太阳能电池原理

国立台湾大学化学系，大学普通化学实验，第十二版，国立台湾大学出版中心：台北，民国九十七年。
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台大化学系普化教学组魏圣轩助教，2008年3月15日。

一、目的：
学习太阳能电池之制作原理及性质测定。

太阳电池的分类硅太阳电池按基体材料分 化合物太阳电池? 硅太阳电池* 以硅为基体材料的太阳电池称为硅太阳电池。 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 单晶硅（Single crystaline-Si）太阳电池。 多晶硅（Polycrystaline-Si）太阳电池。 非晶硅（Amorphous-Si）太阳电池。 微晶硅（μc-Si）太阳电池。 HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer)电池。 双面太阳电池。 ? 化合物太阳电池** 以化合物半导体材料制成的太阳电池称为化合物 太阳电池。 ① 单晶化合物太阳电池。 ② 多晶化合物太阳电池。 ③ 有机半导体太阳电池。 ④ 染料敏化太阳电池。 按电池结构分 1. 同质结太阳电池pn结是同一种半导体材料的同质结构成的太阳电池。 2. 异质结太阳电池由禁带宽度不同的半导体材料形成的异质结构成的太阳电 池。 3. 肖特基结太阳电池利用金属-半导体界面上的肖特基势垒而构成的太阳电池称 肖特基结太阳电池。 4. 复合结太阳电池由两个或多个pn结形成的太阳电池称为复合结太阳电池。 按用途分 1. 空间太阳电池指在人造卫星、宇宙飞船等航天器上应用的太阳电池。 制作精细，价格较高。 2. 地面太阳电池指用于地面阳光发电系统的太阳电池。 具有较高的功率价格比。 3. 光敏传感器 光照强度不同，电流大小也不一样。 §3-2 太阳电池的工作原理通常应用的太阳电池是一种将光能直接 转换成电能的半导体器件，其基本构造 是由半导体的P-N结组成。 3.2.1 P型和N型半导体 ? 半导体 (semiconductor) * ? 定义：形成材料的电阻率界于金属与绝缘材料之间的材料。 ? 电阻率在某个温度范围内随温度升高而增加。 ? 电导率在10-4～104/（Ω.cm）之间。 原子示意图 晶体的共价键结构 ? N型半导体 * ? n 型半导体：硅晶 体中掺入少量五 价元素磷或砷原 子。磷或砷原子 称为施主。这种 杂质半导体主要 靠施主能级激发 到导带中去的电 子来导电，称为 电子型半导体或 n 型半导体。 额外电子 P 对于n型半导体，电子浓度远大于空穴浓度，电 子为多数载流子称为多子，空穴称为少子。 ? P型半导体 * ? p型半导体： 硅晶体中掺入 少量三价硼原 子。硼原子称 为受主。这种 杂质半导体的 导电机构主要 取决于满带空 穴运动，故称 空穴半导体或 p型半导体。 空穴 B 对于p型半导体，电子浓度远小于空穴浓度，空 穴为多数载流子称为多子，电子称为少子。 3.2.2 P-N 结 (P-N junction) 如果将n型和p 型半导体两者 紧密结合，连 成一体，导电 类型相反的两 块半导体之间 的过渡区域， 称为P-N结。 平衡PN结 ? 空间电荷区 势垒区 耗尽区 ? 内建电场 ? 扩散流 ? 漂移流热平衡时：扩散流=漂移流 PN 结中无净电流。 3.2.3 内光电效应 当半导体的表面受到太阳光照射时，如 果其中有些光子的能量大于或等于半导 体的禁带宽度，就能使电子挣脱原子核 的束缚，在半导体中产生大量的电子-空 穴对，这种现象称为内光电效应。 实现条件：hv≥ Eg 或λ≤hC/Eg 3.2.4 太阳电池基本工作原理 ? 吸收光子，产生电子空穴对。 ? 电子空穴对被内建电场分离，在PN 结两端产生电势。 ? 将PN结用导线连接，形成电流。 ? 在太阳电池两端连接负载，实现了 将光能向电能的转换。 3.2.5 晶体硅太阳电池的结构上电极（-） 抗反射层 背面接触 基本晶体硅太阳电池的结构 3.2.6 有机太阳电池的结构 §3-3 太阳电池的电学特性 3.3.1 标准测试条件 大气质量—太阳光线通过大气层的路程对到达地球表面 的太阳辐射的影响 AM0—地球大气层外的太阳辐射 AM1—穿过1个大气层的太阳辐射（太阳入射角为0） AM1.5—太阳入射角为48.2°的太阳辐射 电性能测试国际上统一规定地 面太阳电池的标准 测试条件是： 光强：1000W/m2 光谱分布：AM1.5电池温度：25℃ 大气质量(AM0-2)太阳光谱 大气质量(AM)太阳光谱定义几何示意图 (AM=1/cos?z=(1+(s/h)2)-1/2), s是高度为h 的垂直竿的阳光下 投影长度，?z太阳天顶角。 