太陽能電池基本原理

1、太陽能電池基本原理基本原理光生伏特效應(yīng)太陽能光伏發(fā)電是利用太陽電池的光伏效應(yīng)原理，直接把太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式。典型太陽電池是一個p-n結(jié)半導體二極管。光子把電子從價帶(束縛)激發(fā)到導帶(自由)，并在價帶內(nèi)留下一個空穴(自由)一一產(chǎn)生了自由電子-空穴對(光生載流子)，p型材料中的電子與n型材料中的空穴將在與少子壽命相當?shù)臅r間內(nèi)，以相對穩(wěn)定的狀態(tài)存在，直到復合。當載流子復合后，光生電子空穴對將消失，沒有電流和功率產(chǎn)生。光生電子-空穴對在耗盡層中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場分離，光生電子被送進n區(qū)，光生空穴則被送進p區(qū)。光能就以產(chǎn)生電子-空穴對的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?nèi)建電場當把N型和P型材料放在一起

2、的時候，在N型材料中，費米能級靠近導帶底，在P型材料中，費米能級靠近價帶頂，當P型材料和N型材料連接在一起時，費米能級在熱平衡時必定包等，由丁在P型材料中有多得多的空穴，它們將向N型一邊擴散。與此同時，在N型一邊的電子將沿著相反的方向向P型區(qū)擴散。由丁電子和空穴的擴散，在p-n結(jié)區(qū)產(chǎn)生了耗盡層，即空間電荷區(qū)電場，乂稱為內(nèi)建電場。(1) 光子吸收：在大部分有機太陽能電池中，因為材料的帶隙過高，只有一小部分入射光被吸收，吸收只能達到30%右。(2) 激子擴散：激子的擴散長度應(yīng)該至少等丁薄膜的厚度，否則激子就會發(fā)生復合，造成吸收光子的浪費。(3) 電荷分離：對丁單層器件，激子在電極與有機半導體界面處

3、離化，對丁雙層器件，激子在施主-受主界面形成的p-n結(jié)處離化。(4) 電荷傳輸：在有機材料中，電荷的傳輸是定域態(tài)問的跳躍，而不是能帶內(nèi)的傳輸，這意味著有機材料和聚合物材料中載流子的遷移率通常都比無機半導體材料的低。(5) 電荷收集：電荷的收集效率也是影響光伏器件功率轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素，金屆與半導體接觸時會產(chǎn)生一個阻擋層，阻礙電荷順利地到達金屆電極。太陽能電池等效電路無光照時類似二極管特性，外加電壓時單向電流Id稱為暗電流；有光照時產(chǎn)生光生電流IL;R、Rh分別為太陽電池中的申、并聯(lián)電阻R為負載。(1) 包流源：在包定光照下，一個處丁工作狀態(tài)的太陽電池，其光電流不隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中可

4、把它看做包流源。(2) 暗電流Id：光電流一部分流經(jīng)負載R,在負載兩端建立起端電壓U,反過來，它乂正向偏置丁PN結(jié)，弓I起一股與光電流方向相反的暗電流Id。申聯(lián)電阻R:由丁前面和背面的電極接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免的引入附加電阻。流經(jīng)負載的電阻經(jīng)過它們時，必然引起損耗。在等效電路中，他們的總效果用一個申聯(lián)電阻R表示。并聯(lián)電阻思h由丁電池邊沿的漏電和制作金屆電極時在微裂紋、劃痕等處形成的金屆橋漏電等，使一部分本應(yīng)通過負載達到電流短路,這種作用的大小可以用一個并聯(lián)電阻Rh等效。決定太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的三個參數(shù)分別是短路電流(Isc)、開路電壓(VOc)和填充因子(

5、FD。因為電流(I)與太陽能電池的面積(A)成正比例關(guān)系，因此一般用電流密度(J)取代電流，來描述太陽能電池的伏安特性。|l=I/A當電池在光照下，得到的端電壓和電路中通過負載的工作電流的關(guān)系曲線，叫做光電池的伏安特性曲線。如圖紅色線所示，圖上所示的第四象限中與紅色線相交的方形區(qū)域面積就代表太陽能電池的最大輸出功率，對應(yīng)的點為最佳工作點。太陽能電池在沒有光照時可以視為一個二極管，電壓和電流的關(guān)系如圖藍色線所示，為太陽能電池的暗特性曲線。太陽能電池的伏安特性曲線(1) 開路電壓(Voc一般來說，對丁金屆-絕緣體-金屆(MIM型的器件，其開路電壓Voc取決丁兩個金屆電極功函數(shù)之差。而對丁p-n結(jié)，

6、其最大的可用電壓則是由n-型摻雜半導體與p-型摻雜半導體兩者的準費米能級之差所決定，開路電壓現(xiàn)行的依賴丁給體的HOMO級與受體的LUMC級。增加VOc的途徑有減少復合以減小反向飽和電流，增加各區(qū)摻雜濃度等。(2) 短路光電流(Isc)短路電流的大小與上面提到的光電轉(zhuǎn)換過程的5個步驟的效率相關(guān)，要得到大的短路電流：第一，需要光伏材料在可見區(qū)有寬光譜和強的吸收，以提高太陽光的利用率；第二，需要吸收光子后產(chǎn)生的激子有較長的壽命和較短的到達給體/受體異質(zhì)結(jié)界面的距離，使得激子都能夠擴散到異質(zhì)結(jié)界面上；第三，需要激子在給體/受體界面上有高的電荷分離效率，使到達界面的激子都能夠分離成位丁受體LUM勰級上的

7、電子和位丁給體HOM/級上的空穴，這要求給體的LUMO和HOM/級分別高丁受體的對應(yīng)能級0.4eV以上，以克服激子的束縛能而發(fā)生電子和空穴的電荷分離；第四，光伏材料有高的純度和高的電荷載流子遷移率；第五，使用高功函數(shù)的正極和低功函數(shù)的負極也非常重要；最后，要求電極/活性層界面是歐姆接觸，并且界面接觸電阻要小。提高Jsc的途徑在丁提高光生載流子產(chǎn)生率G增加各區(qū)少子壽命和減少表面復合。(3) 填充因子(FF最大輸出功率與(VoC?Isc)之比稱為填充因子，用FF表示。對丁開路電壓Voc和短路電流Isc一定的特性曲線來說，填充因子越接近丁1,電池效率越高，伏安特性線彎曲越大。因此FF也稱曲線因子，表示式為%冬F(xiàn)F=-:=VOCJSCVOCJSCFF是用以衡量太陽電池輸出特性好壞的重要指之一。在一定光強下，F(xiàn)F愈大，曲線愈方，輸出功率越高。對丁有合適效率的電池，該值應(yīng)