太阳能电池 太阳能电池材料.ppt

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1、1,太阳能电池及其材料,主要内容,五、太阳能电池的应用与未来展望,二、太阳能电池的基本原理,三、太阳能电池的结构与特性,一、前言,四、太阳能电池的种类,2,参考资料,1.太阳能电池：工作原理、技术和系统应用，澳大利亚洛林 著，狄大卫等译著，上海交通大学出版社,出版时间：2010-08 2.太阳能电池材料、制造、检测技术，翁敏航 著，科学出版社，出版时间：2013-4 3.太阳能光伏技术（第2版），（德）瓦格曼，艾施里希 著，叶开恒 译，西安交通大学出版社，出版时间：2011-11 4.薄膜太阳电池的基础和应用，（日）小长井诚编著，李安定，吕全亚，陈丹婷 译，机械工业出版社，出版时间：2011-

2、9,一、前言,能源是人类社会生存与发展的基石，人类社会文明发展史也可以说是一部能源发展史。为了使人类能够继续发展，就必须保护人类赖以生存的自然环境与自然资源，也必须不断地探索和发展新能源，这是人类进入新世纪所面临的严重挑战。,5,太阳能概述,人类迄今已有400万年的历史，在这期间，人类从学会使用火开始，经过石器、铁器时代，直到近代工业化革命，各种技术发明使人类文明到达了一个前所未有的高度。同时，人类消耗的能源也日益增长，其中煤、石油等是今天主要的能源来源。,随着人类活动的不断进行，地球的环境问题也日益突出,温室效应、酸雨、沙漠化等,清洁能源的开发与利用,8,太阳辐射,太阳是一个充满气体的热球，

3、其内部因太阳内核发生核聚变反应（氢转化成氦），温度超过20000000k，其表面温度大概在6000K左右，接近于一个黑体。（黑体：如果物体辐射出的电磁波不在可见光范围内，而照射到物体的所有电磁波又都被吸收了，那么它一定是不可见的、黑的。） 太阳辐射的总功率不只是由单一的波长构成的，而是由许多波长组成，因此在人眼中呈现白色或黄色，使用棱镜便可以看到这些不同波长的光了。,UNSW新南威尔士大学,低能量光子,高能量光子,太阳光,玻璃三棱镜,10,地球表面的太阳辐射,当入射到地球大气层的太阳辐射相对稳定时，影响地球表面辐射的主要因素是: 大气效应，包括吸收和散射； 当地大气质量的不同，如水蒸气、云层和

4、污染； 纬度位置不同； 一年中季节的不同和一天里时间的不同,11,地球表面的太阳辐射 大气影响,大气效应在几个方面影响着地球表面的太阳辐射，在光伏应用领域其主要影响为： 由大气吸收、散射和反射引起的太阳辐射能量的减少。 由于大气对某些波长的较为强烈地吸收和散射而导致光谱含量的变化。 当地大气层的变化引起入射光能量、光谱和方向的额外改变。 如下图所示：,12,典型的晴空时，大气对入射太阳光的吸收和散射。,13,地球表面的太阳辐射 大气影响,大气层的吸收 当太阳光穿过大气层时，气体、灰尘和悬浮颗粒都将吸收入射光子。特殊的气体包括臭氧（O3）、二氧化碳（CO2）和水蒸气（H2O）都能强烈地吸收能量与

5、其分子键能相近的光子。这样的吸收将使得辐射光谱曲线深深地往下凹。 举例说，多数波长大于2 m的远红外光会被水蒸气和二氧化碳吸收。相似的，大多数波长小于0.3 m的紫外光会被臭氧吸收（但还不足以完全防止晒伤！）。,14,大气层的散射 当光穿过大气层被吸收的同时也发生散射。大气中光的散射机制之一就是人们熟知的瑞利散射，它由大气中的分子引起。 散射光主要是蓝光，所以除了太阳所处的区域外，来自天空所有区域的光都呈现蓝色。在天气晴朗的日子，入射光线中大概有10%会被散射。,地球表面的太阳辐射 大气影响,红光的波长大于多数的粒子线度，不会受影响。,蓝光的波长与大气中粒子线度相当，所以被强烈散射 。,15,

