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晶体硅太阳电池基本原理 (仅供学习交流使用) 爱因斯坦划时代的光电理论 20世纪最伟大的两个物理理论：相对论量子力学 相对论（狭义相对论和广义相对论） 一人的创作 量子力学 多人的集体创作（以玻尔为首的哥本哈根学派，如玻恩、泡利、海森堡、狄拉克等成员） 爱因斯坦划时代的光电理论 狭义相对论（1905年发表） 光速不变，四维时空，否定经典力学的绝对时空观 。 E-MC2 物体跑得越快，则时间变得越慢，长度变得越短，重量变得越重。 广义相对论（1916年发表） 引力场，宇宙黑洞，宇宙的有限无界 爱因斯坦划时代的光电理论 爱因斯坦于1905年发表光量子论，提出光子假说…… 爱因斯坦公式：Dn=(kT/q)μn Dh=(kT/q)μh 爱因斯坦因为解释光电效应方面的理论 而不是因为发表相对论获得诺贝尔物理奖（1921年） 爱因斯坦划时代的光电理论 诺贝尔委员会的错误决定？ 诺贝尔委员会的正确决定！ 半 导 体 材 料 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、 半导体及导体。 绝缘体：玻璃、橡胶、塑料、石英等 半导体：锗、硅、砷化镓、硫化镉等 导体：金、银、铜、铝、铅、锡等 半 导 体 材 料 1、热敏 2、光敏 3、杂质 4、其它特性（ 温差电效应，霍尔效应， 发光效应，光伏效应，激光性能等） 半 导 体 材 料 半导体的能级/能带 半 导 体 材 料 半 导 体 材 料 半 导 体 材 料 半 导 体 材 料 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有电子对就称为“共价键”。 半 导 体 材 料 半导体的掺杂 一、本征半导体 电子和空穴（载流子） Si在300K：1.5x1010/cm3 二、掺杂半导体：少量的掺杂可极大地增加载流子浓度 （常温时，Si：10-6 ? 105?） 1、N型半导体 2、P型半导体 半 导 体 材 料 1、N型半导体 在Si材料中掺入第V族元素 （P，As等） 多数载流子－电子 少数载流子－空穴 半 导 体 材 料 PN结的形成 扩散运动 因浓度差，载流子沿浓度梯度由高浓度向低浓度方向的运动。 漂移运动 受电场力的驱使，载流子沿由高电势向低电势方向的运动  PN结的形成 PN结的形成  平衡载流子 光电转换过程 太阳能电池发电要求： 1、必须有光的照射，可以是太阳光、单色光或模拟光。 2、光子注入到半导体后激发出电子、空穴对，此对电子空穴 必须有足够长的寿命，确保在分离前不会复合消失； 3、必须有一个静电场，使电子、空穴分离； 4、必须有电极分别收集电子和空穴输出到电池体外形成电流。 光电转换过程 光电转换过程 非平衡载流子（光照产生非平衡载流子） 光电转换过程 非平衡载流子（光照产生非平衡载流子） 光电转换过程 光电转换过程 光电转换过程 PN结加正向偏压 即P区接电源正极， N区接电源负极 空间电荷区的宽度减小，势垒高度从 qVD下降为q（VD-V） 光电转换过程 PN结加反向偏压 即P区接电源负极， N区接电源正极 空间电荷区的宽度减小，势垒高度从 qVD增大为q（VD+V） 光电转换过程 P-N结的I-V特性 Shockley 方程： Id =I0〔exp(qV/kT)-1〕  特点：单向导电性 光电转换过程 光电转换的三个物理过程 1、吸收光能激发出非平衡电子一空穴对 2、非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动 3、非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动 而分离 △光生电流的方向相当于普通二极管的反向电流的方向。 △光照使PN结势垒降低等效于PN结外加正向偏压，形成正向注入电流。这个电流的方向与光生电流刚好相反，是太阳电池中的不利因素。 光电转换过程 太阳电池的等效电路 太阳电池的等效电路 理想PN结特性： 太阳电池的等效电路 1、短路电流ISC： 太阳电池的等效电路 2、开路电压VOC： 太阳电池的等效电路 3、填充因子FF： 是输出特性曲线“方形”程