第10章-太阳能电池-1

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太阳能电池原理范文

太阳能电池原理范文太阳能电池是一种将太阳光能转化为电能的装置。

它是一种半导体器件，根据光伏效应原理工作。

在晴朗的阳光下，太阳光照射到太阳能电池表面，产生电子与空穴对。

通过合适的导线和电路布置，可以将产生的直流电能转化为有用的电能。

太阳能电池的基本结构通常是由两个半导体层构成，其中一个层被掺杂为p型，另一个层被掺杂为n型。

半导体的掺杂可以通过在原始材料中添加杂质元素来实现。

掺杂后的半导体中将产生多数载流子和少数载流子。

以p型层为例，它有许多绝缘层的正空穴，以及从n层移动过来的负电子。

当太阳能照射到太阳能电池的表面时，光子与半导体原子发生相互作用。

如果光子的能量大于半导体材料对能量吸收的门槛，光子将被吸收，将其能量传给被吸收的电子。

被激发的电子获得足够的能量以克服能带间隙并跃迁到导带。

这个过程使得原来的电子能带上留下空穴，从而产生一个电子-空穴对。

由于p型层具有许多正空穴，而n型层具有许多自由电子，新产生的电子和空穴将被电场力推到不同的区域，形成势差。

这个势差会引起电流的流动。

若将正极与p型层连接，负极与n型层连接，并将电路与电池连接，电流就会开始流动。

在太阳能电池中，不同的材料用于构成p型和n型层。

常用的材料包括硅、硒化铟、硫化镉等。

其中，硅是最广泛使用的材料，因为它具有稳定性好、物理性质可控且成本低廉等优点。

为了提高太阳能电池的效率，科学家和工程师们致力于改进太阳能电池的设计和制造工艺。

一种改善效率的方法是通过将多个太阳能电池组装在一起，形成太阳能电池组或太阳能电池阵列。

这种阵列可以在更广泛的光敏面积上接收太阳能，并提供更多的电能。

太阳能电池作为一种可再生能源的转换器，具有广泛的应用前景。

它可以用于为家庭和工业提供电力，也可以用于卫星和空间探测器等航天器的能源供应。

随着科学技术的不断发展，我们有望看到更高效、更持久、更美观的太阳能电池问世，进一步推动可再生能源的发展和利用。

太阳能电池的工作原理

太阳能电池的工作原理
太阳能电池是一种将太阳光直接转化为电能的装置。

它是由多个光电效应相互连接而成的半导体晶体。

典型的太阳能电池是由硅材料制成的，其中掺杂了两种不同类型的杂质。

太阳能电池的工作原理可以简述为以下几个步骤：
1. 光吸收：当太阳光照射到太阳能电池表面时，光子与半导体晶体中原子相互作用，吸收光能，并将其传递给半导体晶格的电子。

