太阳能电池原理

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1、一. 硅太阳能电池的工作原理硅原子的外层 电子壳层中有 4 个电子。受到原子核的束缚比较小，如果得到足够的能量，会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。电子带负电；空穴带正电。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。在硅晶体中每个原子有 4 个相邻原子，并和每一个相邻原子共有2 个价电子，形成稳定的 8 原子壳层。从硅的原子中分离出一个电子需要 1.12eV 的能量，该能量称为硅的禁带宽度。被分离出来的电子是自由的传导电子，它能自由移动并传送电流。硅原子的共价键结构如果在纯净的硅晶体中掺入少量的 5 价杂质磷（或砷，锑等） ，由于磷原子具有 5 个价电子，所以

2、1 个磷原子同相邻的 4 个硅原子结成共价键时，还多余 1 个价电子，这个价电子很容易挣脱磷原子核的吸引而变成自由电子。所以一个掺入 5 价杂质的 4 价半导体，就成了电子导电类型的半导体，也称为 n 型半导体。 在 n 型半导体中，除了由于掺入杂质而产生大量的自由电子以外，还有由于热激发而产生少量的电子-空穴对。然而空穴的数目相对于电子的数目是极少的，所以在 n 型半导体材料中，空穴数目很少,称为少数载流子;而电子数目很多,称为多数载流子。n 型半导体同样如果在纯净的硅晶体中掺入 3 价杂质，如硼（或鋁、镓或铟等） ，这些 3 价杂质原子的最外层只有 3 个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价

3、键时，还缺少 1 个价电子，因而在一个共价键上要出现一个空穴，因此掺入 3 价杂质的 4 价半导体，也称为 p 型半导体。对于 p 型半导体，空穴是多数载流子，而电子为少数载流子。 P 型半导体若将 p 型半导体和 n 型半导体两者紧密结合，联成一体时，由导电类型相反的两块半导体之间的过渡区域，称为 p-n 结。在 p-n 结两边，由于在 p 型区内，空穴很多，电子很少；而在 n 型区内，则电子很多，空穴很少。由于交界面两边，电子和空穴的浓度不相等，因此会产生多数载流子的扩散运动。 在靠近交界面附近的 p 区中，空穴要由浓度大的 p 区向浓度小的n 区扩散，并与那里的电子复合，从而使那里出现一

4、批带正电荷的搀入杂质的离子。同时在 p 型区内，由于跑掉了一批空穴而呈现带负电荷的搀入杂质的离子。 同样在靠近交界面附近的 n 区中，电子要由浓度大的 n 区向浓度小的 p 区扩散，而电子则由浓度大的 n 区要向浓度小的 p 区扩散，并与那里的空穴复合，从而使那里出现一批带负电荷的搀入杂质的离子。同时在 n 型区内，由于跑掉了一批电子而呈现带正电荷的搀入杂质的离子。于是，扩散的结果是在交界面的两边形成一边带正电荷而另一边带负电荷的一层很薄的区域，称为空间电荷区。这就是 p-n 结。在 p-n 结内，由于两边分别积聚了负电荷和正电荷，会产生一个由正电荷指向负电荷的电场，因此在 p-n 结内，存在

5、一个由 n 区指向 p 区的电场，称为内建电场（或称势垒电场)。 太阳电池在光照下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，在 p 区、空间电荷区和 n 区都会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。这样形成的电子-空穴对由于热运动，向各个方向迁移。 光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进 n 区，光生空穴被推进 p 区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为 0。 在 n 区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向 p-n 结边界扩散，一旦到达 p-n 结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入 p 区，

6、而光生电子（多数载流子）则被留在 n 区。 p 区中的光生电子也会向 p-n 结边界扩散，并在到达 p-n 结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动，进入 n 区，而光生空穴（多数载流子）则被留在 p 区。 因此在 p-n 结两侧形成了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使 p型层带正电， n 型层带负电，因此产生了光生电动势。这就是“光生伏打效应” （简称光伏） 。 如果使太阳电池开路，即负载电阻， RL = ，则被 p-n 结分开的全部过剩载流子就会积累在 p-n 结附近，于是产生了等于开路电压VOC的最大光生电动

7、势。如果把太阳电池短路，即 RL = 0，则所有可以到达 p-n 结的过剩载流子都可以穿过结，并因外电路闭合而产生了最大可能的电流，即短路电流 ISC。 如果把太阳电池接上负载 RL，则被结分开的过剩载流子中就有一部分把能量消耗于降低 p-n 结势垒，即用于建立工作电压 Vm，而剩余部分的光生载流子则用来产生光生电流 Im。太阳电池的极性太阳电池一般制成 p+/n 型结构或 n+/p 型结构，其中第一个符号，即 p+和 n+表示太阳电池正面光照半导体材料的导电类型；第二个符号，即 n 和 p 表示太阳电池背面衬底半导体材料的导电类型。下图为在 p 型半导体材料上扩散磷元素，形成 n+/p 型结

8、构的太阳电池。上表面为负极；下表面为正极。二. 太阳电池的结构三. 太阳电池基本参数1.标准测试条件光源辐照度：1000W/m 2 ； 测试温度： 252 0C ； AM1.5 地面太阳光谱辐照度分布。四太阳光谱分布Materials Research Laboratories工 業 技 術 研 究 院工 業 材 料 研 究 所Industrial Technology Research Institute何 謂 AM0、 AM1、AM1.5？Wavelength (m)Spectral Iradiance(Wm-2m-1) AM0AM1.5AM 即 Air Mass， (不 同 Air Ma

