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1、第二章 光伏电池及其特性,1. Principle of Solar Cells 2 .硅型光伏电池的电特性 3.光伏电池的外特性 4. 光伏电池性能的检测 5.光伏电池的结构和分类,What are Semiconductors?,入门 导电性界于导体与绝缘体之间的材料 中阶 电阻系数约为10-4 108 .cm的材料 进阶 能隙约在 4eV以下之的材料,2.1 Principle of Solar Cells,photovoltaic cells,2.1.1半导体的基础知识,重要的半导体分类,Element semiconductor（元素半导体） Compound semiconduct
2、or（化合物半导体） Intrinsic semiconductor（本征半导体） Extrinsic semiconductor（掺杂半导体） Direct semiconductor（直接半导体） Indirect semiconductor（间接半导体） Degenerate semiconductor（简并半导体） Non-degenerate semiconductor（非简并半导体） Compensated semiconductor（补偿半导体） Non-compensated semiconductor（非补偿半导体）,能带理论（补充内容）,能带理论的基本要点,量子力学计算表明
3、,固体中若有N个原子,由于各原子间的相互作用,对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了N条靠得很近的能级,称为能带。,能带宽度E,量级为EeV，若N1023, 两能级的间距约10-23eV。,越是外层电子，E越大。 点阵间距越小，E越大。 两个能带有可能重叠。,Li原子电子构型是1s22s1,能带中的电子分布,满带：能带中所有能级（轨道）均有电子占据，为由充满电子的原子轨道能级所形成的低能量能带。 空带：能带中所有能级（轨道）均无电子占据。 禁带：不允许有电子占据的能量范围。禁带宽度（满带与空带的能量间隔）称为带隙。,能带中的电子分布,价带：依据轨道能量高低顺序填充电子时，最后由价电子填充的（轨
4、道）能带称为价带。 导带：部分被价电子（可自由移动）占据的能带可称为导带。导带可以是由未充满电子的原子轨道组合而成的能带（价带），或（与满带重叠或能量相近）空带。,导体、半导体和绝缘体,导体 价电子能带是半满的(如Li,Na)，或价电子能带是全满但有空的能带(Be,Mg)，而且两个能带能量间隔很小，彼此发生部分重叠。,Eg,导体、半导体和绝缘体,导体,金属钠,金属镁,导体、半导体和绝缘体,绝缘体 价电子都在满带，导带是空的，而且满带顶与导带底之间的能量间隔（即禁带宽度）大。 在外电场作用下，满带中的电子不能越过禁带跃迁到导带中，故不能导电。,Eg,禁带宽度5eV,导体、半导体和绝缘体,半导体
5、满带被电子充满，导带是空的，便禁带宽度很窄。 由于禁带宽度小，因此当光照或在外电场作用下，使满带上的电子，很容易跃迁到导带上，使原来空的导带充填电子，同时在满带上留下空穴。,Eg,禁带宽度3eV,（1）Intrinsic semiconductor,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体 (纯半导体)。,硅（锗）的原子结构,简化模型,本征半导体, 本征半导体的原子结构和共价键,共价键内的电子 称为束缚电子,挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子,价带中留下的空位 称为空穴,外电场E,自由电子定向移动 形成电子流,束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流, 在半导体物理中，通常把这种形成共价
6、键的价电子所占据的能带称为价带，而 把价带上面邻近空带（自由电子占据的能带）称为导带。导带和价带之间为禁带。,The Diamond Structure,(a) Diamond lattice. (b) Zincblende lattice.,真实的原子分布（三维）,Covalence Bonds,A tetrahedron bond (a) 3-D. (b) 2-D,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,本征激发,Formation of intrinsic carriers,在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位（空穴）的过程。,复
7、合：,自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。,漂移：,自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。,结论:,1. 本征半导体的电子空穴成对出现, 且数量少；,2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；,3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。,本征激发的特点,（2） Extrinsic Semiconductor,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,硅原子,磷原子,多余电子,自由电子浓度大于空穴浓度多数载流子（多子）,N型半導體,P-type Semiconductor (P型半导体),空穴,硼原子,硅
8、原子,空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动。,少了一个带负电荷的电子,可视为多 了一个正电荷),N 型半导体和 P型半导体,N型,磷原子,自由电子,电子数 空穴数,电子为多数载流子(多子),空穴为少数载流子(少子),载流子数 = 电子数 + 空穴数 电子数,P 型,硼原子,空穴,空穴数 电子数,空穴 多子,电子 少子,载流子数 空穴数,施主 离子,施主 原子,受主 离子,受主 原子,1.要形成水的循环，必须有水，同时还必须把水抽上去。而要形成电流，必须有载流子（电子或者空位）的产生，同时必须能让正负电荷分开。,1.2 Principle of Solar Cells,Principle
