太阳能电池发电原理.ppt

1、太阳能电池物理简介,王飞 13S008210 哈尔滨工业大学 航空宇航制造工程系,我国一次能源消费结构,世界矿物能源使用年限,据测算，目前世界已探明能源储量和可开采年限分别为：石油的储量为10195亿桶，可供开采43年，高成本油田可供开采240年；天然气埋藏量为144万亿立方米，可开采63年，高成本气田可供开采452年；煤炭埋藏量10316亿吨，可开采231年；铀的储量436万吨，可供72年使用 。,可再生能源,随着全球能源危机的到来，人们越发感觉到寻找一种可持续的能源的重要意义，以及现在世界各国开始强调保护环境对人类可持续发展的重要性，绿色能源又被提上日程。现在再生能源已经被大家所熟知的有水

2、能，风能，太阳能的利用，但是水能和风能所提供之能源并不可能根本解决世界发展的能源短缺问题，而太阳能技术可以看做更加便利的清洁的以及很有可能大规模应用的技术被世界各国重视。,主要内容,太阳能利用发展的历程 太阳能电池的工作原理 太阳能电池的发展瓶颈 太阳能电池中纳米技术的应用,太阳能利用的发展历程,据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门德考克斯

3、在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。在1615年1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质主要是水蒸汽，价格昂贵，实用价值不大，大部分为太阳能爱好者个人研究制造。20世纪以来，太阳能逐渐被人们加以重视。,从长远看，太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位。根据欧洲JRC的预测，到2040年可再生能源占总能耗50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上。下图为2004年欧盟联合研究中心关于未来能源消费情况的预测。,目前主要的太阳

4、电池,1.太阳能电池的工作原理,1.1 太阳能电池的发电原理 1）量子力学认为，光具有波动性和粒子性的波粒二象性（wave-particle duality）。在光电产业对光电子学的应用中，传递信息和传递能量是光电应用二相性，并且传递信息对应于光的波动性，而传递能量对应于光的粒子性。 2）太阳能电池不会涉及光的波动性，但是却是建立在光子的基础上的。一个光子被半导体吸收后产生一个电子和一个空穴，生成的电子和空穴的数量决定了电流，而电子和空穴的电势差决定了电压。所以太阳能电池应用光传递能量的粒子性，将光能转化为电能。 那么太阳能电池是怎么把光能转变为电能的呢？,1.2 光伏效应,光是以光子的形式传

5、播的，每个光子的能量E只是依赖于波长，即光的颜色。可见光的能量足够激发固体中的电子到更高的能级，并自动地进行。这种现象的极端现象就是光伏效应（photoelectric effect）.蓝光或紫外线的高能量光子提供了足够的能量，彻底地从金属表面溢出。 但是在大多数的情况下，物质吸收入射光后，光子的能量使电子跃迁到高能级，但是受激电子很快的回到基态。在太阳能的光伏效应中，内部非对称的p-n结，使电子在回到基态之前，被输运到外部电路。受激电子得到的能量形成电势差，驱动外部电路的负载。如下图,爱因斯坦于1905年解释的光电效应，当时的诺贝尔奖委员会，为了绕开关于相对论的争论，而以解释光电效应的名义，

6、把1921年的物理奖授予爱因斯坦。,光电效应与光伏效应的比较,图1 光电效应 图2光伏效应,1.3 电池片、组件和系统,晶体硅太阳能电池的基本单位是太阳能硅片（cell）。电池片可以被看成有两个接触电极的半导体器件。黑暗中，电池片的性能类似于二极管，光照下，产生光生电压。电池片通常是面积为100cm2左右的半导体薄片，外观为深蓝的或黑色，金属电极印制在电池片的表面。对于电池片表面进行的加工，尽量增加吸收的入射光，减少反射光。在光照下，电池片产生的直流光生电压为0.51V，在短路的情况下，产生数十mA/cm2的光生电流。,虽然太阳能的电流较为理想，但是电压对于实际的应用太小，为了增加直流电压，电