2. 电子激发：被吸收的光子能量使得半导体晶体中的电子激发到较高的能级，从而形成光生电子-空穴对。

3. 分离电荷：经过激发的电子和产生的正空穴分别在半导体晶体的n区和p区积累，并且在两个区域之间形成电势差。

4. 电流流动：由于n区和p区之间的电势差，电子和正空穴开始从n区和p区流动，形成电流。

这个电流可以在外部电路中推动电子流动，并产生实际可用的电能。

需要注意的是，太阳能电池的效率取决于吸收太阳能光谱的范围。

目前，太阳能电池的效率仍然相对较低，因此科学家一直在研究和改进太阳能电池的设计和制造方法，以提高其效率并降低制造成本，以便更广泛地应用于能源产业中。

光和影子大班科学教育活动教案：了解太阳能电池板的原理和应用

光和影子大班科学教育活动教案：了解太阳能电池板的原理和应用第一章：太阳能电池板简介1.1 太阳能电池板的定义1.2 太阳能电池板的工作原理1.3 太阳能电池板的应用领域第二章：太阳能电池板的制作材料2.1 硅材料的特点和应用2.2 太阳能电池板其他制作材料的介绍2.3 太阳能电池板材料的未来发展第三章：太阳能电池板的使用和维护3.1 太阳能电池板的安装和使用注意事项3.2 太阳能电池板的日常维护方法3.3 太阳能电池板故障处理和维修技巧第四章：太阳能电池板在不同环境下的性能表现4.1 太阳能电池板在晴天下的性能表现4.2 太阳能电池板在阴天和多云天气下的性能表现4.3 太阳能电池板在寒冷和高温环境下的性能表现第五章：太阳能电池板的应用实例5.1 家庭太阳能电池板的应用实例5.2 商业太阳能电池板的应用实例5.3 公共设施太阳能电池板的应用实例第六章：太阳能电池板在其他领域的应用6.1 太阳能电池板在交通领域的应用6.2 太阳能电池板在农业领域的应用6.3 太阳能电池板在医疗领域的应用第七章：太阳能电池板的环保意义7.1 太阳能电池板对减少碳排放的作用7.2 太阳能电池板对环境保护的其他影响7.3 太阳能电池板与传统能源的比较第八章：太阳能电池板的推广和普及8.1 政府政策对太阳能电池板推广的影响8.2 太阳能电池板普及面临的挑战和问题8.3 促进太阳能电池板普及的措施和建议第九章：太阳能电池板的发展趋势9.1 太阳能电池板技术的创新和发展9.2 太阳能电池板市场的发展趋势9.3 太阳能电池板产业的发展前景第十章：太阳能电池板的教育和培训10.1 太阳能电池板教育的目标和方法10.2 太阳能电池板培训的内容和形式10.3 太阳能电池板教育和培训的重要性第十一章：太阳能电池板的安全问题11.1 太阳能电池板的安全隐患11.2 太阳能电池板的安全使用指南11.3 太阳能电池板的安全标准和认证第十二章：太阳能电池板的成本效益分析12.1 太阳能电池板的初期投资成本12.2 太阳能电池板的长期经济效益12.3 太阳能电池板的成本效益比较第十三章：太阳能电池板与电网的互动13.1 太阳能电池板并网发电的原理13.2 太阳能电池板与电网的配合使用13.3 太阳能电池板电网互动的前景与发展第十四章：太阳能电池板的案例研究14.1 国内外太阳能电池板成功案例分析14.2 太阳能电池板在不同地区的应用案例14.3 太阳能电池板项目的挑战与解决方案第十五章：太阳能电池板的未来展望15.1 太阳能电池板技术进步的预测15.2 太阳能电池板在可持续发展中的角色15.3 太阳能电池板对人类生活方式的影响重点和难点解析本文主要介绍了太阳能电池板的原理、制作材料、使用和维护、在不同环境下的性能表现、应用实例、环保意义、推广和普及、发展趋势、教育和培训、安全问题、成本效益分析、与电网的互动、案例研究以及未来展望等十五个方面的内容。

太阳能电池原理PPT课件

2.1 半导体物理基础
本征半导体
T>0
导带 (部分填充)
EF EC EV
Valence band (Partially Empty)
在T = 0, 价带能级被电子填充，导带空, 导致电导率为零. 费密能级 EF 位于禁带中间(<1 eV) 当 T > 0, 电子可以被热“激发”到导带，产生可测量的电导率.
禁带禁带
能带
第29页/共105页
允带允带
允带
2.1 半导体物理基础
费米－狄拉克分布
电子和空穴在允带能级上的分布遵守费米－狄拉克分布。能量为E能级电子占据的几率为
1 f(E)
1exp(EEF)/KT
f(E)称为费米分布函数，EF为费米能级
第30页/共105页
2.1 半导体物理基础
费米－狄拉克分布
第15页/共105页
金属中的准能带的准自自由电子（价电子）模型由电子物理模型
金属中的自由电子除去与离子实相互碰撞的瞬间外，无相互作用。电子所受到的势能函数为常数。电子波函数仍然为自由电子波函数电子受到晶格的散射，当电子的波矢落到布里渊区边界时，发生Bragg衍射
第16页/共105页
对于所有能级均被电子所占满的能带（满带），在外电场作用下，其电子并不形成电流，对导电没有贡献。----- 满带电子不导电。通常原子中的内层电子都是占满满带中的能级，因而内层电子对导电没有贡献。对于被电子部分占满的能带（导带），在外电场作用下，电子可从外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去，从而形成电流，起导电作用。 ----- 导带电子有导电能力。
k
Resulted from r+
2.1 半导体物理基础

