《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-11.pdf

中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺2第四章太阳电池基础第四章太阳电池基础光生载流子的浓度和电流光生载流子的浓度和电流4.2太阳电池的测试技术太阳电池的测试技术4.4光生伏特效应光生伏特效应34.1太阳电池的伏安特性太阳电池的伏安特性34.34.5太阳电池的效率分析太阳电池的效率分析太阳电池的性能表征太阳电池的性能表征4.6中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺3以晶体硅太阳电池为例1）以p型晶体硅半导体材料为衬底；（2）为了减少光的反射损失，常制作绒面减反结构（3）采用扩散法在硅衬底上制作重掺杂的n型层（4）PECVD生长SiO2减反层（5）在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极（6）在衬底背面制作金属膜，作为背面欧姆接触电极4.1 光生伏特效应光生伏特效应太阳电池基本结构太阳电池基本结构中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺4半导体半导体吸收光子吸收光子产生电子空穴对，电子空穴对在p-n结内建电场 作用下产生电子空穴对，电子空穴对在p-n结内建电场 作用下分离分离，从而在p-n结两端产生电动势从而在p-n结两端产生电动势p-n结是太阳电池的核心p-n结是太阳电池的核心4.1 光生伏特效应光生伏特效应光生载流子形成一个与热平衡结电场方 向相反的电场，使得势垒降低；光生电流与正向结电流相等时，pn结建 立稳定的电势差，即光生电压光生载流子形成一个与热平衡结电场方 向相反的电场，使得势垒降低；光生电流与正向结电流相等时，pn结建 立稳定的电势差，即光生电压Electric Field中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺5太阳电池工作原理：太阳电池工作原理：当太阳光照射到太阳电池上并被吸收时，其中能量大于禁带宽度Eg的光子能把价带中电子激发到导带上去，形成自由电子，价带中留下带正电的自由空穴，即电子—空穴对，通常称它们为光生载流子。

自由电子和空穴在不停的运动中扩散到p-n结的空间电荷区，被该区的内建电场分离，电子被扫到电池的n型一例，空穴被扫到电池的p型一侧，从而在电池上下两面（两极）分别形成了正负电荷积累，产生“光生电压”，即“光伏效应”如果在电池的两端接上负载，在持续的太阳光照下，就会不断有电流经过负载这就是太阳电池的基本工作原理载流子运动的角度载流子运动的角度4.1 光生伏特效应光生伏特效应中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺6能带的角度能带的角度持续光照条件下，大量的光生载流子产生，光生电子和空穴被源源不断 地分别扫到n型和p型一两侧，致使n区和p区费米能级的分裂，若太阳电 池断路，光生电压V即为开路电压V持续光照条件下，大量的光生载流子产生，光生电子和空穴被源源不断 地分别扫到n型和p型一两侧，致使n区和p区费米能级的分裂，若太阳电 池断路，光生电压V即为开路电压Vococ若外电路短路，pn结正向电流为 零，外电路电流为短路电流，理想情况下也就是光电流若外电路短路，pn结正向电流为 零，外电路电流为短路电流，理想情况下也就是光电流4.1 光生伏特效应光生伏特效应中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺7黑体极限黑体极限AM0AM1.5AM0 T=300k0.51.01.52.02.55101520253035SiCU2SGaAsCdS一般太阳电池最常用的半导体材料的带隙在1～2 eV之间。

而在1.4 eV左右可获得最高的光电转换效率一般太阳电池最常用的半导体材料的带隙在1～2 eV之间而在1.4 eV左右可获得最高的光电转换效率材料带隙材料带隙4.1 光生伏特效应光生伏特效应中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺8 直接带隙半导体，带隙在1.1eV到1.7eV之间直接带隙半导体，带隙在1.1eV到1.7eV之间 组成的材料无毒性，在地球上丰度高组成的材料无毒性，在地球上丰度高 便于制备，并可大面积、薄膜化生产便于制备，并可大面积、薄膜化生产 有较高的光电转换效率有较高的光电转换效率 较好的力学性能，便于加工较好的力学性能，便于加工 性能稳定，耐候性好，具有长期稳定性性能稳定，耐候性好，具有长期稳定性理想太阳能电池材料特性理想太阳能电池材料特性4.1 光生伏特效应光生伏特效应中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺9太阳电池是恒流源，普通电池是恒压源太阳电池是恒流源，普通电池是恒压源4.2 太阳电池的性能表征太阳电池的性能表征中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺10黑暗条件下，太阳电池就是一个普通的二极管，具有整流特性， 在正向电压下会产生暗电流，如果太阳电池处于热平衡状态， 暗电流满足肖克莱方程。

黑暗条件下，太阳电池就是一个普通的二极管，具有整流特性， 在正向电压下会产生暗电流，如果太阳电池处于热平衡状态， 暗电流满足肖克莱方程dp2 ihAe2 ie 0qV/k 0darkNLnqD NLnqDJ1)-(eJ(V)JBaTJ0V4.2 太阳电池的性能表征太阳电池的性能表征所谓所谓暗电流暗电流指的是光伏电池在无光照时，由外电压作用下P-N 结内流过的单向电流指的是光伏电池在无光照时，由外电压作用下P-N 结内流过的单向电流反向饱和电流J0是pn结在反向电压下、 还没有达到击穿时的电流中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺114.2 太阳电池的性能表征太阳电池的性能表征不考虑寄生电阻时太阳电池等效电路太阳电池等效电路1)-(eJ(V)JBqV/k 0darkT与光生电流与光生电流Jph方向相反方向相反不考虑寄生电阻时 太阳电池=恒流源+二极管太阳电池=恒流源+二极管光照下，存在光吸收，产生光电 流Jsc；另一方面，光生电压对于 二极管相当于正向偏压，正向偏 压下通过二极管的电流如太阳电池与负载接成通路，通过负载（外电路）的电流为(V)J-JJ(V)darkphJph1)-(eJJJBqV/k 0phT中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺12Iph暗特性暗特性ImpVmpVOCIscVIO输出功率输出功率太阳电池伏安特性中的电流，是方向相反的光生电流太阳电池伏安特性中的电流，是方向相反的光生电流Jph(Jph=Jsc)和暗电流和暗电流Jdark的叠加。

