量杂质元素体，可得到非本征半导体。 通过控制能够形成n型半导体和p型半导体的杂质元素体而不是被掺杂的杂质元素体的浓度，能够控制非本征半导体的导电性。 2、非本征半导体、n型半导体：在纯粹的硅结晶中加入五价元素体(例如磷)，置换晶格中的硅原子位置，形成n型半导体。 自由电子、施主原子、2、非本征半导体在杂质原子的最外层有5个价电子，因此除了与其周围的硅原子形成共价键外，还增加了1个电子。 大多数电子不受共价键束缚，成为自由电子。 在n型半导体中，由于自由电子的浓度比空穴的浓度大，所以将自由电子称为多数载流子，将空穴称为少数载流子。 由于杂质原子供给电子，所以被称为施主原子。 2、非

7、本征半导体、p型半导体：在纯粹的硅结晶中混入三价元素体(例如硼)，置换晶格中的硅原子的位置，形成p型半导体。 由于空穴、受主原子、空穴、2、非本征半导体在杂质原子的最外层具有3个价电子，所以当它们与周围的硅原子共价键合时，产生“空穴”，当硅原子的最外层电子填埋该空穴时，在共价键上产生空穴。 因此，在p型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。 杂质原子中的空穴吸收电子，因此被称为受主原子。 3、PN结电容、PN结电容：采用不同的掺杂大头针技术，在同一硅片上制作p型半导体和n型半导体，并在它们的界面形成PN结电容。 正络离子、还原离子、空穴、自由电子、空间电荷区、p区、n区、n区、p区、3、PN结

8、电容、扩散运动：物质总是从高浓度表兄弟运动到低浓度表兄弟运动，这种基于浓度差的运动称为扩散运动。 当制作p型半导体和n型半导体时，在它们的界面上，由于两载流子的浓度差大，所以p区域的空穴必须向n区域扩散，与此同时，n区域的自由电子也必须向p区域扩散。 3、关于PN结电容，由于扩散到p区域的自由电子和空穴复合，扩散到n区域的空穴和自由电子复合，因此在界面附近多子的浓度降低，在p区域出现还原离子区域，在n区域出现正络离子区域，被称为这些个不能移动的空间电荷区域，形成内置电场。 随着扩散运动的进行，空间电荷区扩大，内置电场增强，其方向从n区向p区，正好阻止扩散运动的进行。 3、PN结电容、漂移运动：

9、在电场力的作用下载流子的运动称为漂移运动。 当形成空间电荷区域时，在内置电场的作用下，少子发生漂移运动，空穴从n区域移动到p区域，自由电子从p区域移动到n区域。 在无外加电场和其他激励作用下，参与扩散运动的多数子的数量与参与漂移运动的少数子的数量相等，达到动态平衡，形成PN结电容。 此时，空间电荷区域具有一定的宽度，电位差=Uho，电流为零。 二、太阳能电池片工作原理，一、光生伏特效应：太阳能电池片的能量转化基础是半导体PN结电容的光生伏特效应。如上所述，当光照射到半导体光伏器件时，具有比硅的禁带宽度大的能量的光子通过减反射膜进入硅，在n区、耗尽区、p区中作为光电子的空穴对被激发。 耗尽区：光

10、电子空穴对在耗尽区发生后立即被内置电场分离，光电子被送到n区，光电子空穴被送到p区。 根据耗尽近似条件，耗尽区域边界的载流子浓度大致为0，即p=n=0。 1、在光生伏特效应、内置电场、n区、p区、1、光生伏特效应、n区中，产生作为光电子的空穴对后，光产生空穴向P-N结边界扩散，一到达P-N结边界，就受到内置电场作用，被电场力牵引而漂移运动，越过耗尽区进入p区，进行光发射在p区：的光生电子(少子)也先扩散，然后漂移进入n区，光生空穴(多子)留在p区。 这样，在P-N结的两侧形成正、负的电荷的积蓄，在n区域积蓄过剩的电子，在p区域存在过剩的空穴。 形成与内置电场相反方向的光产生电场。 1、光生伏特

11、效应、p区、光伏电场、n区、内置电场、1、光生伏特效应、光伏电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，使n区带负电，使n区和p区之间的薄层产生电动势，是光生伏特效应。 电池与负载连接后，光电流从p区经由负载流向n区，从负载获得功率输出。 如果使P-N结的两端开路，则能够测量该电动势，称为开路电压Uoc。 在晶体硅电池中，开路电压的代表值为0.50.6V。 如果将外部电路短路，则与入射到外部电路的光能成比例的光电流流动，将该电流称为短路电流Isc。 1、影响光生伏特效应、光电流的因素：光照射在界面层产生的电子空穴对越多，电流越大。 界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，形成于太阳能

12、电池片的电流也越大。 由于太阳能电池片的n区、耗尽区和p区都发生光载波的各区的光生载流子在复合之前必须跨越耗尽区为光电流作出贡献，所以求实际的光生电流必须考虑各区的发生、复合、扩散、漂移等各种因素。 2、太阳能电池片材料的光学性质、太阳能电池片的光学性质总是决定着太阳能电池片的极限效率，而且也是工艺设计的依据。 吸收法则是，在光谱放射度为I0的光与半导体表面正交入射的情况下，减去反射后入射到半导体的光谱放射度为I0(1-R )，距半导体内的表面的距离为x的光谱放射度Ix由吸收法则决定：吸收法则，入射到半导体的光到达x 设反射率、吸声系数、和吸收定律：片的厚度为d，对于透射率可以获得更完整的近似

