《2010新能源技术-2.2.3-光伏发电原理2(学时2)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2010新能源技术-2.2.3-光伏发电原理2(学时2)（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、20102010 新能源技术新能源技术-2.2.3-2.2.3-光伏发电原理光伏发电原理 2(2(学时学时 2)2)本文由塞外 1987 贡献ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。新能源技术教学太阳能光电转换技术 光伏发电） （光伏发电）1outline第一节 太阳电池发展概述 第二节 太阳电池用硅材料制备技术第三节 太阳能电池的基本原理第四节 晶体硅太阳电池 第五节 非晶硅太阳电池2第三节 太阳能电池的基本原理一、半导体与 P-N 结 半导体与 结 二、太阳能电池的基本特性1 光伏发电原理和影响因素 2 太阳电池效率和结构设计31 光伏发
2、电原理和影响因素1.1 光的吸收与载流子复合 1.2 光照的影响 1.3 光谱响应 1.4 温度的影响 1.5 寄生电阻的影响41.1 光的吸收与载流子复合当光照射到半导体材料时，拥有比禁带宽（Eg）还小的能 量（Eph）的光子与半导体的相互左右极弱，于是顺利地 穿透半导体，就如半导体是透明的一样。 然而，能量比带隙能量大的光子（EghEg）会与形成共价 键的电子相作用，用它自身所具有的能量去破坏共价键， 形成可以自有流动的电子-空穴对。导带Eg(禁带宽 禁带宽) 禁带宽 价带光照时电子-空穴对的产生 光照时电子 空穴对的产生5光子的能量越高，被吸收的位置就越接近半导体表面，较 低能量的光子则
3、在距半导体表面较深处被吸收。光的能量与电子-空穴对产生的位置间的联系 光的能量与电子 空穴对产生的位置间的联系6Resource Characteristics 地面附近太阳辐射光谱图 地面附近太阳辐射光谱图7The absorption depths of silicon8单位体积内电子-空穴对的产生率可用下式表示：G = Ne xN 为光子的流量（每秒流过单位面积的光子数量） ， 是吸收系数，x 是到表面的距离。 物理意义 物理意义 相当于某波长的光在媒质中传播1/ 距离时能量减弱到 原来能量的 1/e。一般用吸收系数的倒数1/ 来表征该波 长的光在材料中的透入深度。9在 300K 时，对
4、于硅材料， 和波长的函数关系 时 对于硅材料， 和波长的函数关系1011The generation rate in silicon for several wavelengths of light121.1 光的吸收与载流子复合当光源被关掉后，系统势必会回到一个平衡状态。在 没有外界能量来源的情况下，电子和空穴会无规则运 动直到他们相遇并复合。任何表面或内部的缺陷、杂质都会促进复合的产生。 材料的载流子寿命可以定义为电子空穴对从产生到复 合的平均存在时间。对于硅，典型的载流子寿命约为 1s。13类似的，载流子的扩散长度就是载流子从产生到复合 所能移动的平均距离。对于硅，扩散长度一般是 100
5、300m。 这两个参数为太阳能电池应用的材料提出参考。 如果没有一个使电子定向移动的方法，半导体就无法 输出能量。因此，一个功能完善的太阳能电池，通常 需要增加一个整流 P-N 结来实现。141.2 光照的影响照射到电池上的光可呈现多种不同的情形。为了使太阳能 电池的能量转换效率最大化，必须设计使之得到最大的直 接吸收以及反射后的吸收。1-顶电极上的反射与吸收；2-在电池表面的反射；3-可用的吸收； 顶电极上的反射与吸收； 在电池表面的反射 在电池表面的反射； 可用的吸收 可用的吸收； 顶电极上的反射与吸收 4-电池底部的反射（仅对吸收较弱的光线有效） ； 反射后的吸收； 电池底部的反射（ ）
6、 ；5-反射后的吸收 电池底部的反射 仅对吸收较弱的光线有效） ； 反射后的吸收； 6-背电极处的吸收 背电极处的吸收15在 P-N 结电场 E 的作用下，电子受力向 N 型一侧移动，空穴 受力向 P 型一侧移动。短路时，在外电路产生光电流。理想短路情况下 P-N 结区域电子与空穴的流动（电子、空穴产生、定向移 结区域电子与空穴的流动（电子、空穴产生、 理想短路情况下 结区域电子与空穴的流动 被收集、外电路流动） 动、被收集、外电路流动）16尽管如此，一部分电子和空穴在被收集之前就已经消 失了。电子空穴对复合的一些可能模式， 电子空穴对复合的一些可能模式，以及未复合的载流子被收集的情况17总体
7、来说，在 P-N 结越近的地方产生的电子空穴对越 容易被收集。当 V=0 时，那些被收集的载流子将会产 生一定大小的电流。如果电子空穴对在 P-N 结附近小 于一个扩散长度的范围内产生，收集的几率就比较大。181.2 光照的影响在无光照的情况下，描述二极管电流 I 和电压 V 间函数 关系的特征曲线（I-V 曲线）为：qV I = I 0 exp( ) ? 1 nkT光线的照射对太阳电池的作用，可以认为是在原有的 二极管暗电流基础之上叠加了一个电流增量，于是二 极管公式变为：qV I = I 0 exp( ) ? 1 ? I L nkT19电压电流 方向？ 方向？光的照射对 P-N 结电流 电
8、压间函数特性的影响 结电流-电压间函数特性的影响 光的照射对 结电流202ND Quadrant: GenerationI 1ST Quadrant: Dissipation V3D Quadrant: Dissipation4TH Quadrant: GenerationPower is either generated or dissipated, depending on the quadrant you are in.21IIPower Dissipating RegionVPower Generating RegionVPower Dissipating RegionDark Cha