6、来自云层和其它大气层的地方差异的影响 大气对入射太阳光的最终影响来自大气层的地方差异。取决于覆盖云层的类型，入射光能量将会有不同程度的减少。,地球表面的太阳辐射 大气影响,右图：在墨尔本的冬天，晴天和多云天气时光伏阵列的相对输出电流，光伏阵列的倾斜角为60,16,地球表面的太阳辐射 大气质量,AM = Air Mass 大气质量,人们常用 AM来表示直射的日光通过大气长度（空气量）的单位，用来表示大气对地球表面接收太阳光的影响程度，它量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰减程度。它是由太阳光的入射角和大气压所决定的量。,17,大气质量为零的状态（AM 0）,指得是在地球外空间接收太阳

7、光的情况，适用于人造卫星和宇宙飞船等应用场合。 大气质量为1的状态（AM 1），是指太阳光直接垂直照射到地球表面的情况，其入射光功率为925 W/m2。相当于晴朗夏日在海平面上所承受的太阳光。这两者的区别在于大气对太阳光的衰减，主要包括臭氧层对紫外线的吸收、水蒸气对红外线的吸收以及大气中尘埃和悬浮物的散射等。,地球表面的太阳辐射 大气质量,18,在太阳光入射角与地面成夹角时，大气质量为： AM=1/cos = sec 当=48.2%时，大气质量为AM 1.5，是指典型晴天时太阳光照射到一般地面的情况，其辐射总量为1 kW/m2，常用于太阳能电池和组件效率测试时的标准。,“大气质量”描绘了太阳光

8、到达地面前所需走过的路程与太阳处在头顶处时的路程的比例，也等于Y/X.,地球表面的太阳辐射 大气质量,19,估算大气质量的一个最简单的方法就是测量一个垂直立着的标杆的投影长度。,如右图，大气质量等于斜边的长度除于标杆的高度h，然后由勾股定理便得到：,地球表面的太阳辐射 大气质量,20,地球表面的太阳辐射 大气质量,标准太阳光谱和太阳辐射 太阳能电池的效率对入射光的能量和光谱含量都非常敏感。为了方便不同时间和不同地点时太阳能电池的数据比较，人们定义了地球表面的光谱和功率强度的标准值。 地球表面的标准光谱称为AM1.5G（G代表总的辐射，包括直接的和分散的辐射）或者AM1.5D（只包含直接的辐射）

9、。AM1.5D的辐射强度近似于减少28%能量后的AM0光谱的光谱强度（18%被吸收，10%被散射）。总的光谱辐射强度要比直射的光谱强度高10%。从上面的计算可得AM1.5G的值近似为970W/m2。然而，由于整数计算比较方便以及入射太阳光存在固有的变化，人们规范了标准的AM1.5G光谱值为1 kW/m2。,21,地球表面的太阳辐射强度,地球上不同地区、不同季节、不同气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的。下表给出了热带、温带和比较寒冷地带的太阳平均辐射强度。,通常根据各地的地理和气象情况已将到达地面的太阳辐射强度制成各种可供工程使用的图表，它们不但对太阳能利用，而且对建筑物的采暖、空调设

10、计也是至关重要的数据。,中国太阳能资源分布,我国地处北半球，绝大部分地区位于北纬45C以南，拥有丰富的太阳能资源。我国整个太阳能年辐射总量超过16.3 x 102 KWh/m2，约相当于1.2x104亿吨标准煤。,主要特点： 西部高于东部； 北方高于南方,像青藏高原，年总辐射量在1860 KWh/m2以上，太阳能利用条件优越。,22,23,太阳能丰富区，在内蒙中西部、青藏高原等地，年总辐射在150 kcal/cm2以上。 太阳能较丰富区，北疆及内蒙东部等地，年总辐射约130150 kcal/cm2 。 太阳能可利用区，分布在长江下游、两广、贵州南部和云南，及松辽平原，年总辐射量为110130

11、kcal/cm2 。,24,太阳能的利用,世界将太阳能作为一种能源和动力加以利用，已经有300多年的历史。1615年法国工程师所罗门.德.考克斯发明了第一台利用太阳能加热空气使膨胀做功而抽水的机器。 太阳能利用涉及的技术问题很多，但根据太阳能的特点，具有共性的技术主要有四项，即太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输，将这些技术与其它相关技术结合在一起，便能进行太阳能的实际利用-光热利用、光电利用和光化学利用。,25,太阳能传输,太阳能不象煤和石油一样用交通工具进行运输，而是应用光学原理，通过光的反射和折射进行直接传输，或者将太阳能转换成其它形式的能量进行间接传输。,26,太阳能直接传输