太阳能电池教程

太阳能电池教程绪论（introduction）第⼀章阳光的特性1.1 波粒⼆象性1.2 ⿊体辐射1.3 太阳和它的辐射1.4 地表的⽇光辐射1.5 直射和散射1.6 温室效应1.7 太阳的外表运动1.8 ⽇射率的度量1.8.1 全球的等通量1.8.2 直射和散射特性1.8.3 ⽇照时间资料1.8.4 数据的卫星云图1.9 太阳能和光伏发电第⼆章半导体和P-N结2.1 半导体2.1.1 键矩2.1.2 能带模型2.1.3 掺杂（半导体的掺杂）2.2 半导体的类型2.2.1 单晶硅2.2.2 多晶硅2.2.3 ⽆定形硅2.3 光吸收2.4 再结合2.5 P-N结第三章太阳能电池的性质3.1 光的作⽤3.2 光谱响应3.3 温度的影响3.4 串联电阻的作⽤第四章电池的特性和构造4.1 效率4.2 光损耗4.3 重组损耗4.4 表⾯接触设计4.4.1 基体体及表⾯电阻率4.4.2 栅线距离4.4.3 其它损耗4.5 实验电池VS⼯业需求4.6 激光凹槽隐匿接触电池第五章 PV电池的交互联系以及组成部件的加⼯ 5.1 组件和电路的设计5.2 单体电池5.3 多个电池5.4 多个组件5.5 热斑效应5.6 组件的结构5.7 环境保护5.8 热量考虑5.9 电绝缘5.10 机械保护5.11 衰减因素绪论光伏学是⼀门利⽤太阳能电池将太阳光直接转化为电能的⼀种艺术。

早在1839年，法国⼩伙⼦埃德蒙贝克勒尔19岁时，在他⽗亲的实验室⾥第⼀次论证（证实了）了光电池的设计。

然⽽，对于这种效⽤的理解和开发依赖于⼀些20世纪的重要的科学和技术的发展。

⼀个是量⼦⼒学的发展，它是20世纪最主要的智⼒成就之⼀。

另⼀个是半导体技术的发展，它对电⼦学⾰命以及微芯⽚的扩散起着重要的作⽤。

在（loferski,1993）中有现代光伏电池有趣的发展历史。

幸运的是，由于它的来由和发展背景，太阳能电池利⽤的简易性和可靠性是技术优点之⼀。

这本书在开始⼏章中，我们讲述了在这个过程中的两个最重要的要素的特性，⼀是阳光，它是最基础的能量来源，⼆是太阳能电池，通过完美地内在过程将阳光转化为电能。

太阳能电池课件完整版

太阳能汽车
太阳能路灯
PV APPLICATION
五、太阳能电池遇到的挑战
• 接受太阳辐射的面积； • 气候的影响； • 硅片的价格及硅片的加工技术。
谢谢！Biblioteka 太阳能电池发电的原理太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：
• 图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。
硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图：
图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。
太阳能电池的分类
• （1）硅太阳能电池 • 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 • 单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜单晶硅太阳能电池的替代产品。 • 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为 10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。 • 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池主要发展产品之一。