7、池片被串联起来，封装成组件。,1.4 载流子,太阳能电池通过吸收太阳能辐射光子，产生电流，而具有一定能隙Eg的半导体材料，吸收以可见光为主的太阳能辐射，产生电子-空穴对，当电子被输运到接触电极，非对称结构产生电压V，可以使电子驱动外电路的负载电阻R，导带电子与价带空穴的运动，运载了电流J，合成载流子。 有电子占据的最高能带称为价带，价带中的电子称为价电子；没有电子占据的最低能带，称为导带。 半导体为什么比绝缘体和金属更适合制备太阳能电池呢？,虽然半导体和绝缘体都具备一定的带隙，但是绝缘体的带隙太大，不能吸收可见光，而且绝缘体的不导电，不能运输载流子。半导体的带隙可以可以吸收可见光，并使受激电子

8、在被接触电极收集前，长时间的停留在激发态Ec，半导体中受激电子得到大于带隙的光子能量EEg，会在几fs的时间内快速的弛豫到导带底，而受激电子继续弛豫到价带底则需要很长时间，大约几s。金属的能级是连续的，没有带隙，不能使电子长时间地停留在激发态Ec。在金属中，电子被激发后会在几fs的时间通过中间态弛豫到基态Ev。空缺的金属中间态越密集，受激电子越容易弛豫。所以金属和绝缘体一样不适合制备太阳能电池。,在金属中，价带被部分充满，而且导带和价带重叠，没有带隙。金属中的价电子，很容易从价带跃迁到邻近的空缺导带，从而传递热量或自由电荷，因此，金属具有较好的导热性和导电性。 在半导体和绝缘体中，价带被充满，

9、导带和价带由较宽的带隙分割。绝缘体的价电子通过其共价键，连接着相邻原子，不容易形成自由电子。价电子跃迁到导带，需要比带隙Eg大的光子能量E，而绝缘体的带隙又很宽。因此，绝缘体的导热性和导电性非常有限。,1.4.1掺杂,本征半导体是没有人为掺杂，没有晶格缺陷的纯净半导体晶体，本征半导体的能带都是由自身原子轨道重叠形成，没有掺杂能级或陷阱能级。如果半导体的材料和温度T都确定了，载流子的浓度n p只和费米能级Ef有关。（费米能级：在绝对零度，电子没有动能，电子尽可能的占据能量最低的量子态。能级由高到低，依次被电子充满，被填充的最高能级称为费米能级，随着温度的升高，电子具有一定的动能，有一部分跃迁到E

10、Ef的能级，在原来EEf的能级留下空穴。）,如果掺杂能级比本征能级高，费米能级Ef升高，电子浓度n增加，空穴浓度减小，形成n型半导体。如果掺杂能级比本征能级低，费米能级降低，空穴浓度增加，导带电子浓度n减小，形成p型半导体。因此有目的的掺杂能带接近导带底Ec或价带顶Ev的原子，可以人为的调节半导体中载流子的浓度，制备具有更好导电性能的半导体材料。,太阳能电池中的光生电流和暗电流是由载流子的产生和复合产生的，受激吸收是太阳能中主要的载流子产生机理。 载流子的产生是电子被激发的过程，增加了载流子的数量，提高了半导体的输运电荷的能力，载流子的复合是电子弛豫的过程，减少了半导体中的载流子的数量。载流子

11、的产生需要吸收光子能量，而载流子的复合会释放光子能量。 在太阳能电池中，载流子的产生由吸收入射光引起。载流子产生的结果有： 1) 价带电子跃迁到导带形成电子-空穴对； 2）价带电子跃迁到带隙内的缺陷，在价带中产生一个空穴； 3）电子从陷阱态跃迁到导带，在导带产生一个电子。 载流子的复合方式有： 1）辐射复合：发射光子； 2）俄歇复合：增加其他载流子的动能； 3）陷阱复合：为晶格震动提供声子。 载流子复合的结果有： 1）导带电子跃迁都价带，失去一对电子-空穴对； 2）导带电子跃迁到陷阱态，导带失去一个电子； 3）电子从陷阱态跃迁到价带，价带失去一个空穴。,在太阳能电池中辐射复合对其不太重要，但