12、,直接传输适用于较短距离，基本上有三种方法：通过反射镜及其它光学元件组合，改变阳光的传播方向，达到用能地点；通过光导纤维，可以将入射在其一端的阳光传输到另一端，传输时光导纤维可任意弯曲；采用表面镀有高反射涂层的光导管，通过反射可以将阳光导入室内。,27,太阳能间接传输,间接传输适用于各种不同距离。将太阳能转换为热能，通过热管可将太阳能传输到室内；将太阳能转换为氢能或其它载能化学材料，通过车辆或管道等可输送到用能地点；空间电站将太阳能转换为电能，通过微波或激光将电能传输到地面。,28,生物转换利用太阳能,通过光合作用使太阳能吸收和储存在生物质内经过化学和生物处理，制成液体或固体燃料 。 将糖类作

13、物、谷物和植物纤维作原料，生产燃料酒精，渗到汽油中合成酒精汽油，例如巴西已从甘蔗中提炼酒精和汽油合成汽车用油。,29,生物转换利用太阳能,发展薪炭林。烧炭是一种古老的生物能利用方式，若有计划的植林，不仅可作燃料以及作为酒精沼气原料，而且还能保护环境，防止水土流失。 将高等有机废物进行分解，在厌氧微生物作用下，可产生沼气。 尚在研究利用藻类和某些微生物的光合作用，在阳光下分解制氢，提供燃料。,30,光热转换利用太阳能,利用太阳辐射能加热集热器，把吸收的热能转换为机械能或电能。 例如太阳能烘干机可以烘干粮食、烟叶、干果、农副产品及木材等； 主动和被动的太阳房是利用太阳能采暖，是空调的一种简单、经济

14、、有实效的项目； 可利用太阳能蒸馏器，用于海水淡化。,31,光电转换利用太阳能,即通过半导体材料直接将太阳辐射能转变为电能(直流电)。 目前太阳能电池的种类主要有硅、硫化镉、砷化镓等电池。 电池技术较成熟，主要用于航天、无人灯塔、无线电中继站、无人气象站、浮标和电围栏等作为电源。,32,光化学转换利用太阳能,通过光解或电解作用的热化学方法制造氢气，是对未来能源发展具有战略意义的一个途径。 意大利和瑞士发明了一种有效地利用太阳能分解水中氢气的方法，从生态角度上看，氢气一直被认为是理想的燃料，因为氢不产生有害废弃物，它燃烧后的唯一副产品是水，所以氢是一种清洁的燃料。,33,太阳能的家族,太阳能热发

15、电：主要是把太阳的能量聚集在一起，加热来驱动汽轮机发电。 太阳能光伏发电：将太阳能电池组合在一起，大小规模随意。可独立发电，也可并网发电。 太阳能水泵：正在取代太阳能热动力水泵，九十年代我国研制的2.5kw光伏水泵在新疆运用。,34,太阳能的家族,太阳能热水：我国自从1958年研制出第一台热水器后，经过四十多年的努力，我国太能热水器产销量均占世界首位。 太阳能建筑：太阳能建筑有三种形式：（1）被动式：结构简单，造价低，以自然热交换方式来获得能量；（2）主动式：结构较复杂，造价较高，需要电做辅助能源；（3）“零能建筑”结构复杂，造价高，全部建筑所需要的能量都由“太阳屋顶”来提供。,35,太阳能的

16、家族,太阳能干燥：70年代后，太阳能干燥器迅速发展，尤其在农村，对许多农副产品做了太阳能干燥的试验。 太阳灶： 太阳灶可分为热箱式和聚光式两类，我国是世界上推广应用太阳灶最多的国家。,36,太阳能的家族,太阳能制冷与空调：是节能型的绿色空调，无噪声，无污染，可很快地投入商业化的生产。 太阳能其它：可淡化海水，利用太阳光催化治理环境，培养能源植物，在通信、运输、农业、防灾、阴极保护、消费、电子产品等诸多方面，都有广泛的应用。,太阳能特点：,1、与人类历史相比具有长得多的寿命，所以对人来说几乎是无限的能源； 2、太阳能极其丰富，30分钟辐照到地球的能量就够全世界一年的能源消耗； 3、太阳能是绿色环