太阳能电池介绍ppt课件

金属与半导体的区别：金属的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，在一切条件下具有良好的导电性。半导体有一定的禁带宽度，价电子必须获得一定的能量（>Eg）“激发”到导带才具有导电能力。激发的能量可以是热或光的作用。常温下，每立方厘米的硅晶体，导带上约有l010个电子，每立方厘米的导体晶体的导带中约有1022个电子。绝缘体禁带宽度远大于半导体，常温下激发到导带上的电子非常少，固其电导率很低。
3.1 太阳能光伏发电原理
硅晶体和所有的晶体都是由原子(或离子、分子)在空间按一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体的晶格。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列，即长程有序，就称其为单晶体。在硅晶体中，每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个相邻原子核都有相互作用，称为共价键。正是靠共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。
“雪亮工程"是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程” 。
3.1 太阳能光伏发电原理
8.载流子的输运半导体中存在能够导电的自由电子和空穴，这些载流子有两种输运方式：漂移运动和扩散运动。载流子在热平衡时作不规则的热运动，与晶格、杂质、缺陷发生碰撞，运动方向不断改变，平均位移等于零，这种现象叫做散射。散射不会形成电流。半导体中载流子在外加电场的作用下，按照一定方向的运动称为漂移运动。外界电场的存在使载流子作定向的漂移运动，并形成电流。扩散运动是半导体在因外加因素使载流子浓度不均匀而引起的载流子从浓度高处向浓度低处的迁移运动。扩散运动和漂移运动不同，它不是由于电场力的作用产生的，而是由于载流子浓度差的引起的。

《太阳能电池》ppt课件

电极
受体
有机
给体
层
ITO
Donor: CuPc
glass
h
Acceptor: C60
①
LUMO ④
电子
正极
②③
负极
空穴
HOMO
① 激子的产生 ② 激子分散 ③ 激子拆分 ④ 载流子搜集
研讨进展
Charge Recombination in Organic Photovoltaic Devices with High OpenCircuit Voltages Q. L. Song JACS 132(2021) 4554-4555 IF: 9.019 Environment-friendly energy from all-carbon solar cells based on fullerene-C60 Q. L. Song SEMSC 93 (2021) 4–7 IF: 4.593
ITO
glass
双层构造
有机层
本体异质结构造
有机层
单层器件激子拆分
电子
Active layer:C60
空穴
电极
有机层
ITO
glass
LUMO
h
①
④
正极
② ③负极
HOMO
① 激子的产生 ② 激子分散 ③ 激子拆分 ④ 载流子搜集
NPB MoO3/NPB
PCE从 0.15 % 提高到0.414 % Environment-friendly energy from
有机太有机阳太能阳电能池电池应的运优而缺生陷
价钱廉价〔合成工艺简单，因此本钱低廉，有竞争力〕
轻薄、柔软易携带
足球烯 C60

《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第一章

课程大纲第一部分：基础知识第章引言第一章：引言第二章：半导体基础第三章：P-N结第四章：太阳能电池基础第二部分：传统太阳能电池第章能第五章：晶体硅太阳能电池第六章：高效III-V族化合物太阳能电池第七章：硅基薄膜太阳能电池第八章：高效薄膜太阳能电池（CIGS, CdTe）第三部分：新型太阳能电池第九章：有机太阳能电池第十章：染料敏化及钙钛矿太阳能电池第十一章：其它新型太阳能电池（量子点，中间带等）第十二章：多结太阳能电池主讲教师：（1-4 章：18学时）；82304569，xwzhang@张兴旺14章学时）xwzhang@semi ac cn尹志岗（5-7 章：14学时）；82304469，yzhg@游经碧（8-12章：22学时）；82304566，jyou@课程性质：专业选修课课程性质专业选修课课时：54课时考试类型：开卷成绩计算方式：期末考试（70%）+小组文献汇报（30%）成绩计算方式期末考试参考书目：1熊绍珍朱美芳：《太阳能电池基础与应用》科学出版社1. 熊绍珍，朱美芳：《太阳能电池基础与应用》，科学出版社，2009年2. 刘恩科，朱秉升，罗晋生：《半导体物理学》，电子工业出版社，2011年3. 白一鸣等编，《太阳电池物理基础》，机械工业出版社，2014年第一章引言太阳能的利用方式1.2太阳能资源及其分布31.114太阳电池工作原理31.3太阳电池发展历程1.4太阳电池应用与趋势31.51.6中国光伏发电的现状1973年，由于中东战争而引起的“石油禁运”，全世界发生了以石油为代表的能源危机，人类认识到常规能源的局限性、以石油为代表的“能源危机”，人类认识到常规能源的局限性有限性和不可再生性，认识到新能源对国家经济发展、社会稳定及安全的重要性。

