第3章太阳能电池

《第3章太阳能电池》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章太阳能电池（156页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第3章 太阳能光伏电池,何 道 清 编制 2011.12,第3章 太阳能光伏电池,太阳能光伏电池太阳能 电能,3.1 太阳能光伏发电原理,3.1.1半导体基础知识 1.导体、绝缘体和半导体 （1）自由电子与自由电子浓度 物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成 ，电子 受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。能在晶体 中自由运动的电子，称为“自由电子”，它是导体导电的 电荷粒子。 自由电子浓度：单位体积中自由电子的数量，称为自由 电子浓度，用n表示，它是决定物体导电能力的主要因素之 一。,（2）晶体中自由电子的运动 由于晶体内原子的振动，自由电子在晶体中做杂乱无章 的运动。 电流：导体中的

2、自由电子在电场力作用下的定向运动形 成电流。 迁移率：在单位电场强度（1V/cm）下，定向运动的自 由电子的“直线速度”，称为自由电子的迁移率，用表 示，这也是决定物体导电能力的主要因素。 电导率：表征物体导电能力的物理量，用表示,=en 电阻：导体中的自由电子定向运动形成电流所受到的“阻力”，它也表征表征物体导电能力。导体的电阻特性用电阻 率表示 （=1/ ） 。导体电阻,3.1 太阳能光伏发电原理,3.1 太阳能光伏发电原理,（3）导体、绝缘体和半导体 导体，导电能力强的物体，电阻率为10-9l0-6cm ； 绝缘体，不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的 物体 ，电阻率为108l020

3、cm ； 半导体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，电阻 率为10-5l07cm 。 导电机理： 金属导体导电是自由电子（n恒定）在电场力作用下的定 向运动， 电导率基本恒定； 半导体导电是电子和空穴在电场力作用下的定向运动。电 子和空穴的浓度随温度、杂质含量、光照等变化较大，影 响其导电能力。,3.1 太阳能光伏发电原理,2.硅的晶体结构 （1）硅的原子结构 硅(Si)原子，原子序数14，原子核外14个电子，绕核运 动，分层排列：内层2个电子(满)，第二层8个电子(满)，第 三层4个电子(不满)，如图3-1所示。,图3-1 硅的原子结构 及其原子能级,3.1 太阳能光伏发电原理,（2） 硅

4、的晶体结构 硅晶体中的硅原子在空间按面心立方晶格结构无限排列，长程有 序。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个硅原子间有一对电子与这两 个原子的原子核都有相互作用，称为共价键。基于共价键作用，是硅原 子紧密地结合在一起，构成晶体。,图3-2硅的晶胞结构,3.1 太阳能光伏发电原理,硅晶体和所有的晶体都是由原子(或离子、分子)在空间按 一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体 的晶格。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列， 即长程有序，就称其为单晶体。在硅晶体中，每个硅原子 近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它 们与两个相邻原子核都有相互作用，称为共价键。正是靠 共价键

5、的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。 由许多小颗粒单晶杂乱无章地排列在一起的固体称为多 晶体。 非晶体没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式， 如一个硅原子仍有四个共价键，短程看是有序的，长程无 序，这样的材料称为非晶体，也叫做无定形材料。,3.1 太阳能光伏发电原理,3. 能级和能带图 电子在原子中的轨道运动状态具有不同的能量能级(E), 单一的电子能级，分裂成能量非常接近但又大小不同的许 多电子能级，形成一个“能带” 。,图3-3 单原子的电子能级对应的固体能带,3.1 太阳能光伏发电原理,4. 禁带、价带和导带 电子只能在各能带内运动 ，能带之间的区域没有电子态, 这个区域叫做

6、“禁带”，用Eg 表示。 完全被电子填满的能带称为“满带”，最高的满带容纳 价电子，称为“价带”,价带上面完全没有电子的称为“空 带”。 有的能带只有部分能级上有电子,一部分能级是空的。 这种部分填充的能带,在外电场的作用下,可以产生电流。 而没有被电子填满、处于最高满带上的一个能带称为 “导带”。,3.1 太阳能光伏发电原理,4. 禁带、价带和导带,(a)金属 (b)半导体 (c)绝缘体 图3-4 金属、半导体、绝缘体的能带,3.1 太阳能光伏发电原理,4. 禁带、价带和导带,图3-4 晶体的能带,3.1 太阳能光伏发电原理,4. 禁带、价带和导带 禁带宽度Eg 价电子要从价带越过禁带跳跃到