17、保能源，不会造成公害； 4、在使用现场就能从太阳光获得能量；,总的来说，利用太阳能有其巨大的优点，但也有严重的缺点：,太阳辐射尽管遍及全球，但单位面积上的入射功率却很小，因此要得到较大的功率，就必须要庞大的受光面积。 太阳能利用时稳定性受到季节、时间与气候的影响，因而需要配备相当容量的储能设备，增加了设备与维持费用。,38,太阳能电池是一种近年发展起来的新型的电池。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”，用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，即半导体材料。

18、,39,太阳能电池概述,太阳能电池的发展历史,早在1839年， 法国科学家比克丘勒（当时只有19岁）就发现一种奇特现象，即半导体在电解质溶液中会产生光电效应，以此原理构成的液结太阳电池是一种光电、光化的复杂转换。简单来说，是将一种半导体电极插入某种电解液中，在太阳光照射的作用下，电极产生电流，同时从电解液中释放出氢气。适合作这种电极的材料很多，如硫化镉、碲化镉、砷化镓、磷化镓、磷化铟、二氧化钛等。,History: PV Timeline,1953年美国贝尔研究所首先应用这个原理试制成功硅太阳电池，获得6%光电转换效率的成果。太阳能电池的出现，好比一道曙光，尤其是航天领域的科学家，对它更是注目

19、。这是由于当时宇宙空间技术的发展，人造地球卫星上天，卫星和宇宙飞船上的电子仪器和设备，需要足够的持续不断的电能，而且要求重量轻，寿命长，使用方便，能承受各种冲击、振动的影响，而太阳能电池完全可以满足这些要求。,1957年，前苏联第一颗人造卫星“Spurnik”利用了太阳能电池作电源。 1958年，美国的“先锋一号”人造卫星同样也用了太阳能电池作为电源，成为世界上第一个用太阳能供电的卫星，空间电源的需求使太阳电池作为尖端技术，身价百倍。,人们为了解决宇宙射线辐射降低电池发电能力的问题，开始对太阳能电池进行了深入研究。现在，各式各样的卫星和空间飞行器上都装上了布满太阳能电池的“翅膀”，使它们能够在

20、太空中长久遨游。,This PV panel, developed by TRW for a communications satellite in 1966, was typical for its day.,43,我国1958年开始进行太阳能电池的研制工作，并于1971年将研制的太阳能电池（中国1418所研制）用在了发射的中国卫星实践2号上。 以太阳能电池作为电源可以使卫星安全工作达20年之久，而化学电池只能连续工作几天。,Despite these advances, PV devices in 1970 were still too expensive for most down to

21、 Earthuses. But, in the mid-1970s, rising energy costs, sparked by a world oil crisis, renewed interest in making PV technology more affordable.,1972: 美国开始生产地面用太阳能电池系统，组件价格：500US$/Wp。,1974: 日本开始执行“阳光计划”。,1977: 美国成立太阳能源研究所，1991年由布什总统签署命令更名为国家再生能源实验室，隶属于美国能源部。,1986: 美国建立6.5MW太阳能电池电站。,1990: 世界太阳能电池年产量达

22、46MW， 组件价格：4-5US$/Wp。,1979: NASAs Lewis Research Center (LeRC) completed a 3.5-kW system on the Papago Indian Reservation in Schuchuli, Arizona; this was the worlds first village PV system.,1995: 世界太阳能电池产量达到84.2MW，单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池转换效率分别达到：14%,13% 和6%。,1996: 在海拔4500米以上的世界屋脊西藏阿里地区，由我国研制的5000W太阳能光伏系统投入

23、运行，解决了人畜用水问题。,Todays commercial PV systems can convert from 7% to 25% of sunlight into electricity. They are highly reliable and last 20 years or longer. The cost of PV-generated electricity has dropped 15- to 20-fold.,47,2013: 全球太阳能电池产量超过60 GW，其中晶硅电池约40GW。,太阳能电池近年也被人们用于生产、生活的许多领域。从1974年世界上第一架太阳能电池飞