与此同时，环境污染日益加剧、极端天气频繁出现，不断挑战着人类的忍受极限……1.1 太阳能资源：未来能源的主要形式太阳能核能地热能生物质能风能水势能清洁能源－－光伏发电太阳------物理参数太阳------地球生命之源！表度太阳------巨大的火球！表面温度：5760-6000K中心温度：1.5×107K日冕层温度：5×106K198930质量：1.989×10kg太阳每秒释放的能量：3.865×1026J，相当于132每秒燃烧1.32×1016吨标准煤的能量(世界能源消耗)3.0 ×1020joule/y=万分之一！3.0 ×1024joule/y万分之巨大潜力(照射到地面的太阳能)457亿年>50亿年我国的太阳能资源45.7亿年，>50亿年，取之不尽、用之不竭地表每年吸收太阳能17000亿吨标煤2007年一次能源26.5亿吨标煤解决能源危机特点能源取之不尽、无污染地球表面角度0.1%的太阳能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍资源丰富太阳环改善环境、保护气候无污染物废气噪音的污染特点能的境角无污染物、废气、噪音的污染1 MW并网光伏电站的年发电能力约为113万优点度并能kWh，可减排二氧化碳约191余吨相当于每年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约5.5吨，减排灰渣约114吨，减排二氧化硫约节能减排8.54吨。

太阳能电池-工作原理、技术和系统应用的完整-太阳能电池课件-新南威尔士大学ppt课件

.
太阳能电池概论
第一章太阳能电池和太阳光
杂质半导体
n型半导体 Si Si Si Si
Si
P
Si
Si
.
太阳能电池概论
21
图中掺入的五价P原子在晶体中替代Si的位置，构成与 Si相同的四电子结构，多出的一个电子在杂质离子的电场范围内运动。
第一章太阳能电池和太阳光
杂质半导体
硅原子
Si
磷原子
水力
2001
2010
2020
2030
2040
太阳能电池概论
预计2040年太阳能电池占25%
.
第一章太阳能电池和太阳光
1.2 太阳能电池工作原理及发展概况
11
1.2.1太阳能电池工作原理
太阳能半导体材料
电能太阳能电池来自基本工作原理：光伏效应（Photovoltaic effect）
.
太阳能电池概论
钱伯章主编，《太阳能技术与应用/新能源技术丛书》，科学出版社，2010年；赵雨等主编，《太阳能电池技术及应用》，中国铁道出版社，2013年。
.
太阳能电池概论
第一章太阳能电池和太阳光
5
第一章太阳能电池和太阳光
.
太阳能电池概论
第一章太阳能电池和太阳光
6
主要内容
1.1 引言
1.2 太阳能电池工作原理及发展概况
纯净的单晶半导体称为本征半导体。
15
本征半导体
.
太阳能电池概论
第一章太阳能电池和太阳光
本征半导体中
价电子（热激发）自由电子-空穴对
复合平衡
.
太阳能电池概论
本征半导体 16

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最好好
一般较差很差
≥ 6680 5850－6680 5000－5850 4200－5000
< 4200
≥ 5.1 4.5 – 5.1 3.8 – 4.5 3.2 – 3.8
< 3.2
8
太阳能光伏发电的优缺点
优点
不受地域限制；安全可靠；无噪声、无污染；不用水，不消耗燃料；不需要架设远距离输电线路；安装简单、方便，建设周期短；分散建设，就地发电；便于分步实施。
Q2
Tc
Heat engine
图10.12 太阳能转换效率示意图
Carnot
1
Th
Tc
3
4
1
300 4425