7、导带里去参与导电运动， 必须从外界获得大于或等于Eg的附加能量，Eg的大小就是导 带底部与价带顶部之间的能量差，称为“禁带宽度”或“带 隙” 表3-1 半导体材料的禁带宽度,3.1 太阳能光伏发电原理,金属与半导体的区别： 金属的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，在一切条件 下具有良好的导电性。 半导体有一定的禁带宽度，价电子必须获得一定的能量 （Eg）“激发”到导带才具有导电能力。激发的能量可以 是热或光的作用。 常温下，每立方厘米的硅晶体，导带上约有l010个电子， 每立方厘米的导体晶体的导带中约有1022个电子。 绝缘体禁带宽度远大于半导体，常温下激发到导带上的电 子非常少，固其电导率很

8、低 。,3.1 太阳能光伏发电原理,5.电子和空穴 电子从价带跃迁到导带（自由电子）后，在价带中留下 一个空位，称为空穴，空穴移动也可形成电流。电子的这 种跃迁形成电子-空穴对。电子和空穴都称为载流子。 电子-空穴对不断产生， 又不断复合。,图3-5 具有一个断键的硅晶体,3.1 太阳能光伏发电原理,6. 掺杂半导体 晶格完整且不含杂质的半导体称为本征半导体。 硅半导体掺杂少量的五价元素磷(P) N型硅 ：自由电子数量多多 数载流子（多子）；空穴数量很少少数载流子（少子）。电子型半导 体或n型半导体。 掺杂少量的三价元素硼(B) P型硅：空穴数量多多数载流子（多 子）；自由电子数量很少少数载流

9、子(少子)。空穴型半导体或p型半 导体。,图3-6 n型和p型硅晶体结构,3.1 太阳能光伏发电原理,6. 掺杂半导体-杂质能级 在掺杂半导体中，杂质原子的能级处于禁带之中，形成 杂质能级。五价杂质原子形成施主能级，位于导带的下 面；三价杂质原子形成受主能级，位于价带的上面(图3-7)。 施主（或受主）能级上的电子（或空穴）跳跃到导带 （或价带）中去的过程称为电离。电离过程所需的能量就 是电离能（很小0.04eV ），掺杂杂质几乎全部电离 。,图3-7 施主和受主能级,3.1 太阳能光伏发电原理,7.载流子的产生与复合 由于晶格的热振动，电子不断从价带被“激发”到导 带，形成一对电子和空穴（即

10、电子-空穴对），这就是载流 子产生的过程。 电子和空穴在晶格中的运动是无规则的导带中的电子落 进价带的空能级，使一对电子和空穴消失。这种现象叫做 电子和空穴的复合，即载流子复合。 一定的温度下晶体内产生和复合的电子-空穴对数目达到 相对平衡，晶体的总载流子浓度保持不变，热平衡状态 。 由于光照作用，产生光生电子-空穴对，电子和空穴的产 生率就大于复合率，形成非平衡载流子，称为光生载流子。,3.1 太阳能光伏发电原理,8.载流子的输运 半导体中存在能够导电的自由电子和空穴，这些载流子 有两种输运方式：漂移运动和扩散运动。 载流子在热平衡时作不规则的热运动，与晶格、杂质、 缺陷发生碰撞，运动方向不

11、断改变，平均位移等于零，这 种现象叫做散射。散射不会形成电流。 半导体中载流子在外加电场的作用下，按照一定方向的 运动称为漂移运动。外界电场的存在使载流子作定向的漂 移运动，并形成电流。 扩散运动是半导体在因外加因素使载流子浓度不均匀而 引起的载流子从浓度高处向浓度低处的迁移运动。 扩散运动和漂移运动不同，它不是由于电场力的作用产 生的，而是由于载流子浓度差的引起的。,3.1.2 p-n结 n型半导体和p型半导体紧密接触，在交界处n区中电子 浓度高，要向p区扩散，在N区一侧就形成一个正电荷的区 域；同样，p区中空穴浓度高，要向n区扩散，p区一侧就形 成一个负电荷的区域。这个n区和p区交界面两侧