太阳数据 - 直径 1392000 km - 表面积 6.9x1012 km2 - 表面温度 5500 K - 表面辐射密度 63000 kW/m2 - 辐射能量 3.36 x 1024 MWh/a - 大气层外太阳光谱分布分类与所占比例 紫外线: ＜380 nm ( 6.46% ) 可见光: 380 - 780 nm (46.25%) 红外线: ＞780 nm (47.29%) - 晶体Si太阳电池光谱响应范围≤1100 nm (50%) 地球的数据 - 到太阳的平均距离 1.5x108 km - 直径 12756 km - 表面积 5.11x108 km2 - 陆地面积 1.49x108 km2 (29.2%) - 中国面积 9.6x106 km2 (1.87%)? - 大气层外辐射密度（太阳常数） 1367 ? 7 W/m2 - 在地球空间方向上的辐射功率 1.76x1011 MW - 在地球空间方向上的辐射能量 1.54x1015 MWh/a - 在地球表面的的辐射密度 (全球辐射) 1000 W/m2 - 在地球表面的辐射功率 1.28x1011 MW - 在地球表面的辐射能量 1.12x1015 MWh/a - 在中国的辐射能量 2.09x1013 MWh/a? 太阳辐射到地球表面的传播过程 ? ? ? ? ? ? 直射辐射 漫射辐射 散射 吸收 云层反射 地面反射 大气质量(AM0,AM1.5)太阳光谱 AM1.0与AM1.5太阳光谱 AM1.5太阳光谱与晶体硅太阳电池的可用光谱范围 太阳辐射穿过大气层的情况 AM0 (1367 W/m2) AM1.5 (963 W/m2) 3.3.2 太阳电池等效电路 ? 理想的太阳电 池等效电路：只 有ISC和Id Iph I D ? I 0 (e qU AkT ? 1)太阳能电池的理想状态等效电路 ?实际太阳电池等效电路：并联一 个旁路电流支路等效电路 Iph太阳能电池的实际状态等效电路 3.3.3 太阳电池的主要技术参数 1. 伏安特性曲线 ? 输出功率:流进负载的电流为I，负载端电压为U Isc: 短路电流 Voc:开路电压 2. 最大功率点 ?输出功率:流进负载的电流为I，负载端电压为U ?Pm= ImUm：最大输出功率 ?M点：太阳能电池的最佳工作点或最大功率点 ?Im：最佳工作电流 ?Um：最佳工作电压 ?Rm:最佳负载电阻 3. 开路电压(Open-circuit voltage) 在一定温度和辐照度条件下，太阳电池在开路情况下的端电压，亦即伏安特性 曲线与横坐标的交点所对应的电压，通 常用UOC来表示。 4. 短路电流(Short-circuit current) 在一定温度和辐照度条件下，太阳电池在端电压为零 时的输出电流，亦即伏安特性曲线与纵坐标的交点所 对应的电流，通常用Isc来表示。 当U=0时，Isc=Iph。 太阳电池的短路电流Isc与太阳电池的面积大小有关， 面积越大，Isc越大。 5. 填充因子(Fill Factor) 填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数，定义为太阳电池的最大功 率与开路电压和短路电流的乘积之比， 通常用FF或CF表示。 FF=B/A 6. 太阳电池的转换效率太阳电池接受光照的最大功率与入射到该电 池的全部辐射功率的百分比称为太阳电池的 转换效率。即： η=UmIm/AtPin 式中： Um、Im----最大输出功率点的电压、电流； At ----包括栅线面积在内的太阳电池总面积； Pin ----单位面积入射光的功率。 【例3-1】某一面积为100cm2的太阳电池，测得其最 大功率为1.5W，则该电池的转换效率是多少？ 解： 太阳电池转换效率 η =UmIm/AtPin =1.5/（100×10-4）×1000 =15% 7. 电流温度系数当温度变化时，太阳电池的输出电流会产生变化，在 规定的试验条件下，温度每变化1oC，太阳电池短路 电流的变化值称为电流温度系数，通常用α表示： I sc ? I0 (1 ? ??T ) 8. 电压温度系数当温度变化时，太阳电池的输出电压会产生变化，在规 定的试验条件下，温度每变化1oC，太阳电池开路电压 的变化值称为电压温度系数，通常用β表示： Uoc ? U0 (1 ? ??T ) 温度对太阳电池的影响 1 2 电流温度系数：0.1% 电压温度系数：-0.4%（-2.3mV/℃) 曲线1—25℃ 曲线2—35 ℃ 9. 功率温度系数当温度变化时，太阳电池的输出功率会产生变化，在 规定的试验条件下，温度每变化1oC，太阳电池输出 功率的变化值称为功率温度系数，通常用γ表示。 Pmax ? I scU oc ? I 0U 0 (1 ? ??T )(1 ? ??T ) ? I 0U 0 [1 ? (? ? ? )?T ? ???T 2 ] 忽略平方项，得： P max ? P 0 [1 ? (? ? ? )?T ] ? P 0 (1 ? ??T ) 10. 太阳辐照度的影响