93%
(10.18)
Shockley-Queisser limit for single junction cell,1961
Henry limit for multijunction cells,1980
24
Solar radiation
4 5
23
1
Transmission
图10.13 太阳能电池中的主要损耗机理
1. Transmission 透射
2. Nonradiative recombination 非辐射复合
3. Radiative recombination 辐射复合
4. Thermalization (haverage Eg+kT)发热
in 1839.
图10.2 In 1941, Charpin， Fuller and Pearson produced a
Si cell at Bell Labs.
2
半导体pn结的光伏效应
图10.3 半导体 pn结的光伏效应是指在光照下半导体pn结两端产生电位差的现象。大多数太阳电池都是基于pn结的光伏效应。
5.
Spatial 间驰预
relaxation
energy
loss
(Eg+kT

qVr Limit (detailed balance limit*)
It is based on thermodynamics and includes four intrinsic losses
如辐射复合、俄歇复合、通过复合中心的复合(Shockley-
Read-Hall复合)等；同时，陷阱效应对少子寿命也起着重要的作用。
19
太阳电池的极限效率
受热力学第二定律限制，太阳电池极限效率η应为：
其中＝(卡T6诺s0和0)效0TKa率分，。别Ta为＝太310阳0K表TT，as面得光到球η温＝度9和5.电0 ％池，表即面所温谓度（C。10a令-r1nT3o)st
考虑到太阳电池表面存在热辐射，得到太阳电池的极限效率
为:

1
4 3
Ta Ts

1 3

Ta Ts
4
（10-14)
利用效T率s和或T技a同术样极限的效数率据。，得到η＝93.3％，即所谓Andsberg
20
太阳能电池由材料带隙宽度Eg决定的极限效率。开路电压Voc 必须小于pn结的内建电势，它们还要小于带隙宽度Eg，即 eVoc≤eVbi≤Eg，而由（10-6)式决定Jsc/e。
通常AM1.5指AM1.5G光谱，温度为25C
16
光伏电池/组件的标准测试条件太阳光强度： • 地面(标准测试)条件：1个大气压，25℃，
1KW/m2，或者100mW/cm2
• 太空条件下：136mW/cm2 或者 1.36KW/m2
17
光伏参数与材料性质的关系
太阳电池的光伏参数依赖带隙宽度、杂质浓度、载流子迁移率和少子寿命等。
缺点
成本高（每千瓦4万元，带蓄电池4－6万元）；能量密度低（峰值辐射1KW/m2，满发电100瓦）；发电时数低（每年满功率1500小时）；不连续，受天气影响，存在储能问题。
9
太阳电池及组件分类
按材料分类
晶体硅光伏电池及组件非晶硅薄膜光伏电池及组件微晶硅薄膜光伏电池及组件纳晶硅薄膜光伏电池及组件硒光电池化合物太阳电池:硫化镉、硒铟铜、碲化镉、砷化镓光伏电池及组件染料电池…….
太阳核心每秒大约有700亿吨氢聚变成氦，每秒释放的能量大约相当于3.9×1026焦耳。太阳表面温度约为5758K。太阳光向四周外空间辐射穿越大约1.5亿公里 (太阳与地球的平均距离) 后到达地球表面，在地表外层空间太阳光的强度约为1366 W/m2。
太阳从诞生至今大约已经过了 46亿年，估计太阳寿命至少还有50亿年。
12
图10.8 无光照和有光照时的能带图
pn结中，没有光照时在接触势垒的作用下pn结界面附近形
前成n了区一和个p势区的垒费区米。能接级触之势差垒：的高度b 等于pn结形成之
b = eVbi = EFn − EFp
（10-1)
式中e 为电子电荷，Vbi为pn结的内建电势。电池的能量等于电子和空穴的准费米能级之差：
电池的短路电流密度Jsc的上限：
L g
Jsc e QNphddx
（10-7)
00
Nph度为，光λ子g 为流E密g对度应，的Q为波光长生。电电子池-的空短穴路对电的流几密率度，JLsc为可电以池表的示厚为：
g
Jsc e(Le Lh W) QNphd
（10-8)
Le＝ (Dee)/2，Lh=0 (Dhh) /2
如果光生电子-空穴对的几率小于1，则光生电子-空穴对的数
目小于能量大于Eg 的所有光子数Nph(Eg)。带隙为Eg的材料的电池极限效率为：
max