12、的正、负 电荷薄层区域称为“空间电荷区”，即p-n结内建电场E 电势差UD电势能 电势能=电荷电势=(q)(UD)=qUD qUD通常称作势垒高度。 内建电场一方面阻止“多子”的扩散运动，另一方面增 强“少子”漂移运动，最终达到平衡状态。,3.1 太阳能光伏发电原理,3.1 太阳能光伏发电原理,3.1.2 p-n结,(a) n区电子往P区 (b) p区空穴往N区 (c) p-n结电场 扩散在n区形成带 扩散在p区形成带 正电的薄层A 负电的薄层B 图3-8 p-n结电子与空穴的扩散,3.1 太阳能光伏发电原理,3.1.2 p-n结,(a) 形成p-n结前载流子的扩散过程 (b) 空间电荷区和内

13、建电场 图3-8 p-n结,3.1 太阳能光伏发电原理,3.1.2 p-n结单向导电性 当p-n结加上正向偏压，外加电场的方向与内建电场的方 向相反，打破了扩散运动和漂移运动的相对平衡，形成通 过p-n结的电流（称为正向电流），较大； 当p-n结加上反向偏压 ，构成p-n结的反向电流，很小。,图3-9 p-n结单向导电特性,3.1 太阳能光伏发电原理,3.1.3 光伏效应太阳能电池 1.光伏效应 当太阳电池受到光照时，光在n区、空间电荷区和p区被吸收，分别 产生电子-空穴对。由于入射光强度从表面到太阳电池体内成指数衰 减，在各处产生光生载流子的数量有差别，沿光强衰减方向将形成光生 载流子的浓度

14、梯度，从而产生载流子的扩散运动。 n区中产生的光生载流子到达p-n结区n侧边界时，由于内建电场的 方向是从n区指向p区，静电力立即将光生空穴拉到p区，光生电子阻留 在n区。 p区中到达p-n结区p侧边界的光生电子立即被内建电场拉向n区，空 穴被阻留在p区。 空间电荷区中产生的光生电子-空穴对则自然被内建电场分别拉向n 区和p区。,3.1 太阳能光伏发电原理,1.光伏效应 p-n结及两边产生的光生载流子就被内建电场所分离，在p区聚集光 生空穴，在n区聚集光生电子，使p区带正电，n区带负电，在p-n结两 边产生光生电动势。上述过程通常称作光生伏特效应或光伏效应。光 生电动势的电场方向和平衡p-n结

15、内建电场的方向相反。当太阳能电池 的两端接上负载，这些分离的电荷就形成电流。,图3-10 光伏效应示意图,3.1 太阳能光伏发电原理,1.光伏效应 太阳能电池 当太阳能电池的两端接上负载，光伏电动势就形成电流。,图3-11 太阳电池的发电原理,3.1 太阳能光伏发电原理,2.1.4太阳电池的结构和性能 1.太阳电池的结构 最简单的太阳电池是由p-n结构成的，如图3-142示，其 上表面有栅线形状的上电极，背面为背电极，在太阳电池 表面通常还镀有一层减反射膜。,图3-12 太阳电池的结构和符号,3.1 太阳能光伏发电原理,1.太阳电池的结构 硅太阳电池一般制成p/n型结构或n/p型结构。 太阳电

16、池输出电压的极性，p型一侧电极为正，n型一侧 电极为负。 根据太阳电池的材料和结构不同，分为许多种形式，如p 型和n型材料均为相同材料的同质结太阳电池(如晶体硅太阳 电池)；p型和n型材料为不同材料的异质结太阳电池硫化镉 /碲化镉(CdS/CdTe)，硫化镉/铜铟硒(CdS/CulnSe2)薄膜太阳 电池；金属-绝缘体-半导体(MIS)太阳电池；绒面硅太阳电 池；激光刻槽掩埋电极硅太阳电池；钝化发射结太阳电 池；背面点接触太阳电池；叠层太阳电池等。,3.1 太阳能光伏发电原理,2.太阳电池的技术参数 （1）开路电压（Uoc） 受光照的太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累 于p-n结两侧产生光生电动势，这时在太阳电池两端测得的 电势差叫做开路电压，用符号Uoc表示。 （2）短路电流（Isc） 如果把太阳电池从外部短路测得的最大电流，称为短路 电流，用符号Isc表