9、racteristicLight Characteristic22光照能使电池的 I-V 曲线向下平移到第四象限，于是二 极管的电能可以被获取。 为便于讨论，太阳电池的 I-V 特性曲线通常被上下翻转， 将输出曲线置于第一象限，并用下式表示：qV I = I L ? I 0 exp( ) ? 1 nkT23The VI characteristic of a solar cell is usually displayed like this: V II The coordinate system is flipped around the voltage axis.24V用于衡量在一定照射强度
10、、工作温度以及面积条件下， 太阳能电池电力输出的两个主要制约参数为： 短路电流（Isc， Short circuit current ） 短路电流 当电压为零时电池输出的最大电流，Isc=IL。Isc 与所 接受到的光照强度成正比。 开路电压（Voc， Open circuit voltage ） 开路电压 电流为零时，电池输出的最大电压。Voc 的值随辐照强 度的增加成对数方式增长。VOCIL nkT = ln( + 1) q I0qV I = IL ?I0exp( ) ?1 nkT25Question #1:I = ISCR = 0Does it surprise you that the
11、 current at short circuit is not infinite? Or that a current can flow with no voltage? Where does the energy originate?26Question #2: I = 0 + _ V = VOCR = 27RS , RSH RSH ISC The slopes of these lines are characteristic resistances. VOC28RSCell RS ISC RSH RLOADCell Equivalent circuit for a solar cell
12、 with load. Internal resistances RS and RSH represent power loss mechanisms inside the cell.29RS = 0? ? ISC RSH = RLOADThe ideal solar cell would have no internal losses at all! What would the VI characteristic of THIS cell look like?30The Ideal Solar Cell ISC RSH = RS = 0VOC31The Ideal Solar Cell I
13、SC Notice that the area under the rectangle = PMAX for the ideal cell. For this cell, PMAX = VOC ISCVOC32对于 I-V 曲线上的每一点，都可取该点上电流与电压的 乘积，以反映此工作情形下的输出电功率。 填充因子（FF，Fill Factor）是衡量电池 P-N 结的质 量以及串联电阻的参数。 填充因子定义为：FF =所以：Vmp I mp Voc I scPmp = Voc I sc FF33ISC , PMAX , VOC ISC(0V, 150 mA) V I = 0 mW (0.43
14、V, 142 mA) V I = 61 mWPMAXSome typical values(0.5V, 0 mA) V I = 0 mWVOC34Fill Factor ISC In fact, PMAX/(ISC VOC) measures the cells quality as a power source. The quantity is called the “Fill Factor.” Can you see why? VOC35补充：最大转换效率为带隙 的函数 补充：最大转换效率为带隙 Eg 的函数Pmp = Voc I sc FF定性结论： 定性结论： 短路电流随 Eg 的增大
15、而减小； 短路电流随 的增大而减小； 的增大而减小 开路电压随 Eg 的增大而增大 的增大而增大； 开路电压随 的增大而增大； 在 Eg 为 1.4eV 时出现太阳电池的最大转换效率 为 时出现太阳电池的最大转换效率361.3 光谱响应当单个电子的能量比半导体材料的禁带宽度大时，太 阳电池就会吸收这个光子并产生一个电子空穴对，在 这种情况下，太阳能电池对入射光的光子产生响应。 光子能量超出禁带宽度的部分以热量形式散失。电子空穴对的产生与超过带隙部分能量的散失37量子效率（ ） 量子效率（QE）太阳电池的量子效率（QE，Quantum Efficiency）可 以定义为：假设照射到太阳能电池上的
16、光子流为 nph，IL 这些光子在电池内部产生电子空穴对 ne = ， q则最终这些载流子对太阳能电池输出电流产生贡献的 概率称为量子效率。 通常情况下，量子效率指外部量子效率（EQE， External Quantum Effiency） ，外部量子效率可以通 过一些易于直接测量的数据来计算。I SC ne IL EQE = = = qn ph qn ph n ph38太阳电池能够响应的最大波长被半导体材料的禁带宽 度所限制。当禁带宽度在 1.01.6eV 时，入射阳光的 能量才有可能被最大限度地利用。 单独考虑这个因素，就将太阳电池的最大可能转换效 率限制在 44%以下。39光谱响应度另一个值得注意的物理量是太阳能电池的光谱响应度， 用每瓦特功率入射光所产生的电流强度来表示。 理想情况下，光谱响应度随着波长的增加而增加。40光谱响应度然而，在短波长辐射下，电池无法利用光子的全部能量， 然而，在短波长辐射下，电池无法利用光子的全部能量，长波 长辐射下，电池对光线的吸收作用较弱， 长辐射下，