的叠加4.2 太阳电池的性能表征太阳电池的性能表征伏安特性是光生电流Jph 和暗电流Jdark的叠加(V)J-JJ(V)darkph1)-(eJJJBqV/k 0phT中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺13VocVmImIscIVRm1开路 电压短路电流开路 电压短路电流最大功率 输出点最大功率 输出点JscJmJ开路电压开路电压Voc pn结开路情况下结开路情况下(RL=∞)， 此时， 此时pn结两端的电压即为 开路电压结两端的电压即为 开路电压Voc（与光谱辐照强度 有关，与电池面积大小无关，随 温度升高，开路电压下降）（与光谱辐照强度 有关，与电池面积大小无关，随 温度升高，开路电压下降）pn结开路，则结开路，则J=01)-(eJJJBqV/k 0phTJph 载流子运动/能带的角度如何理解载流子运动/能带的角度如何理解4.2 太阳电池的性能表征太阳电池的性能表征电池能提供的最大电压，与？？？有关， 包括：电池能提供的最大电压，与？？？有关， 包括：中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺14短路电流短路电流Isc如将如将p-n结短路（结短路（V=0）， 这时所得的电流为短路电 流）， 这时所得的电流为短路电 流Isc，短路电流等于光生 电流，短路电流等于光生 电流（与太阳能电池的面积大 小有关，面积越大，（与太阳能电池的面积大 小有关，面积越大，Isc越大））VocVmImIscIVRm1开路 电压短路电流开路 电压短路电流最大功率 输出点最大功率 输出点JscJmJ4.2 太阳电池的性能表征太阳电池的性能表征pn结短路，则结短路，则V=0Jsc=Jph1)-(eJJJBqV/k 0phT载流子运动/能带的角度如何理解载流子运动/能带的角度如何理解电池能提供的最大电流，与载流子的产生 与收集有关，包括：电池能提供的最大电流，与载流子的产生 与收集有关，包括：中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺15Isc=Iph=qGA(Lp+W+Ln)JphV VococI Iscsc随光强的变化关系随光强的变化关系聚光太阳电池效率)/ln(0IxIVVSCToc)(jdSCVIxII4.2 太阳电池的性能表征太阳电池的性能表征VocVmaxpn结势垒消失 VD，与Eg相当 实际的I-V曲线？中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺16不考虑寄生电阻的 太阳电池等效电路  1e1e1JJ(V)1eJJT/KqVTqV/KscT/KqVph 0BocBBoc伏安特性方程伏安特性方程4.2 太阳电池的性能表征太阳电池的性能表征JphJphJsc=Jph中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺17传输到负载上的功率为：通过令传输到负载上的功率为：通过令P的导数为零，可得负载上最大功率时的电流电压值的导数为零，可得负载上最大功率时的电流电压值  1e1e1JJ(V))( aBocaBT/KqVTqV/KscVVVP01e）1/(qe-eJ)(一阶导数为零，有极值 0)(aBocaBmaBocT/KqVT/KqVT/KqVscm   aBmTkV dVVdPPdVVdP得到关于最佳工作电压得到关于最佳工作电压Vm的方程的方程oc aBmaB mVTkqV qTkV 1ln4.2 太阳电池的性能表征太阳电池的性能表征中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺18太阳电池的伏安（电流太阳电池的伏安（电流I---电压电压V） 特性曲线是指在一定光照和环境 温度为） 特性曲线是指在一定光照和环境 温度为300K的条件下，电流和 电压的函数关系。

的条件下，电流和 电压的函数关系VocVmImIscIVRm1开路 电压短路电流开路 电压短路电流最大功率 输出点最大功率 输出点Pm由于电流由于电流I与与太阳电池面积与与太阳电池面积A成正比， 所以也常常用电流密度成正比， 所以也常常用电流密度J取代电流取代电流I， 来描述伏安特性 来描述伏安特性J=I/A4.2 太阳电池的性能表征太阳电池的性能表征太阳电池的用途是将太阳光能转 换为电能，往往用功率密度太阳电池的用途是将太阳光能转 换为电能，往往用功率密度P=IV； 来衡量电能的大小负载； 来衡量电能的大小负载R可以从零到无穷大当负 载可以从零到无穷大当负 载Rm使太阳电池的功率输出为最 大时，它对应的最大功率使太阳电池的功率输出为最 大时，它对应的最大功率Pm为式中为式中 Im和和 Vm分别为最佳工作电 流和最佳工作电压分别为最佳工作电 流和最佳工作电压mmmVIP 太阳电池最大功率输出太阳电池最大功率输出中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺19填充因子填充因子FF在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 作电压在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Vm和最佳工作电流和最佳工作电流Im。

FF表示最大输出功率点所对应的矩形面 积在表示最大输出功率点所对应的矩形面 积在Voc和和Isc所组成的矩形面积中所占的 百分比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。