太陽能電池的結(jié)構(gòu)和基本原理

1、. 第三章第三章 太陽能電池的基本原理太陽能電池的基本原理.本章以單晶硅pn結(jié)太陽能電池為例，介紹半導體太陽能電池的基本工作原理、結(jié)構(gòu)及其特性分析。.一、太陽能電池的結(jié)構(gòu)和基本工作原理一、太陽能電池的結(jié)構(gòu)和基本工作原理.下圖示意地畫出了單晶硅pn結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)，其包含上部電極，無反射薄膜覆蓋層，n型半導體，p型半導體以及下部電極和基板。.當有適當波長的光照射到這個pn結(jié)太陽能電池上后，由于光伏效應而在勢壘區(qū)兩邊產(chǎn)生了電動勢。因而光伏效應是半導體電池實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的理論基礎，也是某些光電器件賴以工作的最重要的物理效應。因此，我們將來仔細分析一下pn結(jié)的光伏效應。.設入射光垂直pn結(jié)面。如果結(jié)較

2、淺，光子將進入pn結(jié)區(qū)，甚至更深入到半導體內(nèi)部。能量大于禁帶寬度的光子，由本征吸收在結(jié)的兩邊產(chǎn)生電子-空穴對。在光激發(fā)下多數(shù)載流子濃度一般改變較小，而少數(shù)載流子濃度卻變化很大，因此應主要研究光生少數(shù)載流子的運動。.無光照光照激發(fā)由于pn結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)存在較強的內(nèi)建電場（自n區(qū)指向p區(qū)），結(jié)兩邊的光生少數(shù)載流子受該場的作用，各自向相反方向運動：p區(qū)的電子穿過p-n結(jié)進入n區(qū)；n區(qū)的空穴進入p區(qū)，使p端電勢升高，n端電勢降低，于是在p-n結(jié)兩端形成了光生電動勢，這就是p-n結(jié)的光生伏特效應。由于光照在p-n結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢，相當于在p-n結(jié)兩端加正向電壓 V，使勢壘降低為qVD-qV，產(chǎn)生正向電流

3、IF.在pn結(jié)開路的情況下，光生電流和正向電流相等時，p-n結(jié)兩端建立起穩(wěn)定的電勢差Voc，（p區(qū)相對于n區(qū)是正的），這就是光電池的開路電壓。如將pn結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會有源源不斷的電流通過電路，p-n結(jié)起了電源的作用。這就是光電池的基本原理。 .由上面分析可以看出，為使半導體光電器件能產(chǎn)生光生電動勢（或光生積累電荷），它們應該滿足以下兩個條件：1、半導體材料對一定波長的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)，即要求入射光子的能量h大于或等于半導體材料的帶隙Eg，使該入射光子能被半導體吸收而激發(fā)出光生非平衡的電子空穴對。.2、具有光伏結(jié)構(gòu)，即有一個內(nèi)建電場所對應的勢壘區(qū)。勢壘區(qū)的重要作用是

4、分離了兩種不同電荷的光生非平衡載流子，在p區(qū)內(nèi)積累了非平衡空穴，而在n區(qū)內(nèi)積累起非平衡電子。產(chǎn)生了一個與平衡pn結(jié)內(nèi)建電場相反的光生電場，于是在p區(qū)和n區(qū)間建立了光生電動勢（或稱光生電壓）。. 除了上述pn結(jié)能產(chǎn)生光生伏特效應外，金屬-半導體形成的肖特基勢壘層等其它許多結(jié)構(gòu)都能產(chǎn)生光生伏特效應。其電子過程和pn結(jié)相類似，都是使適當波長的光照射材料后在半導體的界面或表面產(chǎn)生光生載流子，在勢壘區(qū)電場的作用下，光生電子和空穴向相反的方向漂移從而互相分離，在器件兩端積累產(chǎn)生光生電壓。.通常的發(fā)電系統(tǒng)如火力發(fā)電，就是燃燒石油或煤以其燃燒能來加熱水，使之變成蒸汽，推動發(fā)電機發(fā)電；原子能發(fā)電則是以核裂變放出