13、式。 图中显示了单晶硅、砷化镓和若干重要太阳能电池片材料的吸声系数与波长的关系。 2、太阳能电池片材料的光学性质、固有吸收在原子图像上，硅的固有吸收在一个硅原子吸收光子后被激发，一个共有电子变成了自由电子，可以理解为云同步上，共有键的切断处留有空穴。 实验表明，只有大于禁带宽度Eg的光子才产生本征吸收。 本征吸收是入射光子必须满脚丫子，或者，式中产生能够进行-本征吸收的光的频率(频率的吸收限制)，产生能够进行-本征吸收的光的波长(波长吸收极限)。 硅对波长1.15m以上的红外光被认为是透明的。 3、太阳能电池片的等效电路、输出和填充率、等效电路为了说明电池的工作状态，往往用一个等效电路模拟电池

14、和负载系统。、不考虑串联电阻，考虑串联电阻，P-N同质结太阳能电池片的等效电路、等效电路、恒流源：是在一定光下处于工作状态的太阳能电池片，其光电流不会因工作状态而变化，在等效电路中可视为恒流源； 暗电流Ibk :的光电电流的一部分流过负载RL，并且在负载的两端建立了路端电压u，相反，在PN结电容的正向偏置，以引起与光电电流相反方向的暗电流Ibk。 这样，如图所示绘制了理想的PN同质结太阳能电池片的等效电路。 等效电路，串联电阻RS:与前面和背面的电极接触，由于材料本身具有一定的电阻率，所以基极区域和掌门人层必然要引入附加电阻。 流过负载的电流一旦通过它们，必然会引起损失。 在等效电路中，其总效

15、应可以用一个串联电阻RS来表示。 关于并联电阻RSh，由于在电池边缘的漏电或制作金属化电极时在微裂纹、齿轮离合器等形成的金属桥漏电等，因此，使一部分应通过负载的电流短路的作用大小与并联电阻RSh一个是等效的。 设、输出功率、流过负载RL的电流为I，负载RL的路端电压为u，则式中的p是照射太阳能电池片时在负载RL上获得的输出功率。 另外，当负载RL从0变化为无限大时，输出电压u从0变化为U0C，并且输出电流从ISC变化为0，从而输出功率能够绘制曲线太阳能电池片的负载特性。 曲线上的任意点称为作业点，连接作业点和原点的线称为负载线，负载线的斜率倒数称为RL，与作业点对应的横轴称为作业电压和作业电流

16、。 如果将、输出功率、负载电阻RL调整为某个值Rm，则在曲线上获得点m，对应的生物电流Im与工作电压Um的积最大。 即，Pm=ImUm一般将m点称为该太阳能电池片的最佳工作点(或最大功率点)，将Im称为最佳生物电流，将Um称为最佳工作电压，将Rm称为最佳负载电阻，将Pm称为最高输出功率功率。 填充率、最高输出功率与(UocIsc )之比被称为填充率(FF )，是测量太阳能电池片输出特性好坏的重要指标之一。 填充率表示太阳能电池片的优劣，在一定的光谱放射度下，FF越大，曲线越“角”，输出功率也越高。4、影响太阳能电池片效率、效率的要素、当照射太阳能电池片效率：太阳能电池片时，输出功率与入射光功率

17、之比也称为太阳能电池片效率，也称为光电转化效率。 一般是指在外部电路上连接最佳负载电阻RL时的最大能量转化效率。 式中的At是包含网格线图案面积的太阳能电池片的总面积，-每单位面积的入射光功率，太阳能电池片的效率：上式中，At是有效面积Aa (也称为活性面积)，即从总面积减去网格线图案面积，计算的效率高，这在阅读国内外文献时应该注意美国王子最初计算硅太阳能电池片的理论效率是21.7%。 20世纪70年代，沃尔夫(M.Wolf )进行了详细讨论，硅太阳能电池片的理论效率在AM0光谱条件下为20%，然后修正为25%(AM1.0光谱条件)。 估计太阳能电池片的理论效率，必须计算入射光能到输出功率之间

18、可能发生的所有损失。 其中有与材料和工艺有关的损失，也有由基本的物理原理决定的。 影响效率的要素如上所述，为了提高太阳能电池片的效率，需要提高开路电压Uoc、短路电流ISC和填充因子FF这三个基本残奥仪表。 但是，这些个的3个残奥仪表之间，相互牵制的情况较多，提高一方，就有可能降低另一方，不仅整体的效率不提高而且降低。 因此，在选择材料、设计程序时，必须整体考虑，使3个残奥仪表的乘积最大化。作为影响效率的因素，材料乐队宽度：的开路电压UOC随乐队宽度Eg的增加而增加，而短路电流密度随乐队宽度Eg的增加而减小。 因此，可预期在特定Eg处出现太阳能电池片效率的峰值。 如果用Eg值为1.21.6eV的材料制作太阳能电池片，可以期待最高效率。 薄膜电池用的直接乐队间隙半导体由于在表面附近吸收光子，因此更优选。 影响效率的主要原因是，温度：少子的扩散长度随着温度的上升而稍微增大，光产生电流也随着温度的上升而增加，但UOC随着温度的上升而急剧下降。 由于填充因子降低，转换效率随温度的升高而降低。 地面应用的硅太阳能电池片一般在-40 70之间动作，而空间应用的硅太