第三章 太阳能电池—第一讲

P，As为施主
p型半导体
四价的本征半导体Si、Ｇe等掺入少量三价的杂质元素(如Ｂ等) 形成空穴型半导体， 也称p型半导体。
B为受主
p-n结平衡能带结构
p-n结平衡电势
p-n结的制备工艺
合金法
扩散法
3.3 太阳能电池的基本原理 3.3.1太阳能电池的结构和基本工作原理
本章以单晶硅pn结太阳能电池为例，介绍半导体 太阳能电池的基本工作原理、结构及其特性分析。
太阳能电池的特点：
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。 •优点 •电池寿命长达数十年；
•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； •太阳能是绿色环保能源，太阳能电池对环境污染小？ ？ ？ •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。
左图示意地画出了单 晶硅 pn 结太阳能电池的结构， 其包含上部电极，无反射薄 膜覆盖层， n 型半导体， p 型 半导体以及下部电极和基板。 当有适当波长的光照射到这个pn结太 阳能电池上后，由于光伏效应而在势 垒区两边产生了电动势。 光伏效应是半导体电池实现光电转换 的理论基础
设入射光垂直pn结面
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
哪些是清洁能源？
当代和未来能源消耗的发展趋势
煤、石油等是今天主要的能源来源，未来主要以清洁能源为主
太阳的特点
太阳大气的上层，被称为“色球层”，厚约1～ 1.5×104km，大部分由氢和氦组成。“色球层”外 是伸入太空的银白色日冕，温度高达1百万度，高度 有时达几十个太阳半径。
(德)彼得· 乌夫尔(Peter Wurfel)著
内容概述
3.1、太阳能电池简介 3.2、相关半导体物理的基本知识 3.3、太阳能电池的基本原理 3.4、太阳能电池的种类
3.5、太阳能电池材料与工艺
3.6 、太阳能电池的应用与未来展望
3.1 太阳能电池的发展背景
可再生能源
不可再生能源
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。
第三章 太阳能电池
本章主要就太阳能的特点，太
阳能电池的原理，设计制备与利用
等方面作简单介绍 。
参考资料
题名 1 2 3 4 5 7 8 太阳能电池新技术 太阳能电池技术手册 太阳能电池:制备· 开发· 应用 太阳能电池原理与应用 太阳能电池工作原理、技术和系统应用 太阳能电池基础与应用 责任者 林明献编著 戴宝通, 郑晃忠主编 黄惠良 ... [等] 著 靳瑞敏编著 编著Martin A. Green 熊绍珍, 朱美芳主编 出版信息 科学出版社 2012 索书号 TM914.4/464
如光电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流应 该是： －I = IF-IL = Is[exp(qV/kT)-1]-IL
这就是负载电阻上电流与电压的关系，也就是光电池的伏 安特性方程。
左图分别是无光 照和有光照时的 光电池的伏安特 性曲线。
２、描述太阳能电池的参数
不论是一般的化学电池还是太阳能电池，其输出特性 一般都是用如下图所示的电流－电压曲线来表示。由光电池 的伏安特性曲线，可以得到描述太阳能电池的四个输出参数。
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。
地区 热带、沙漠 温带 太阳平均辐射强度(w/m2) 210-250 130-210
阳光较少地区（北欧）
80-130
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、空调设计也是至关重要的数据。
１、开路电压Voc
在p-n结开路情况下（R=），此时pn结两端的电 压即为开路电压Voc。 这时，I=0，即：IL=IF。将I=0代入光电池的电流 电压方程，得开路电压为： kT ln( IL Voc＝ q Is +1) 2、短路电流Isc 如将pn结短路（V=0），因而IF=0，这时所得的 电流为短路电流Isc。显然，短路电流等于光生电流， 即： Isc = IL
４、太阳能电池的能量转化效率
表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。 即： =（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）x100% = （Vop x Iop/Pin x S）X100% Voc•Isc•FF = Pin • S 其中Pin是入射光的能量密度，S为太阳能电池的面积， 当S是整个太阳能电池面积时，称为实际转换效率，当 S是指电池中的有效发电面积时，叫本征转换效率。
太阳辐射能实际上是地球上最主要的能量源泉， 其利用的 主要途径有以下几种： •直接转换为热能；即靠吸收太阳辐射的光能直接转换为热能。 这种途径历史最为悠久，而且普及性广，工业化程度高。但 利用品位较低。 •通过光电效应转换为电能 •通过光化学反应转换为电能或制氢；目前处于研究开发阶段。 •通过光合作用收集和存储太阳能；处于研究初始阶段。