24、机在美国首次试飞成功以来，激起人们对太阳能飞机研究的热潮，太阳能飞机从此飞速地发展起来，只用了六七年时间太阳能飞机从飞行几分钟，航程几公里发展到飞越英吉利海峡。现在，最先进的太阳能飞机，飞行高度可达2万多米，航程超过4000公里。另外，太阳能汽车也发展很快。,当前，太阳能电池的开发应用已逐步走向商业化、产业化；小功率小面积的太阳能电池在一些国家已大批量生产，并得到广泛应用；同时人们正在开发光电转换率高、成本低的太阳能电池；可以预见，太阳能电池很有可能成为替代煤和石油的重要能源之一，在人们的生产、生活中占有越来越重要的位置。,50,二、太阳能电池的基本原理,51,本征半导体,物质的导电性能决定于

25、原子结构。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧，因而其导电性介于二者之间。,半导体物理基础,52,定义：将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。 晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，相邻的原子 形成共价键。,共价键,本征半导体,半导体物

26、理基础,53,晶体中的共价键具有极强的结合力，因此，在常温下，仅有极少数的价电子由于热运动（热激发）获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子。与此同时，在共价键中留下一个空穴。原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。在本征半导体中，自由电子与空穴是成对出现的，即自由电子与空穴数目相等。,本征半导体,半导体物理基础,54,本征激发: 半导体在光照或热辐射激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。,空穴,自由 电子,本征半导体,半导体物理基础,55,复合: 自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。 在一定的温度下，本征激发所产生的自

27、由电子与空穴对，与复合的自由电子和空穴对数目相等，故达到动态平衡。,本征半导体,半导体物理基础,56,能带理论： 单个原子中的电子在绕核运动时，在各个轨道上的电子都各自具有特定的能量； 越靠近核的轨道，电子能量越低； 根据能量最小原理电子总是优先占有最低能级；,能带理论解释本征激发,本征半导体,半导体物理基础,57,能带理论： 价电子所占据的能带称为价带； 价带的上面有一个禁带，禁带中不存在为电子所占据的能级； 禁带之上则为导带，导带中的能级就是价电子挣脱共价键束缚而成为自由电子所能占据的能级； 禁带宽度用Eg表示，其值与半导体的材料及其所处的温度等因素有关。,T=300K时，硅的Eg=1.1

28、eV；锗的Eg=0.72eV。,本征半导体,半导体物理基础,58,本征载流子浓度 把电子从价带移向导带的热激发使得价带和导带都产生载流子，其浓度叫做本征载流子浓度，用符号ni表示。本征载流子浓度就是指本征材料中导带中的电子数目或价带中的空穴数目。 载流子的数目决定于材料的禁带宽度和材料的温度。宽禁带会使得载流子很难通过热激发来穿过它，因此宽禁带的本征载流子浓度一般比较低。但还可以通过提高温度让电子更容易被激发到导带，同时也提高了本征载流子的浓度。,右图：两个温度下的半导体本征载流子浓度。需要注意的是，两种情况中，自由电子的数目与空穴的数目都是相等的。,本征半导体,半导体物理基础,59,杂质半导

29、体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量杂质元素，便可得到杂质半导体。 按掺入的杂质元素不用，可形成N型半导体和P型半导体；控制掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半导体的导电性能。,杂质半导体,半导体物理基础,60,N型半导体：之所以叫n型是因为多子是带负电（negatively）的电子。,P型半导体：之所以叫p型是因为多子是带正电（positively)的空穴。,杂质半导体,半导体物理基础,61,不同类型半导体的特性,杂质半导体,半导体物理基础,62,N型半导体： 在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。,杂质半导体N型半导体,半导体物理基础,63

30、,由于杂质原子的最外层有五个价电子，所以除了与其周围硅原子形成共价键外，还多出一个电子。多出的电子不受共价键的束缚，成为自由电子。N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。由于杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子。,杂质半导体 N型半导体,半导体物理基础,64,P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。,杂质半导体 P型半导体,半导体物理基础,65,由于杂质原子的最外层有三个价电子，所以当它们与其周围硅原子形成共价键时，就产生了一个“空位”，当硅原子的最外层电子填补此空位时，其共价键中便产生

31、一个空穴。因而P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。因杂质原子中的空位吸收电子，故称之为受主原子。,杂质半导体 P型半导体,半导体物理基础,66,PN结：采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。,PN结,半导体物理基础,67,扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。 当把P型半导体和N型半导体制作在一起时，在它们的交界面，两种载流子的浓度差很大，因而P区的空穴必然向N区扩散，与此同时，N区的自由电子也必然向P区扩散，如图示。,PN结,半导体物理基础,68,由于扩散到P区的自由电子与空穴复

