可再生能源概论左然第四章 太阳电池.pptx

第四章太阳电池4.1太阳电池的原理、发展和现状1)太阳光子打到半导体表面，能量大于禁带宽度的，打出电子空穴对。2)由于P-N结具有由N指向P的内建电场，电子和空穴分别向相反方向移动，在两侧电极积累。3)当与外负载连接时，电子将从N型外侧流出，经过负载返回到P型外侧，与P侧的空穴重新结合，同时对外输出电功。太阳电池工作原理太阳电池的发展历史1839年，法国物理学家贝克勒尔（E.Becquerel）在湿电池实验中发现光伏效应。但效率不足1%。1953年，美国贝尔实验室的皮尔逊(G.Pearson)、查平(D.Chapin)、富勒(C.Fuller)利用掺杂半导体硅晶片，得到比以前高得多的光电转换效率。1958年，美国第二颗卫星“先锋1号”首次采用太阳电池，为蓄电池充电，在太空连续工作8年。1977年，前苏联首次将GaAs太阳电池用在人造卫星上。我国1958年开始研制太阳电池，于1971年将封装有20多块单晶硅太阳电池的组合板用在我国第二颗人造卫星上。硅太阳电池的三位发明人、美国贝尔实验室的皮尔逊、查平和富勒（Pearson,Chapin,Fuller）在测量早期太阳电池的光响应。太阳电池的现状光伏发电产品主要用于三个方面：为无电场合提供电源，如边远地区的农牧民家庭、高山或海岛的部队、微波中继站等；太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯、太阳能草坪灯等；并网发电，这在发达国家己经大面积推广实施。国际市场上太阳电池价格(2004)：3美元/瓦，并网系统价格为6美元/瓦发电成本为25美分/千瓦时。现有太阳电池的成本约是煤电成本的5至8倍。据估算，如果太阳光伏发电的成本能够下降到10美分/千瓦时，就将有巨大的经济效益！单电池片、模块、阵列4.2光吸收与载流子产生每种半导体都有特定的禁带宽度Eg，即形成一个电子空穴对所需的最小能量。当hνEg的光子打到P-N结附近，能产生一个而且仅仅是一个电子空穴对（产生过程），多余的热量将转为晶格的振动，以热的形式散发掉。产生的电子和空穴最终将重新结合（复合过程），以光、电或热的形式释放出吸收的能量。当hνEg，即当波长λhC/Eg时，光子原则上不会被半导体吸收，而将透射。hνEg时光子的吸收示意图：（a）吸收光子后产生电子-空穴对（产生）；（b）受激发的电子通过散射将多余的能量释放给晶格；（c）电子与价带中的空穴重新结合（复合）。光子打到半导体表面，不会立即被吸收，而是进入内部一 段距离。光通量F（光子数/s-cm2）随移动距离x呈指数减少： F(0)为表面（x=0）的光通量，α为吸收系数，它是材料的禁带宽度 和入射光能量（或波长）的函数。光子进入半导体内部（与表面距离x）的吸收率（即单位体积载流子的产生率）为：对于间接带隙半导体Si，当样品厚度δ100μm时，不能吸收hνEg的全部光子；对于直接带隙半导体GaAs，样品只要1μm厚度就可以。显然，直接带隙比间接带隙更适合用作太阳电池。Si和GaAs分别是间接带隙和直接带隙半导体的代表。光吸收系数与光能量的函数关系由于只有超过带隙能量(即波长小于带隙波长)的光子才能产生电子/空穴对，长波长的光将透过半导体。由于每个光子只能打出一个电子-空穴对，超过带隙的多余能量只是使太阳电池变热。常用半导体材料的带隙与对应的光谱光伏效应原理光伏效应的三个主要步骤：（1）入射光子被P-N结附近的电子吸收，产生非平衡的电子-空穴对；（2）非平衡的电子和空穴从产生处向势场区运动，这种运动可以是由于多子的浓度扩散，也可以是由于P-N结两侧准中性区的微弱电场引起的少子漂移；（3）非平衡的电子和空穴在势 场作用下分离，向相反方向运动。光伏效应的能带解释：(a)光伏效应原理图；（b）无光照时（平衡时）的能带；（c）有光照但开路时的能带。光照下的电流和电压当能量为hνEg的光子打到P-N结上时，产生额外的电子—空穴对。将这些光产生载流子收集，产生的电流为：:激发光的产生速率：电子、空穴扩散长度q：电子电荷由于方程所描绘的光电流在P-N结内部由N流向P，当它与二极管方程所描绘的电流迭加时，须从总电流中减去。于是在光照下的二极管的I-V特性关系为：：电子、空穴的寿命如图可见:I-V曲线与载流子的产生率gop成比例下降P-N结在光照下的载流子产生：（a）P-N结的光吸收；(b)在N侧距离结为一个扩散长度内的光产生导致的空穴电流；(c)光照下的I-V特性。总电流由两部分相减组成：由通常的二极管方程所描绘的电流项，又称为暗电流Id，减去光生载流子所产生的电流项，又称为光电流Iop或短路电流Isc。即：暗电流p区少数载流子（空穴）浓度n区少数载流子（电子）浓度光电流当电池开路时，I=0。从方程中可解出开路电压V=Voc为对于特殊的对称结的情况，有pN=nP，τN=τP。方程可以简化为热