《太阳能电池的效率和CCD1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能电池的效率和CCD1（57页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,光电转换效率是表征太阳电池性能的最重要的参数。 阐述入射太阳辐射功率计算的依据， 再以硅pn结太阳电池为主，兼顾其它种类电池，讨论理想情况下最大理论效率的一种考虑计算方法。 考虑在非理想情况下，影响效率的诸多因素及效应。,太阳电池的光电转换效率,太阳电池所利用的太阳能来源于太阳辐射。太阳中心发生的核聚变反应，连续不断地释放出巨大能量，主要以光辐射形式从太阳表面的发光层向太空辐射。 表面发光层温度约6000K，其辐射光谱与6000K绝对黑体的连续辐射光谱类似(见图)。,一、太阳辐射光谱AM0和AMl.5,太阳辐射经过日-地平均距离(约1.5108公里)，传播到地球大气层外面，其辐射能面密度已大
2、大降低。 在这个距离上，垂直于太阳辐射方向单位面积上的辐射功率基本上是个常数，称为太阳常数。其数值是1.353kWm2。,这是许多国家使用高空气球、高空飞机、人造卫星、宇宙飞船等对太阳辐射进行大量测试、综合而得到的公认数据。与此同时，还确定了满足太阳常数数值的太阳辐射度按波长分布表。根据此表可画出太阳光的光谱分布曲线。,目前世界上许多国家把太阳常数作为计算太空用太阳电池的入射光功率密度的依据，又称AMO光谱条件。 在此条件下测试太空用太阳电池效率时，光源应满足图AMO的光谱分布，总能量为135.3mWcm2，电池测试温度为25。,AMO光谱的太阳辐射经过大气层中臭氧、氧气、水汽、二氧化碳及悬浮
3、固体微粒(烟尘、粉等)的吸收、散射和反射，到达地面时，光谱分布上出现了许多吸收谷，而且总辐射能至少衰减掉30(如图7所示)。,在晴朗天气的理想条件下，决定投射于地面的太阳辐射功率的最重要参数是光穿过大气层通路的长度。当太阳位于天顶，该长度最短。,任一实际光通路长度与此最短长度之比称为大气质量，符号记为AM(Air Mass的缩写)。,上图还给出AM 1.5的光谱分布，其积分能量为83.5mWcm2。作为地面太阳电池测试依据的AM 1.5光谱条件，其光源应满足上图中AM1.5光谱分布。,太阳在天顶时，地面上太阳辐射叫大气质量为1的辐射，记为AMl。当太阳偏离天顶角时，大气质量由下式给出； 大气质
4、量= 1/cos ,太阳电池的理论效率由上式决定。当入射太阳光谱AM0或AMl.5确定之后，其值取决于Isc、Voc和FF的最大值。 Isc最大值的计算考虑：舍去太阳光谱中大于长波限max这部分的光谱。其中长波限满足：,太阳电池的理论效率,认为其余部分的光子，因其能量hv大于材料禁带宽度Eg，被材料吸收而激发电子空穴对。 假设其量子产额为1，而且被激发出的光生少子在最理想的情况下，百分之百地被收集起来。,在上述理想的假设下，最大短路电流值显然仅与材料带隙Eg有关。其计算结果如图所示。,太阳电池Isc的上限值与材料Eg的关系,式中Iph是光生电流，在理想情况下即为图中所对应的最大短路电流。Io是
5、二极管饱和电流，用下式计算：,Voc最大值，在理想情况下由下式定：,显然Io取决于Eg、Ln，Lp、NA、ND和绝对温度T之高低，也与光伏结构有关。,综合上述结果，作为带隙Eg的函数所计算的最大光电转换效率画于图中。,太阳电池光电转换效率 与材料带隙Eg的关系,通过分析看出，为提高Voc，常常采用Eg大，少子寿命长及低电阻率(例如对硅单晶片选用02-cm)的材料，代入合适的半导体参数的数值，给出硅的最大Voc值约700mV左右。,Voc最大值确定之后，可计算得到FF的最大值。,太阳电池在光电能量转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比上述的理论极限效率低。 下面以pn结硅太阳电池为例
