4-2第四章_PN结-2汇编.ppt

光伏电池等效电路 三、太阳能电池输出参数 不论是一般的化学电池还是太阳能电池，其输出特性一般都是用如下图所示的电流－电压曲线来表示。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。 描述太阳能电池的参数 １、开路电压Voc 　　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： Voc＝ kT q ln( IL I0 +1) 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： Isc = IL 开路电压与I0有关，取决于半导体性质。 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、太阳能电池的能量转化效率? 其中Pin是入射光的能量密度，S为太阳能电池的面积，当S是整个太阳能电池面积时，?称为实际转换效率，当S是指电池中的有效发电面积时，?叫本征转换效率。 表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。 即： ? =（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 4有限尺寸对I0的影响 前面推导饱和电流时，条件是PN结两边无限远。但实际并非如此，一个光电池如图： 存在表面，在表面由于 表面复合存在，对饱和电 流进行修正。 考虑两种极端情况： 1.复合速度无穷大，相 当于表面无载流子； 2.复合速度极低。 用这些做为条件，可以修正的饱和电流表达式（见附件）： 如果P型侧具有高复合速度，那么Fp有如下形式： Wp表示P型区的宽度，上式为双曲余切函数。 如表面是低复合速度 结论：两个表面都具有低的复合速度，饱和电流就达到最小值。开压达到最大值。 作业：4.1、4.5 选做：4.4 一、太阳能电池的结构和基本工作原理 下图示意地画出了单晶硅pn结太阳能电池的结构，其包含上部电极，无反射薄膜覆盖层，n型半导体，p型半导体以及下部电极和基板。 当有适当波长的光照射到这个pn结太阳能电池上后，由于光伏效应而在势垒区两边产生了电动势。因而光伏效应是半导体电池实现光电转换的理论基础，也是某些光电器件赖以工作的最重要的物理效应。因此，我们将来仔细分析一下pn结的光伏效应。 设入射光垂直pn结面。如果结较浅，光子将进入pn结区，甚至更深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子-空穴对。在光激发下多数载流子浓度一般改变较小，而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数载流子的运动。 无光照 光照激发 由于pn结势垒区内存在较强的内建电场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过p-n结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在p-n结两端形成了光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。由于光照在p-n结两端产生光生电动势，相当于在p-n结两端加正向电压 V，使势垒降低为qVD-qV，产生正向电流IF. 在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，p-n结两端建立起稳定的电势差Voc，（p区相对于n区是正的），这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。 由上面分析可以看出，为使半导体光电器件能产生光生电动势（或光生积累电荷），它们应该满足以下两个条件： 1、半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数?，即要求入射光子的能量h?大于或等于半导体材料的带隙Eg，使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。 2、具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子，在p区内积累了非平衡空穴，而在n区内积累起非平衡电子。产生了一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场，于是在p区和n区间建立了光生电动势（或称光生电压）。 除了上述pn结能产生光生伏特效应外，金属-