9、of Solar Cells,思考：,浓度差使多子产生扩散运动,当参与扩散运动的多子数目和参与漂移运动的少子数目相同时，达到动态平衡，就形成了PN结。,内电场使少子产生漂移运动,内电场,(1) 无光照时,PN结的形成,采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一硅片上，在它们的交界面处就会形成PN结,太阳电池发电原理示意图,(2) PN结受光照后，光伏效应,半导体吸收光能产生带正电和负电的粒子（空穴和电子），在内建电场作用下，电子（）朝N型半导体汇集，而空穴（）则朝P型半导体汇集。 如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电
10、荷，这样在pn结上产生一个光生电动势。这一现象称为光伏效(Photoelectric effect）,内建电场,是指在电池表面被反射回去的一部分光线； 是指刚进电池表面被吸收生成电子-空穴对的光线，其中大部分是吸收系数较大的短波光线。它们来不及达到P-N结就很快地被复合还原。所以它们对产生光生电动势没有贡献；,光伏电池的光照的详细情况,是指在P-N结附近被吸收生成电子-空穴对的那部分光线，它们是使太阳能电池能够有效发电的有用光线。这些光生少数载流子在P-N结特有的漂移作用下产生光生电动势；,是指辐射到电池片深处，距离P-N结较远的地方才被吸收的光线，它们与光线的情况相同，虽能产生电子-空穴对，
11、在P-N较远处被复合，只有极少部分能产生光生电动势；,光伏电池的光照的详细情况,是指被电池吸收，但是由于能量较小不能产生电子-空穴对的那部分光线，它们的能量只能使光伏电池加热，温度上升； 是指没有被电池吸收而透射过去的少部分光线。,光伏电池的光照的详细情况,由此可见，能够产生光生电动势的主要是光线。所以应该尽可能地增加它们的比例数量，才能提高光伏电池的光电转换效率。 所谓光电转换效率，是指受光照的太阳能所产生的最大输出电功率与入射到该电池受光几何面积上全部光辐射功率的百分比。,光生载流子形成电流的过程,光伏电池的工作原理,电流方向,2 .2硅型光伏电池的电特性,2.2.1 等效电路 2.2.2
12、 光伏电池伏安特性曲线 2.2.3 输出功率和输出因子 2.2.4 输出效率,2.2.1光伏电池的等效电路,一般等效电路图,问题1：为什么可把光伏电池看成一个电流源和一个硅二极管的复合体?,内建电场,-,+,-,+,+,+,+,+,-,-,-,-,2.载流子的汇聚会在PN结内产生一个与原内建电场方向相反的附加电场，在一定程度上降低了原内建电场。相当与PN节的正向偏置，多数载流子的扩散产生一个向下的暗电流。,1.少数载流子的漂移产生电流；,1. 等效电路中符号的说明,光伏电池的等效电路图,1.Rs为串联电阻 主要是由于半导体材料的体电阻、金属电极与半导体材料的接触电阻、扩散层横向电阻以及金属电极
13、本身的电阻。一般小于1.,负载 load,Photic adj.光的, 与光有关的,外接负载电阻,暗电流,等效电路中符号的说明,负载 load,Photic adj.光的, 与光有关的,由于由于电池表面污染、半导体晶体缺陷引起的边缘漏电，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻RSh来等效，一般为几千欧。漏电流越小，并联电阻也就越大。,2. Rsh为旁路电阻。,光伏电池的等效电路图,L,2.实际等效电路中各变量之间的关系,式中 I0反向饱和电流； U 等效二极管的端电压； q电子电量； T绝对温度；A二极管曲线因子，取值在12之间，有的地方用n表示。,光伏电池的等效电路图,
14、L,实际等效电路中各变量之间的关系,显然，太阳电池的串联电阻Rs越小，旁路电阻Rsh越大，越接近于理想的太阳电池，该太阳电池的性能也越好。,目前的太阳电池制造工艺水平，在要求不很严格时，可以认为串联电阻接近于零，旁路电阻趋近于无穷大，也就可当做理想的太阳电池看待。,理想太阳能电池的等效电路图以及变量关系,由于电路中无电源，电压U=IR实际加在太阳电池的结上，即结处于正向偏置。一旦结处于正向偏置时，二极管电流Id=I0exp(qU/AkT)-1朝着与光激发产生的载流子形成的光电流Iph相反的方向流动。,(1) 因而流过负载电阻的电流值为,-(1)式,测试输出特性,P,N,作业一,1. 阐述PN结
15、的形成过程，并画出示意图。 2.结合示意图，阐述晶体硅太阳能电池的工作原理，要求画出光照时载流子的运动和电流方向。,PN结正向偏置,内电场减弱，使扩散加强，扩散飘移，形成正向电流，PN结导通,PN结反向偏置,内电场增强，抑制扩散、加剧漂移，形成反向电流，也称漂移电流，因为漂移电流是由少子运动引起的，而其数目极少，因此漂移电流很小，常可忽略不计，认为PN结处于截止状态。,反向饱和电流 很小，A级,反向饱和电流,是指给PN结加一反偏电压时，外加的电压使得PN结的耗尽层变宽，结电场（即内建电场）变大，电子的电势能增加，P区和N区的多数载流子（P区多子为空穴，N区多子为电子）就很难越过势垒，因此扩散电
16、流趋近于零； 但是由于结电场的增加，使得N区和P区中的少数载流子更容易产生漂移运动，因此在这种情况下，PN结内的电流由起支配作用的漂移电流决定。漂移电流的方向与扩散电流的方向相反，表现在外电路上有一个流入N区的反向电流，它是由少数载流子的漂移运动形成的。由于少数载流子是由本征激发而产生的，在温度一定的情况下，热激发产生的少子数量是一定的，电流趋于恒定。,2.2.2 光伏电池的伏安特性曲线,太阳能电池的主要技术参数,由上式可知，当负载R从0变到无穷大时，负载R两端的电压U和流过电流I 之间的关系曲线，即为太阳电池的负载特性曲线，通常称为太阳电池的伏安特性曲线，以前习惯称为I-V特性曲线。,流过负载的电流为,(1) 伏安特性曲线的表示方法：,内建电场,-,+,-,+,+,+,+,+,-,-,-,-,从上图可以看出： 光照时，光伏电池的电流方向与PN节