32、合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的，称为空间电荷区，从而形成内建电场。 随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内建电场增强，其方向由N区指向P区，正好阻止扩散运动的进行。,PN结,半导体物理基础,69,漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动称为漂移运动。 当空间电荷区形成后，在内建电场作用下，少子产生飘移运动，空穴从N区向P区运动，而自由电子从P区向N区运动。 在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结，如图示。 此时，空间电荷区具有一定的宽度，

33、电位差为 =Uho，电流为零。,PN结,半导体物理基础,70,对于太阳能电池来说，半导体最重要的参数是： 禁带宽度； 能参与导电的自由载流子的数目； 当光射入到半导体材料时，自由载流子的产生和复合。,半导体物理基础,71,制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例，详细介绍太阳能电池的工作原理。,太阳能电池基本原理 概述,72,基本原理 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，即一些半导体材料受到光照时，载流子数量会剧增，导电能力随之增强，这就是半导体的光敏特性。,太阳能电池基本原理

34、 概述,73,当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子空穴对。这样，光能就以产生电子空穴对的形式转变为电能。,太阳能电池基本原理 概述,74,如果半导体内存在PN结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在PN结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。,太阳能电池基本原理 概述,75,若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就

35、能产生一定的电压和电流，输出功率。,太阳能电池基本原理 概述,76,太阳能电池基本原理 概述,77,太阳能电池基本原理 载流子的产生,光的吸收 基于光子的能量与半导体禁带宽度的比较，入射到半导体材料的光子可以分为三种： EphEg ，光子能量大于禁带宽度并被强烈吸收。,78,太阳能电池基本原理 载流子的产生,吸收系数 吸收系数决定着一个给定波长的光子在被吸收之前能在材料走多远的距离。如果某种材料的吸收系数很低，那么光将很少被吸收，并且如果材料的厚度足够薄，它就相当于透明的。吸收系数的大小决定于材料和被吸收的光的波长。在半导体的吸收系数曲线图中出现了一个很清晰的边缘，这是因为能量低于禁带宽度的光

36、没有足够的能量把电子从价带转移到导带。因此，光线也就没被吸收了。,四种不同半导体才在温度为300K时的吸收系数，实验在真空环境下进行。,79,吸收深度 吸收系数与波长的关系导致了不同波长的光在被完全吸收之前进入半导体的深度的不同。吸收深度，与吸收系数成反比例关系，即为-1。吸收深度是一个非常有用的参数，它显示了在光在其能量下降到最初强度的大概36%（或者说1/e）的时候在材料中走的深度。 因为高能量光子的吸收系数很大，在距离表面很短的深度就被吸收（例如硅太阳能电池就在几微米以内），而红光在这种距离的吸收就很弱。即使是在几微米之后，也不是所有的红光都能被硅吸收。,太阳能电池基本原理 载流子的产生

37、,80,半导体Si的吸收深度,81,太阳能电池基本原理 载流子的产生,生成率 生成率是指被光线照射的半导体每一点生成电子的数目。忽略反射不计，半导体材料吸收的光线的多少决定于吸收系数（ 单位为cm-1）和半导体的厚度。半导体中每一点中光的强度可以通过以下的方程计算： I=I0e-x 式中为材料的吸收系数，单位通常为cm-1，x为光入射到材料的深度，I0为光在材料表面的功率强度。,82,生成率 上述方程可以用来计算太阳能电池中产生的电子空穴对的数目。假设减少的那部分光线能量全部用来产生电子空穴对，那么通过测量透射过电池的光线强度便可以算出半导体材料生成的电子空穴对的数目。因此，对上面的方程进行微

38、分将得到半导体中任何一点的生成率。即： G=N0e-x 其中N0=表面的光子通量（光子/单位面积.秒） =吸收系数，x=进入材料的距离。 上面的方程显示，光的强度随着在材料中深度的增加呈指数下降，即材料表面的生成率是最高的。,太阳能电池基本原理 载流子的产生,83,生成率 对于光伏应用来说，入射光是由一系列不同波长的光组成的，因此不同波长的生成率也是不同的。下图显示三种不同波长的光在硅材料中的生成率。,太阳能电池基本原理 载流子的产生,84,生成率 计算一系列不同波长的光的生成率时，总的生成率等于每种波长的总和。右图将展示入射到硅片的光为标准太阳光谱时，不同深度的生成率大小。,太阳能电池基本原