9、ss 代 表 不 同 太 陽 光 光 譜 )AM0 (Air Mass 0) 1,400 W m-2AM1 (Air Mass 1) 1,000 W m-2AM1.5 (Air Mass 1.5) 844 Wm-2AM1.5 1,000 Wm-2 (IEC891、 IEC 904-1)EarthAM0AM1 AM1.5大 氣 層45o2.太阳电池等效电路(1)理想太阳电池等效电路： 相当于一个电流为 Iph的恒流电源与一只正向二极管并联。流过二极管的正向电流称为暗电流 ID.流过负载的电流为 I负载两端的电压为 V理想的太阳电池等效电路(2)实际太阳电池等效电路： 由于漏电流等产生的旁路电阻

10、Rsh由于体电阻和电极的欧姆电阻产生的串联电阻 Rs在 Rsh两端的电压为： Vj =(V+IRS)因此流过旁路电阻 Rsh的电流为： ISh= (V+IRS) / Rsh流过负载的电流： I= Iph ID ISh实际的太阳电池等效电路I暗电流 ID是注入电流和复合电流之和，可以简化为单指数形式： ID=Iooexp(qVj/A0kT)-1其中： Ioo为太阳电池在无光照时的饱和电 流； A0为结构因子，它反映了 p-n 结的 结构完整性对性能的影响； K 是玻尔兹曼恒量因此得出:这就是光照情况下太阳电池的电流与电压的关系。画成图形，即为( I-V)特性曲线。在理想情况下： Rsh ， Rs

11、0由此得到： I= Iph ID= Iph Iooexp(qV/A0kT)-1在负载短路时，即 Vj=0(忽略串联电阻)，便得到短路电流，其值恰好与光电流相等Isc= Iph因此得出： I= Iph ID= Isc Iooexp(qV/A0kT)-1在负载 R时,输出电流0,便得到开路电压 Voc3. 伏安 (I-V)特性曲线受光照的太阳电池，在一定的温度和辐照度以及不同的外电路负载下，流入负载的电流 I 和电池端电压 V 的关系曲线。下图为某个太阳电池组件的 (I-V)特性曲线示意图。不同辐照度下电池的 I-V 特性曲线4. 开路电压在一定的温度和辐照度条件下，光伏发电器在空载(开路)情况下

12、的端电压，通常用 Voc来表示。太阳电池的开路电压与电池面积大小无关，通常单晶硅太阳电池的开路电压约为 450-600mV，最高可达 690mV 。太阳电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。5. 短路电流在一定的温度和辐照条件下，光伏发电器在端电压为零时的输出电流，通常用 Isc来表示。Isc与太阳电池的面积大小有关，面积越大， Isc越大。一般 1cm2的太阳电池 Isc值约为 16-30mA。Isc与入射光的辐照度成正比。6. 最大功率点在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的点，又称最佳工作点。7. 最佳工作电压太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电压。通常用 Vm表示8. 最

13、佳工作电流太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电流。通常用 Im表示9. 转换效率受光照太阳电池的最大功率与入射到该太阳电池上的全部辐射功率的百分比。 = Vm Im / At Pin 其中 Vm和 Im分别为最大输出功率点的电压和电流， At为太阳电池的总面积， Pin为单位面积太阳入射光的功率。世界主要太阳电池新记录中国太阳电池实验室最高效率10. 填充因子(曲线因子)太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比，通常用FF(或 CF)表示： FF = ImVm/ IscVocIscVoc是太阳电池的极限输出功率ImVm是太阳电池的最大输出功率填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要

14、参数。11. 电流温度系数在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化 10C ，太阳电池短路电流的变化值，通常用 表示。对于一般晶体硅电池 = + 0.1%/0C12. 电压温度系数在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化 10C ，太阳电池开路电压的变化值，通常用 表示。对于一般晶体硅电池 = - 0.38%/0C六提高晶体硅电池效率的方法1. 紫光电池采用浅结(如 0.1-0.15m),和密栅(如 30 条/cm),克服了“死层,增加了电池的兰紫光响应,提高了电池的效率。 2. 背电场(BSF)电池在常规电池 n+/p 或 p+/n 的硅电池背面增加一层 p+或 n+层,即形成背电场,可

15、以使电池性能提高,并且不受电阻率和一定范围内单晶片厚度变化的影响。 3. 绒面电池采用选择性腐蚀溶液,使(100)硅片表面形成微小的金字塔型的小丘,小丘密度大约为 108-109个/厘米 2。 依靠表面金字塔形的方锥结构,对光进行多次反射,不仅减少了反射损失,而且改变了光在硅中的前进方向,延长了光程,增加了光生载流子的产量；曲折的绒面又增加了 p-n结面积,从而增加对光生载流子的收集率；并改善了电池的红光响应。 4. 聚光电池通过聚光器,使大面积聚光器上接收到的太阳光会聚一个比较小的范围内,形成“焦斑”或“焦带” 。位于“焦斑”或“焦带”处的太阳电池可得到较多的光能,使每一片电池能输出更多的电能。 需要配备一套包括：聚光器,散热器,跟踪器及机械传动机构等的聚光系统。