Eg N ph (Eg ) I0
（10-15)
在AM0光谱下此极限效率对应的材料带隙宽度为1.07eV。对
于AM1.5光谱而言，此极限效率在1.0-1.4eV范围存在两个
Non-radiative recombination and Joule heating are not considered. It is therefore the limit for ideal solar cells. The maximum efficiency for single junction is only 31% under 1 sun.
eVoc = EFe − EFh
（10-2) 13
光电流密度、开路电压和光电转换效率
光电流密度Joc：pn结暗电流密度Jd与短路电流密度Jsc之差：
Joc＝Jd−Jsc＝Js exp[(eVoc/kT−1)-1]−Jsc
（10-3)
式中不小J依，s为赖不p于影n结电响反压光向的生饱常载和数流电，子流p的n密收结度集上。效的短率电路。压电变流化密只度改J变sc是Jd的一大个
异质电发得半出生导导开变率体路化等电电，都池压开是的：路位E条g置、件x电下的子将函亲电数合场。势差光χE照、－下有E异0效质对态结整密内个度的结N静构C和电积N场分V E，、0
(10.16) ∆n电和导∆p在为总光电生导电中子所和占空的穴比的例浓。度异，质(e结n半∆n导＋体e电p∆池p结)/ 构为的光
3
图10.4 太阳能电池:光伏电池示意图
4
其它太阳能发热
天然气核能水力石油煤炭
太阳能发电风力
生物
图10.5 2000-2100全球各种能源的发展趋势 5
太阳光辐射
太阳是距地球最近的一颗恒星，其直径约139万公里。
太阳辐射的能量来源于太阳核心的热核聚变。4个氢原子聚变成1个氦原子。对于“质子－质子”循环核聚变，反应过程的质量亏损∆m＝4mH－mHe，按照爱因斯坦质能关系∆E=∆mC2 (C为光速) 计算，相当于25MeV的能量。
为p区的电子寿命和n区的空穴寿命。通常，太阳电池采用
n+p或p+n结构，例如在p型硅(掺杂浓度NA)衬底上扩散磷形成n+p结，此时反向饱和电流密度近似表示为：
Js

e
N
eLe A x10
20
exp(
Eg kT
)
（10-12)
由此可见，Js和Voc在很大程度上取决于Eg，同时与少子寿命
密切相关。少子寿命依赖于太阳能电池中的各种复合机制，
开路电压：在开路条件下，Joc等于0，得到：
光电转换Vo效c 率 kηeT：l在n标JJs准sc 光强下电池的最大输出功率与（输10入-4)
光功率P0之比值： Voc J sc FF
P0
（10-5)
填充电因流子密F度F：乘电积池之F的比F 最: 大JJsm输cVVom出c 功率VmJm与开路电压和（短1路0-6)
按结构分类
同质结光伏电池及组件异质结光伏电池及组件肖特基结光伏电池及组件复合结光伏电池及组件液结光伏电池及组件
按用途分类
空间光伏电池及组件地面光伏电池及组件光伏传感器
10
太阳能光伏发电的优缺点
优点不受地域限制；安全可靠；无噪声、无污染；不用水，不消耗燃料；不需要架设远距离输电线路；安装简单、方便，建设周期短；分散建设，就地发电；便于分步实施。
（10-9)
g
h e
c Eg
1.24 Eg
（10-10)
可见短路电流Jsc与少子扩散长度、少子寿命等都密切相关。
18
电池的开路电压Voc密切依赖于Jsc/Js的比值，反向饱和电流
其中密( n度n0p/0pJJe和ss主和要ppen0n0/由分nhe0pp别)L决ne为结定p两e：区p侧h的n0 少L电h子子扩浓散度长和度n范区围的内空少穴子浓的度（复, 10合e和-1率1h)
当光跃迁能产量生大电于子Eg-的空光穴照对射。到如半果导这体些p光n结生上的时电，子电和子空穴扩散到pn结的势垒区，则在内建电场的作用下，电子被扫向n区，空穴被扫向p区，从而在n区形成电子的积累，在p区形成空穴的积累，在pn结两端产生光电压，p端为正极，n端为负极。