太阳电池的原理及结构.ppt

第3章 太阳电池的原理及结构 主要内容： 太阳能电池的原理及结构 硅太阳能电池的结构及制备工艺 薄膜太阳能电池的结构及制备工艺 * 3.1 太阳能电池的原理及结构 3.1.1 太阳电池原理——光生伏特效应 半导体材料的本征光吸收：光照到半导体材料上时，价带中的电子吸收的能量大于禁带宽度，那么电子会由价带跃迁到导带，产生电子空穴对，称为本征吸收。——光电导现象 光吸收：光照射到物体上，有一部分会被物体吸收，如果入射光的能量为I0，则在距离物体表面x处的光的能量为： 本征吸收条件： 本征吸收限： p-n结光生伏特效应: P N EF qV0 q(V0-V) 光生电流 正向电流 正向电流 输出电流 电流电压特性 等效电路： R 上图分别是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线 开路电压： 短路电流： 入射光子被吸收产生电子-空穴对 hγ＞ Eg 电子-空穴对在复合之前被分开 p-n结存在内建电场 分开的电子和空穴传输至负载 连接导线 从上面的分析可以看出，任何光伏组件如要成功运作，其必须具有以下三个条件： 3.1.2 表征太阳能电池的参数 I = IF-IL 由光电池的伏安特性曲线，可以得到描述太阳能电池的四个输出参数。 在p-n结开路情况下（R=∞），此时pn结两端的电压即为开路电压Voc。 这时，I=0，即：IL=IF。将I=0代入光电池的电流电压方程，得开路电压为： １.开路电压Voc 2.短路电流Isc 如将pn结短路（V=0），因而IF=0，这时所得的电流为短路电流Isc。显然，短路电流等于光生电流，即： ３.填充因子FF 在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vop和最佳工作电流Iop。 填充因子定义为： FF =VopIop/VocIsc= Pmax/VocIsc 它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积在Voc和Isc所组成的矩形面积中所占的百分比。特性好的太阳能电池就是能获得较大功率输出的太阳能电池，也就是Voc，Isc和FF乘积较大的电池。对于有合适效率的电池，该值应在0.70-0.85范围之内。 ４.太阳能电池的光电转化效率η η=（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）x100% = （Vop x Iop/Pin x S）X100% = Voc?Isc?FF/Pin ? S 其中Pin是入射光的能量密度，S为太阳能电池的面积. 表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。即： 能量hν大于材料的禁带宽度Eg，被材料吸收而激发电子-空穴对，最大短路电流值显然仅与材料带隙Eg有关，其关系如图所示。 短路电流Isc的考虑： 在AMO和AM1.5光照射下的最大短路电流值 影响太阳能电池转化效率的因素： 开路电压Voc的考虑： 开路电压Voc的最大值，在理想情况下有下式决定： 式中IL是光生电流，在理想情况即为上图所对应的最大短路电流。I0是二极管反向饱和电流，其满足： I0=Aq(Dn/LnNA+Dp/LpND)ni2 ni2= NcNvexp(-Eg/kT) 显然， Is随Eg增大而减小， Voc随Eg增大而增大。 填充因子FF的考虑： 在理想情况下，填充因子FF仅是开路电压Voc的函数，可用以下经验公式表示： FF =[Uoc-ln(Uoc+0.72)]/(Uoc+1) Uoc = Voc(kT/q)1/2 这样，当开路电压Voc的最大值确定后，就可计算得到FF的最大值。 综合上述结果，可得到作为带隙Eg的函数的最大转换效率，其结果示于右图中。 对于单晶硅太阳能电池，理论上限是27%，目前研究得到的最大值为24%左右。GaAs 太阳能电池的转换效率的理论上限为28.5%，现在获得的最大值是24.7%。如何进一步提高太阳能电池的转换效率是当前的研究课题。 实际太阳电池的等效电路图 Rsh：并联电阻 Rs：串联电阻 3.1.3 硅太阳电池制备及结构 晶体硅太阳能电池是典型的p-n结型太阳电池，它的研究最早、应用最广，是最基本且最重要的太阳电池。 在实际工艺中，一般利用200～500μm厚的掺硼的p型硅材料作为基质材料，通过扩散形成0.25 μm厚的n型掺杂剂，形成p-n结，通常选用磷作为n型掺杂剂。 p-n结的制备技术： 磷扩散分为：气态、固态和液态扩散。 气态磷扩散：在扩散系统内，引入含磷气体P2H2 ，