绝缘体 从能级图上来看，是因 为满带与空带之间有一个较 宽的禁带（Eg 约4～6 eV），共有化电子很难从低 能级（满带）跃迁到高能级 （空带）上去。
E
导带
Eg=3~6eV
价带
在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场 的能量，所以形不成电流。 电阻率 108 m
本征半导体
E
导带
Eg=0.1~3eV
人民邮电出版社 2012.5 TM914.4/433 科学出版社 2012 北京大学出版社 2011 上海交通大学出版社 2010 科学出版社 2009 化学工业出版社 2009 TM914.4/453 TM914.4/418 TM914.4/340 TM914.4/221 TM914.4/252
太阳能电池:从原理到新概念:from principles to new concepts
光电池工作时共有三股电流：光生电流IL，在光生电 压V作用下的pn结正向电流IF，流经外电路的电流I。IL和IF都 流经pn结内部，但方向相反。 光电流IL 结正向电流IF p n
根据p-n结整流方程， 在正向偏压下，通过结的 正向电流为：
IF=Is[exp(qV/kT)-1]
负载
I
其中：V是光生电压，Is是 反向饱和电流。
3.2 半导体物理基础
固体按导电性能的高低可以分为 导体 半导体
绝缘体 它们的导电性能不同，是因为它们的能带 结构不同。
导体 从能级图上来看，是因为其共有化电 子很易从低能级跃迁到高能级上去。
E
导带 价带 在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量， 集体定向流动形成电流。 电阻率 10-8 m
在 pn 结开路的情况下，最终 p-n 结两端建立起稳定的电 势差 Voc ，（ p 区相对于 n 区是正的），这就是光电池的开路电 压。如将pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不 断的电流通过电路，p-n结起了电源的作用。这就是光电池的 基本原理。
由上面分析可以看出，为使半导体光电器 件能产生光生电动势（或光生积累电荷），它们 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。
中国太阳能资源分布
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 1860KWh/m2以上， 太阳能利用条件优 越。
我国地处北半球，绝大部分地区位于北纬45°C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16.3x102KWh/m2a，约 相当于1.2x104亿吨标准煤。
太阳光谱
从太阳的构造可 见，太阳并不是一个 温度恒定的黑体，而 是一个多层的有不同 波长发射和吸收的辐 射体。不过在太阳
能利用中通常将它 视为一个温度为 6000K ，发射波长为 0.3～3μm的黑体。
太阳能波长分布在紫外光、可见光和红外光波段。这 些波段受大气衰减的影响程度各不相同。可见光辐射 的大部分可到达地面，但是上层大气中的臭氧却吸收 了大部分紫外光辐射。
如果结较浅，光子将进入pn结区，甚至更深入到半导体内 部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产 生电子-空穴对。 在光激发下多数载流子浓度一般改变较小，而少数载流子 浓度却变化很大。
光照前 少数载流子的漂移
光照后
由于pn结势垒区内存在较强的内建电场（自n区指向 p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相 反方向运动： p区的电子穿过p-n结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端 电势升高， n端电势降低，于是在 p-n结两端形成了光生电 动势，这就是p-n结的光生伏特效应。 由于光照在 p-n 结两端产生光生电动势，相当于在 p-n 结两 端加正向电压 V，使势垒降低为qVD-qV，产生正向电流IF.
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）。
3.3. 2、太阳能电池的输出特性 1、光电池的电流电压特性
３、填充因子FF 在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该 点所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最 佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压 Vop 和最 佳工作电流Iop。 VopIop Pmax = 填充因子定义为： FF = VocIsc VocIsc 它表示了最大输出功率点 所对应 的 矩形面 积 在 Voc 和Isc所组成的矩形面积中 所占的百分比。特性好的 太阳能电池就是能获得较 大功率输出的太阳能电池， 也就是 Voc ， Isc 和 FF 乘积 较大的电池。对于有合适 效率的电池，该值应在 0.70-0.85范围之内。