第三章 太阳能电池.ppt

第三章 太阳电池和发光二极管 主要内容 3.0 序言 3.1 半导体中的光吸收 3.2 太阳电池的工作原理 3.3 光生电流的收集效率 3.4 太阳电池设计的几个问题 3.5 各种太阳电池 3.6 总结 3.0 序 言 地球每天接收的太阳能，相当于整个世界一年所消耗的总能量的200倍。太阳每秒发出的能量就大约相当于1.3亿吨标准煤完全燃烧时所释放出的全部热量。 包括风能、海洋能等，都是太阳能的子孙、都是太阳能转换而成。 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。 研究背景 何为太阳电池? 太阳电池是一种将太阳能直接转化成直流电的装置。 能产生电压和电流提供给负载 (如照明灯具, 电池, 马达)。 P = I x V = I2 x R = V2 / R 它像电池因为它提供直流电。 它又不像电池因为它提供的电压随负载阻抗的变化而变化。 太阳电池截面 太阳能电池的发展（1） 1839年Becquerel发现光照下浸没在电解液中的电极间有电压存在。 1876年发现硒元素有同样的效应。 1941年研制出第一个硅太阳电池。 1954年现代太阳电池研究的开端。美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4% ，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。 太阳能电池的发展（2） 太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。一个4KW的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭的用电需要，每年少排放的CO2的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。 由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内太阳能电池能源在中国、美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发展最快的行业。 太阳能电池的发展（3） 硅太阳能电池的生产流程 太阳电池的应用 地面交通工具 外太空航空 偏远地区提供电力 主要内容 3.0 序言 3.1 半导体中的光吸收 3.2 太阳电池的工作原理 3.3 光生电流的收集效率 3.4 太阳电池设计的几个问题 3.5 各种太阳电池 3.6 总结 3.1 半导体中的光吸收 半导体材料对光吸收 本征吸收： 本征吸收 非本征吸收 吸收系数（ａ）：单位长度Si内可吸收的光 子个数。 吸收量与吸收深度的关系： F（x）= Fph · e -ａx 其中： F（x）—— 在Si内x界面处光子密度 Fph —— 入射光子流密度 例：计算光吸收达95%时所需要的x厚度？ 解： F（x）/ Fph = e -ａx = 95% 波长、吸收系数与吸收深度的关系 主要内容 3.0 序言 3.1 半导体中的光吸收 3.2 太阳电池的工作原理 3.3 光生电流的收集效率 3.4 太阳电池设计的几个问题 3.5 各种太阳电池 3.6 总结 3.2 太阳电池的工作原理 3.2.2 光生伏特效应 光生伏特效应： PN结受到光照后，产生电子-空穴对，对外产生光生电动势。 光是以光子的形式传播的，其能量可表示为： 光子的能量被转换给n-type中价带顶的电子。 这些电子于是被激发，离开了价带(电子为多数载流子，空穴为少数载流子) 。 从而产生电子-空穴对。 在 p-type 中空穴为多数载流子，电子为少数载流子 当 p-type 和 n-type 接触时形成 p-n 结，电子和空穴向对方层扩散 。 电子与空穴复合达到平衡时，形成耗尽层。 耗尽层将正负电荷分离，阻止电子和空穴向对方层的继续扩散– 形成内建电势。 光电效应： hγ≥ Eg，在P、N区产生电子空穴对 光生载流子扩散至空间电荷区 进入电荷区的电子和空穴被电场分别扫向N、P区 N区电子累积，P区空穴累积 产生光生电势，同时对外部呈现光生电场，即开路电压 光照能带图 实验曲线 测试条件 AM0----大气质量为0，最佳功率点135mW/cm2 AM1----地面上最佳气候条件，太阳在天顶光谱100mW/cm2（昆明、5月、山顶、12:00） AM2----稍有烟雾的气候条件，较小的太阳角光谱，72-75mW/cm2 光电流与结电流 光生电场在内部产生——结电流Ij 光生电压在外部产生——光电流IL=短路电流 I = IL- Ij = IL- I0 [ exp(qV/kT) -1 ] 开路电压Voc I = 0，即IL- I0 [ exp(qV/kT) -1 ] = 0 Voc = ( kT/q