5、的能量代替燃燒石油或煤，而水力發(fā)電則是利用水的落差能使發(fā)電機旋轉(zhuǎn)而發(fā)電。太陽能電池發(fā)電的原理是全新的，與傳統(tǒng)方法是完全不同，既沒有馬達旋轉(zhuǎn)部分，也不會排出氣體，是清潔無污染的發(fā)電方式。.太陽能電池的結(jié)構(gòu)太陽能電池的結(jié)構(gòu)單晶硅太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。單 晶 硅 太陽能電池通常是以p型Si為襯底，擴散n型雜質(zhì)，形成如圖(a)所示結(jié)構(gòu)。為取出電流，p型襯底的整個下表面涂銀并燒結(jié)，以形成銀電極，接通兩電極即能得到電流。.玻璃襯底非晶硅太陽能電池是先在玻璃襯底上淀積透明導電薄膜，然后依次用等離子體反應沉積p型、I型和n型三層a-Si，接著再蒸涂金屬電極鋁，電池電流從透明導電薄膜和電極鋁引出。玻璃襯

6、底非晶硅太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。.不銹鋼襯底型太陽能電池是在不銹鋼襯底上沉積pin非晶硅層，其上再沉積透明導電薄膜，最后與單晶硅電池一樣制備梳狀的銀收集電極。電池電流從下面的不銹鋼和上面的梳狀電極引出。不銹鋼襯底非晶硅太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。. 二、太陽能電池的輸出特性二、太陽能電池的輸出特性.1、光電池的電流電壓特性、光電池的電流電壓特性光電池工作時共有三股電流：光生電流IL，在光生電壓V作用下的pn結(jié)正向電流IF，流經(jīng)外電路的電流I。IL和IF都流經(jīng)pn結(jié)內(nèi)部，但方向相反。pn負載光電流IL結(jié)正向電流IFI根據(jù)p-n結(jié)整流方程，在正向偏壓下，通過結(jié)的正向電流為：IF=Isexp

7、(qV/kT)-1其中：V是光生電壓，Is是反向飽和電流。.如光電池與負載電阻接成通路，通過負載的電流應該是：I = IF-IL = Isexp(qV/kT)-1-IL這就是負載電阻上電流與電壓的關系，也就是光電池的伏安特性方程。左圖分別是無光照和有光照時的光電池的伏安特性曲線。.不論是一般的化學電池還是太陽能電池，其輸出特性一般都是用如下圖所示的電流電壓曲線來表示。由光電池的伏安特性曲線，可以得到描述太陽能電池的四個輸出參數(shù)。、描述太陽能電池的參數(shù)、描述太陽能電池的參數(shù).、開路電壓Voc在p-n結(jié)開路情況下（R=），此時pn結(jié)兩端的電壓即為開路電壓Voc。這時，I=0，即：IL=IF。將I=

8、0代入光電池的電流電壓方程，得開路電壓為：Voc kTqln(ILIs+1)2、短路電流Isc如將pn結(jié)短路（V=0），因而IF=0，這時所得的電流為短路電流Isc。顯然，短路電流等于光生電流，即：Isc = IL.、填充因子FF在光電池的伏安特性曲線任一工作點上的輸出功率等于該點所對應的矩形面積，其中只有一點是輸出最大功率，稱為最佳工作點，該點的電壓和電流分別稱為最佳工作電壓Vop和最佳工作電流Iop。填充因子定義為：FF = VopIopVocIsc=PmaxVocIsc它表示了最大輸出功率點所對應的矩形面積在Voc和Isc所組成的矩形面積中所占的百分比。特性好的太陽能電池就是能獲得較大功率輸出的太陽能電池，也就是Voc，Isc和FF乘積較大的電池。對于有合適效率的電池，該值應在0.70-0.85范圍之內(nèi)。.、太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率 其中Pin是入射光的能量密度，S為太陽能電池的面積，當S是整個太陽能電池面積時，稱為實際轉(zhuǎn)換效率，當S是指電池中的有效發(fā)電面積時，叫本征