39、理 载流子的产生,85,太阳能电池基本原理 载流子的复合,载流子的复合 所有处在导带中的电子都是亚稳定状态的，并最终会回到价带中更低的能量状态。它必须移回到一个空的价带能级中，所以，当电子回到价带的同时也有效地消除了一个空穴。这种过程叫做复合。 在单晶半导体材料中，复合过程大致可以分为三种： 辐射复合 俄歇复合 肖克莱-雷德-霍尔复合（SHR复合） 主要复合方式,86,辐射复合 辐射复合是LED灯和激光这类的半导体器件的主要复合机制。然而，对于由硅制成的太阳能电池来说，辐射复合并不是主要的，因为硅的禁带并不是直接禁带，它使得电子不能直接从价带跃迁到导带。辐射复合的几个主要特征是： 电子与空穴直

40、接在导带结合并释放一个光子； 释放的光子的能量近似于禁带宽度，所以吸收率很低，大部分能够飞出半导体。,太阳能电池基本原理 载流子的复合,87,通过复合中心的复合 通过复合中心的辐射也被叫做肖克莱-莱德-霍尔或SRH复合，SRH复合过程分为两步： 一个电子（或空穴）被由晶格中的缺陷产生的禁带中的一个能级所俘获。如果在电子被热激发到导带之前，一个空穴（或电子）也被俘获到同一个能级中，那么复合过程就完成了。 载流子被俘获到禁带中的缺陷能级的概率取决于能级到两能带（导带和禁带）的距离。 基于这个因素，处在禁带中间的能级发生复合的概率最大。,太阳能电池基本原理 载流子的复合,88,太阳能电池基本原理 载

41、流子的复合,俄歇复合 俄歇效应是三粒子效应，在半导体中，电子与空穴复合时，把能量或者动量，通过碰撞转移给另一个电子或者另一个空穴，造成该电子或者空穴跃迁的复合过程叫俄歇复合。这是一种非辐射复合，是“碰撞电离”的逆过程。 俄歇复合是重掺杂材料和被加热至高温的材料最主要的复合形式。,89,太阳能电池基本原理 载流子的复合,载流子的扩散长度 太阳能电池中一个重要的参数是复合发生的速率，也称为“复合率”。复合率决定于额外少子的数目。例如，当没有额外少子时，复合率将为零。 少子寿命 用符号n和p表示，是指产生电子空穴对之后处在激发状态的载流子在复合之前能存在的平均时间。 少子扩散长度 指在复合之前一个载

42、流子从产生处开始运动的平均路程。,90,载流子的扩散长度 少数载流子寿命和扩散长度在很大程度上取决于材料的类型和复合的数量。 对于许多种类的硅太阳能电池来说，SHR复合是主要的复合机制。而复合率则决定于材料中存在的缺陷数量，因此，当太阳能电池的掺杂量增加时，SHR复合的速率也将随着增加。 另外，俄歇复合更多的是在重掺杂和被加热的材料发生，俄歇复合过程会随着掺杂的增加而增强。 在硅中，少子寿命可以达到1 s。对于单晶硅太阳能电池来说，扩散长度通常在100-300 m之间。,太阳能电池基本原理 载流子的复合,91,载流子的表面复合 任何在半导体内部或表面的缺陷和杂质都会促进复合。因为太阳能电池表面

43、存在着严重的晶格分裂，所以电池表面是一个复合率非常高的区域。 高复合率导致表面附近的区域的少子枯竭。例如：某些区域的低载流子浓度会引起周围高浓度区域的载流子往此处扩散。因此，表面复合率受到扩散到表面的载流子的速率的限制。“表面复合率”的单位为cm/sec，被用来描述表面的复合。,太阳能电池基本原理 载流子的复合,92,太阳能电池基本原理 载流子的运动,载流子的扩散运动 如果半导体中一个区域的载流子浓度要比另一个区域的高，那么，由于不停的随机运动，将引起载流子的势运动。当出现这种情况时，在两个不同浓度的区域之间将会出现载流子梯度。 载流子将从高浓度区域流向低浓度区域，这种载流子的流动叫做“扩散”