6、, 来阐述各种能量损失之机理，作为改进太阳电池的设计及工艺，提高其效率的基础。,影响太阳电池效率的一些因素,太阳电池效率损失中，有三种是属于“光学损失”，其主要影响是降低了光生电流值。 （1）反射损失R()：从空气(或真空)垂直入射到媒质(如半导体材料)的单色光的反射率：,1光生电流的光学损失,式中n为半导体材料复数折射率N之实部，即普通折射率，k是其虚部，称为消光系数。,每种材料的n和k都与入射光之波长有关。对硅来说，其关系曲线如图所示。把n、k的结果代入式中，发现在感兴趣的太阳光谱中，超过30%的光能被裸露硅表面反射掉了。,硅折射率的实部n与虚部k与光子能量的关系,电池厚度对Isc的影响,
7、(3)透射损失：如果电池厚度不足够大，某些能量合适能被吸收的光子可能从电池背面穿出。这决定了半导体材料之最小厚度。,(2)栅指电极遮光损失c， 定义为栅指电极遮光面积在太阳电池总面积中所占的百分比。对一般电池来说，c约为4%15%。,Pn结硅太阳电池的截面图,间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。对于硅和砷化镓的计算结果示于图中。 光生载流子的定向运动形成光生电流Iph最大光生电流值为：,式中Nph(Eg)为每秒钟投射到电池上能量大于Eg的总光子数。考虑上述三种光学损失及材料吸收之后，光生电流可表示为：,Iphmax=qNph（Eg）),式中()为投射在电池上、波长为，单位带宽的光子数；
8、i为量子产额，即一个能量大于带隙Eg的光子产生一对光生电子空穴对的几率，通常可令i=1；dx为距电池表面xt处厚度为dx的薄层；H为电池厚度；,G（、x）表示由波长为、单位带宽的光子射进材料在x处的产生率。,2光生少子的收集几率fc,在太阳电池内，由于存在少子复合，所产生的每一个光生少数载流子不可能百分之百地被收集起来。,定义光激发少子中对太阳电池的短路电流有贡献的百分数为收集几率fc。该参数决定于电池内各区域的复合机理，也与电池结构与空间位置有关。,太阳光的光强在=0.40.7m之间最强，极大值在0.48m(AM0)和0.53m(AM1.5)。 要提高太阳电池的能量转换效率和输出功率，就必须
9、充分利用太阳能。这要求太阳电池的光谱响应与太阳光谱有一致的分布。 太阳电池的光谱响应指短路电流与入射光波长的函数关系。就是指某一波长下，每一个射进电池的光子，对应所能收集到的平均载流子数。,3太阳电池的光谱响应SR（）,决定Voc大小的主要物理过程是半导体的复合。 半导体复合率越高，少子扩散长度越短，Voc也就越低。,4影响开路电压的实际因素,5串联电阻Rs和旁路电阻Rsh引 起效率下降,在硅太阳是池中，由硅材料体电阻、溥层电阻、电极接触电阻及电极本身传导电流的电阻构成了总串联电阻Rs。 Rs值变大会影响电池伏安特性曲线偏离理想曲线，使FF变小，Isc下降，因而效率也下降； 而旁路电阻Rsh变
10、小，说明无光照射pn结反向漏电流变大，造成Voc下降，FF变小,因而效率下降。,由于地面及空间应用的太阳电池运用温度范围很宽，太阳电池用的半导体材料，其禁带宽度的温度系数一般都是负的。,6温度效应,7辐照效应 应用在卫星上的太阳电池受到太空中高能粒子辐射，体内产生缺陷，使电池输出功率逐渐下降，可能影响其使用寿命。,随着温度上升，带隙变窄，增强电池对光的吸收而使Isc略微上升；可是，带隙变窄会引起Io变大，而使Voc下降，影响FF也下降。,综合这三个参数的变经，转换效率随温度上升而下降。,高效率和低成本是发展太阳电池的主要目标。 四十多年来进行的大量基本理论和实验的研究工作，把单晶硅太阳电池效率
11、从6%提高到24%，对聚光硅太阳电池的光电转换效率，在100个太阳聚光度下，已达到27.5%，使硅太阳电池在空间应用与地面应用上仍然占有较重的地位。,高效率太阳电池的发展,在化合物半导体中，砷化镓研究得比较多，工艺较成熟。由于砷化镓的Eg值比硅大，从光谱响应角度来说，更适合于做太阳电池。工作温度也可比硅的高，在聚光高温条件下工作，具有它独特优点。 其缺点是：砷化镓材料成本高。生产高质量的砷化镓单晶也较困难，加上电池制备工艺难以控制减小表面复合速度，,低成本太阳电池 一、多晶硅太阳电池,多晶硅太阳电池是一种以多晶硅为基体材料的太阳电池。通常，选用太阳电池级纯度以上的硅料，经过熔铸及定向凝固后切片