12、是对于理想的纯净半导体材料，辐射复合是限制转化效率的主要机理。 俄歇复合对于含Si这类半导体非常重要，是间隙带隙半导体产生复合损耗的主要机理。,在n型半导体（或p型半导体）中，导带电子（或价带空穴）是多数载流子，价带空穴（或导带电子）是少数载流子，容易发生2个导带电子（或价带空穴）和1个价带空穴（或导带电子）的俄歇复合。2个导带电子（或价带空穴）发生碰撞，使一个碰撞的导带电子（或价带空穴）和价带空穴（或导带电子）发生复合，而另一个碰撞的电子（或空穴）受到激发，得到更大的动能。其中，复合产生的能量并没有成为光子发射出来，而转化为另一个碰撞电子（或空穴）的动能，但是受到激发的电子（或空穴）会回到导

13、带底（或价带顶），把从俄歇复合中得到的动能，以热能的形式，作为声子传递给周围晶格。,陷阱复合是由于带隙内的缺陷引起的，缺陷是局域态，而导带电子和价带空穴不会局限在一定的区域，所以进入缺陷的自由载流子可以看成被俘获了。被俘获的电子（或空穴）可以最终通过热激发被反射回导带，这样的缺陷称为陷阱态（trap state）。俘获电子的陷阱态称为电子陷阱；俘获空穴的陷阱称为空穴陷阱。如果在俘获电子被发射前，陷阱态又俘获一个空穴，那么这两种载流子发生复合，陷阱态再一次空缺，这样的陷阱态称为复合中心。,半导体结,太阳能光伏转化需要在半导体材料中发生载流子的产生 分离和输运。在太阳能电池的半导体结中，正电极和负

14、电极需要和外电路形成不同的电阻，对载流子进入外电路形成驱动力。正电极对空穴的电阻比对电子的电阻低，向外电路提供空穴；负电极对电子的电阻比对空穴的电阻低，向外电路提供电子，不存在电场强度的本征半导体不具备这样的驱动力。为了实现载流子的分离，需要将不同性质的固体材料进行组合，形成具备非对称结构的半导体结。 在多数无机太阳能电池中，p-n结通过p型半导体和n型半导体的连结提供电场强度，通过被激发的电子和空穴通过接触电极进入外电路。 一般的半导体结有：金属-半导体接触、半导体-半导体接触、半导体-电解质接触。半导体-半导体接触是最典型的半导体结，而P-N结是最典型的半导体-半导体结，也是大多少太阳能电

15、池的主要结构。,2.太阳能电池的发展瓶颈,2.1太阳能电池的特性 伏安特性曲线 太阳能电池的伏安特性曲线表征一定光照和温度为Ta=300K的条件下，电流和电压的函数关系。由于电流I与太阳能电池的面积呈正比，所以用电流密度（J，A/cm2)取代电流I来描述伏安特性。 J=I/A 太阳能电池的用途是将太阳能转换为电能，往往用到功率密度来衡量电能的大小。 P(V)=J(V)V 如果加上负载电阻,欧姆定律为 J(V)=V/(AR),在简单的电路中，太阳能电池可以取代普通电池，但是太阳能电池和普通电池又存在不小的区别，普通电池的电动势是由正负电极间恒定的化学势差引起的，而太阳能电池的光生电压是太阳光照引

16、起的。普通电池在固定负载电阻R上产生的功率P相对稳定，而太阳能电池产生的功率P和入射光强bs。普通电池是电压源，而太阳能电池是电流源，其伏安特性依赖于入射光强和温度。,光生电流和量子效率,太阳能电池在光照下产生的光生电流，由入射光强bs和太阳能性能共同决定，光生电流Jph和短路电流Jsc相等，可以表示为： 式中q为电子电量；量子效率（QE，%）是光子能量的函数，描述能量为E的光子，产生电子的跃迁，并进入外部电路的概率；bs是太阳光子通量或入射光强，描述单位时间内，单位面积上，能量在E到E+dE范围内的太阳辐射光子数，bs(E,Ts)与太阳温度Ts有关。,量子效率取决于三个因素： （1）材料对光