44、。在器件的所有区域中，载流子往某一方向的运动的概率是相同的。在高浓度区域，数量庞大的载流子不停地往各个方向运动，包括往低浓度方向。然而，在低浓度区域只存在少量的载流子，这意味着往高浓度运动的载流子也是很少的。这种不平衡导致了从高浓度区域往低浓度区域的势运动。,93,扩散的速率决定于载流子的运动速度和两次散射点相隔的距离。在温度更高的区域，扩散速度会更快，因为提高温度能提高载流子的热运动速度。 扩散现象的主要效应之一是使载流子的浓度达到平衡，就像在没有外界力量作用半导体时，载流子的产生和复合也会使得半导体达到平衡。,载流子的扩散运动,太阳能电池基本原理 载流子的运动,94,在半导体外加一个电场可

45、以使做随机运动的带电载流子往一个方向运动。在没有外加电场时，载流子在随机方向以一定的速度移动一段距离。加电场之后，其方向与载流子的随机方向叠加。那么，如果此载流子是空穴，其在电场方向将做加速运动，电子则反之。在特定方向的加速运动导致了载流子的势运动。 由外加电场所引起的载流子运动叫“漂移运动”。漂移运动不仅发生在半导体材料，在金属材料中同样存在。,载流子的漂移运动,太阳能电池基本原理 载流子的运动,95,光生伏打效应,1、定义: 太阳能电池能量转换的基础是半导体PN结的光生伏打效应。 如前所述，当光照射到半导体光伏器件上时，能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中，在N区、耗尽区和P区中激

46、发出光生电子-空穴对。 耗尽区：光生电子-空穴对在耗尽区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被送进N区，光生空穴则被推进P区。根据耗尽近似条件，耗尽区边界处的载流子浓度近似为0，即p=n=0。,太阳能电池基本原理 光生伏打效应,96,内建电场,N区,P区,光生伏打效应,太阳能电池基本原理 光生伏打效应,97,在N区中：光生电子-空穴对产生以后，光生空穴便向P-N结边界扩散，一旦到达P-N结边界，便立即受到内建电场作用，被电场力牵引作漂移运动，越过耗尽区进入P区，光生电子（多子）则被留在N区。 在P区中：光生电子（少子）同样的先因为扩散、后因为漂移而进入N区，光生空穴（多子）留在P区。如此便在

47、P-N结两侧形成了正、负电荷的积累，使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴。从而形成与内建电场方向相反的光生电场。,太阳能电池基本原理 光生伏打效应,98,P区,光生电场,N区,内建电场,太阳能电池基本原理 光生伏打效应,光生电场,99,光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏打效应。当电池接上一负载后，光电流就从P区经负载流至N区，负载中即得到功率输出。 如果将P-N结两端开路，可以测得这个电动势，称之为开路电压Uoc。对晶体硅电池来说，开路电压的典型值为0.50.6V。 如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量

48、成正比的光电流流过，这个电流称为短路电流Isc。,太阳能电池基本原理 光生伏打效应,100,通过光照在界面层产生的电子-空穴对愈多，电流愈大。 界面层吸收的光能愈多，界面层即电池面积愈大，在太阳电池中形成的电流也愈大。 太阳能电池N区、耗尽区和P区均能产生光生载流子； 各区中的光生载流子必须在复合之前越过耗尽区，才能对光电流有贡献，所以求解实际的光生电流必须考虑到各区中的产生和复合、扩散和漂移等各种因素。,影响因素,太阳能电池基本原理 光生伏打效应,半导体光电器件产生光生电动势（或光生积累电荷）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

49、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。,产生条件,太阳能电池基本原理 光生伏打效应,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）。,102,除了上述pn结能产生光生伏特效应外，金属-半导体形成的肖特基势垒层等其它许多结构都能产生光生伏特效应。其电子过程和pn结相类似，都是使适当波长的光照射材料后在半导体的界面或表面产生光生载流子，在势

50、垒区电场的作用下，光生电子和空穴向相反的方向漂移从而互相分离，在器件两端积累产生光生电压。,104,三、太阳能电池的 结构与特性,105,太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电的电子器件，入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电压的形式来产生电能。,太阳能电池的结构,大部分光伏电池转化过程都是使用组成PN结形式的半导体材料来完成的。,下图所示为太阳能电池典型的电流电压曲线，即伏安特性曲线。由伏安特性曲线，可以获取太阳能电池的四个重要输出参数：短路电流（ISC），开路电压（VOC），填充因子（FF）和转换效率（）。,太阳能电池伏安特性曲线,106,太阳能电池的特性,107,太阳能电池的特性,太阳能