12、制得多晶硅片。,电池制造工艺基本上与单晶硅太阳电池的类同。两者差别主要是多晶硅内存在不少晶粒边界，这给多晶硅太阳电池带来三方面的严重影响：,（1）晶粒边界处存在势垒，阻断载流子的通过：,（2）晶粒边界这种晶体缺陷，起有效复合中心作用；,（3）形成pn结的工艺处理中，掺杂剂沿着晶粒边界的影响，使多晶硅太阳电池具有较合适的电转换性能，,对多晶硅片的要求： 第一，绝大多数晶粒必须是柱状结构，以便光生载流子朝上、下方向输运与积累,第二，晶粒横向尺寸越大，则晶粒边界的影响越小，至少应大于少子扩散长度。,其微观原子排列是“短程有序”，而“长程无序”，包含有大量的悬挂键、空位等缺陷，因而有很高的带隙状态密度
13、（大于1020cm）因此，纯a-Si在技术上并没有用途的。,二、非晶硅太阳电池,非晶硅太阳电池是非常有希望的一种低成本太阳电池。它所用的非晶硅半导体材料简称a-Si（Amorphous Silicon）。,1975年Spear等人利用辉光放电技术分解硅烷，研制出a-SiH合金膜。该膜中氢原子填补了部分a-Si的悬挂键及其它缺陷，大大降低了带隙内的状态密度，使掺杂成为可能。,这一重大技术突破，首先应用于a-Si太阳电池的研究与生产上。这是因为a-Si有以下优点：,a-Si具有较高的光吸收系数。在0.3150.75m可见光波长范围内，a-Si光吸收系数约比硅的高出一个数量级。因此，很薄（约1m左右
14、）的a-Si太阳电池就能吸收大部分的可见光,a-Si的带隙（1.52.0eV）比硅的（1.12eV）大，制成a-Si太阳电池的开路电压高。,制备a-Si的工艺和设备简单，淀积温度低（250500），时间短，耗能少。适宜于大批量生产。,光电器件-CCD,二. CCD的结构和工作原理,一. 引言,CCD及其应用,三. CCD在位移测量中的应用,1969年秋，美国贝尔实验室WSBoyle和GESmith受到磁泡即圆柱形磁畴器件的启示，提出了CCD的概念。CCD是英文ChargeCoupledDevice的缩写，中文译为“电荷耦合器件”。,一. 引言,CCD是在MOS晶体管电荷存储器的基础上发展起来的
15、，所以有人说，CCD是“一个多栅MOS晶体管，即在源与漏之间密布着许多栅极、沟道极长的MOS晶体管”。,CCD自问世以来，以它无比的优越性能和诱人的应用前景，引起了各国科学界的高度重视，日、美、英、德等发达国家不惜重金投资加速研制，加之微细加工技术的进展，使得CCD像素数剧增加，分辨率、灵敏度大幅度提高，发展速度惊人。 线阵CCD已由第一代大踏步跃人第二代CCPD(光电二极管阵列)。 目前国外5000像素的线阵CCD已商品化，并对4个5000像素CCD进行拼接，实现了两万像素超长线阵CCD，获得了相当大的动态范围，满足了星载、机载、空间监测等要求。,线阵彩色CCD已实现了10725像素，阵列的
16、不均匀性小于1。面阵CCD主要用作图像传感器，已有40964096像素的商品出售，信噪比达80dB，暗电流小于25pAcm2(27)，输出非均匀性小于1，像素尺寸为75um75m，探测信号电平为10个电子。 最近美国仙童公司已研制成功90009000像素的超大阵列CCD，为高清晰度、超高分辨率探测奠定了基础。 彩色摄像方面，市场上已有10241024像素高清晰度彩色CCD摄像机出售。 微光探测方面，市场上已推出了10-9lx，水平分辨率大于700TV线，动态范围4000：1的CCD像机。,对CCD来说，随着超大规模集成工艺的进展，CCD不仅研究水平不断提高，阵列元数不断增多，CCD摄像机的性能越来越好，而且更重要的是CCD芯片的成品率不断提高，摄像机的价格大幅度下降。 据Security Management杂志发表的统计数据表明，CCD摄像机的价格较之管式摄像机的总价格平均要低2060。 俄罗斯机器人综合研究所推出一种CCD像机能在微光中拍摄并分辨出比人头发丝还细的物体，其售价只有同类管式摄像机的13