17、子的吸收效率； （2）载流子的分离效率； （3）载流子的输运效率。 为了得到较大的短路电流，除了要求光子通量和量子效率尽量大，还要求太阳能电池的量子效率尽量和太阳光子通量匹配。,肖克莱方程和光生电压,当加上负载，太阳能电池的接触电极之间就产生电压V，由于太阳能电池的二极管特性，产生暗电流Jdark，与光生电流Jph的方向相反。与单向导通的二极管一样，黑暗中的太阳能电池，在电压V下，具有整流特性，在正向电压下的电流远大于反向电压下的电流。非对称结构P-N结分离载流子，使太阳能电池具有这种整流特性。在正向导通的情况下，二极管的电阻随电压V变化，电流J和电压V呈指数关系。如果二极管或者太阳能电池的温

18、度和环境温度相同，处于热平衡状态，暗电流满足肖克莱方程： Jo为反向饱和电流，是二极管在反向电压下，但是还没达到击穿电压的电流，Ta为环境温度,“晶体管之父”威廉肖克莱（William Shockley）是1956年诺贝尔物理学奖得主。1956年，肖克莱创立肖克莱半导体实验室，成为美国硅谷第一家从事半导体器件的公司，肖克莱实验室走出了英特尔公司的两位创始人戈登摩尔和罗伯特诺伊斯。,肖克莱方程描述的是理想二极管模型，适合达到击穿电压之前的情况（左图）。 太阳能电池的电流为光生电流和暗电流的叠加。,当电路断开J（V）=0时，太阳能电池直接接触的电极之间的电压达到开路电压，即光生电压，这相当于暗电流

19、和光生电流相等，得到：,太阳能电池的等效电路,伏安特性曲线中，电压工作在0Voc之间时，电压V和电流J的乘积为正值，表明太阳能电池产生电能；当VVoc时，暗电流JdarkJph,电流J为负值，电压与电流的乘积也为负值，器件开始发光，消耗功率。,填充因子与转化效率,太阳能电池的电压范围为0Voc,在这个范围内的发电效率为： P(V)=J(V)V 最佳工作点是太阳能电池达到最大功率对应的最佳工作电压Vm，最佳工作电流Jm和最佳负载电阻Rm,应当根据最佳负载使用太阳能电池。 Rm=Vm/(AJm),填充因子（fill factor，FF，%）定义为：,太阳能的转化效率是最大功率Pm和太阳辐射到达地面

20、的太阳辐照度的比值： 转换效率与短路电流Jsc，开路电压Voc，填充因子FF存在关系：,对于太阳能电池而言，开路电压Voc,短路电流，填充因子FF和转化效率是最重要的四个参数，就现在的工艺水平，单片晶体硅太阳能电池的开路电压Voc0.6V,Vm在0.5V左右，短路电流Isc=AJsc为58.5A，Pm为24w,转化效率在15%17%，FF为65%80%。 根据实验室转化效率记录，开路电压Voc与短路电流Jsc具有相关性，开路电压大的太阳能电池类型短路电流小，开路电压小的太阳能电池类型短路电流大，这是什么原因造成的呢？ 这是因为带隙大的半导体材料内建电场大，开路电压也就大，而电子从价带到导带跃迁

21、更难，短路电流很小。,所以在太阳能电池的应用中还涉及最佳工作点的计算。又因为在真实的太阳能电池中，能量被耗散在接触电阻和太阳能的边缘的漏电电流上，效果相当于一个串联电阻和分流电阻。综合各种因素，太阳能电池的效率不高以及成本问题一直影响着太阳能电池的发展。,太阳能电池中纳米技术的应用,现在已经有的太阳能电池有层叠太阳能电池（效率33%），晶体Si太阳能电池（效率23%），薄膜太阳能电池（效率18%），染料太阳能电池（效率12%），聚合物太阳能电池（效率6%）。 综合上述的现阶段的太阳能在光伏产业中的应用，我们发现现在太阳能的发电效率受到很大的限制，那如何去解决太阳能发展的瓶颈呢？,2004年Green教授提出发展第三代太阳能电池的设想。如果我们称半导体晶体片太阳能称为第一代太阳能电池，薄膜太阳能电池称为第二代太阳能电池，那么下一代电池的新型太阳能电池就是人们预期的第三代太阳能电池，那么第三代太阳能电池所蕴含了那些物理内涵呢？,首先应保持第二代薄膜太阳能电池的低成本的特点，