太阳电池工作原理教学课件
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人在贝尔实验室制成了光电转换效率达6%的 世界上第一块实用的硅太阳电池，标志着太 阳电池研制工作的重大进展。
引言
1959年第一个光电转换效率为5％的多晶硅太 阳电池问世。
1960年硅太阳电池发电首次并入常规电网。 1975年，美国科学家制作出非晶硅太阳电池。 80年代初，太阳电池开始规模化生产。
颗粒过大）
填充因子
FF和其他关键参数的关系：
FF
FF0
1
(voc
0.7) FF0 RCH voc Rsh
(1
Rs RCH
)
其中
FF0
voc ln(voc 0.72) voc 1
voc
Voc nkT / q
RCH
Voc I sc
填充因子
填充因子还可定义为：
FF Pmax Voc I sc
0
单位面积入射光功率
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 ℃
温度对太阳电池的影响
短路电流对温度变化的敏感度不大。
开路电压会随温度显著变化，一般温度每升
高1℃，Voc下降约0.4%。
dVoc Vgo Voc （kT/q)
Voc的损失主要在于体内复合。
短路电流
——损失途径
表面的减反射程度，通过制绒和镀减反 射膜使反射率在10%以下。
正面电极的印刷遮掉10%左右的入射光。 电池片比较薄，部分光线会直接穿透电
池片。不过现采用全背面印刷铝浆对这 损失有很大削弱。 半导体体内和表面的复合。
串联电阻
●● ● 硅金 金 材属 属 料电 与 体极 硅 电电 的 阻阻 接
上 并 在N随 0ε.D6着sV是≥左N硅1D0右的的19的/增c介m金加电3时属迅常，材速数R料地，C将，下N主D当降是要硅。掺表的对杂现掺于浓为杂势度隧浓垒。道度高大效在度致应，
14Ω02c0/mcm2 3附近时，RC的数值大约为10-3～10-
串联电阻
扩散薄层电阻引起的串联电阻：
rt
Rsq
12、人乱于心，不宽余请。06:25:5106 :25:510 6:25Th ursday , December 10, 2020
13、生气是拿别人做错的事来惩罚自 己。20. 12.1020 .12.100 6:25:51 06:25:5 1December 10, 2020
14、抱最大的希望，作最大的努力。2 020年1 2月10 日星期 四上午6 时25分 51秒06 :25:512 0.12.10
触 电 阻
串联电阻
串联电阻表达式：
Rs rmf rc1 rt rb rc2 rmb
rmf 是正面电极金属栅线电阻，rc1、rc2
分别是正面、背面金属半导体接触电阻， rt是正面扩散层的电阻，rb是基区体电阻， rmb是背面电极金属层的电阻
串联电阻
金属体电阻：
rm
rsq (l / w) 2mn
引言
太阳电池—将太阳光能直接转换为电能的半 导体器件
● 种类
● 硅太阳电池
1) Si太阳电池
1)单晶硅片
2) GaAs太阳电池
2)多晶硅片
3) 染料敏化电池
3)非晶硅薄膜
4) Cu2S电池
4)多晶硅薄膜
大气层对太阳辐射的影响
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45°的太阳辐射
填充因子FF与入射光谱光强、短路电流、开 路电压、串联及并联电阻密切相关。
电池效率
输出功率与入射光功率之比为效率
Pm FF I V sc oc FF UF IscEg
At Pin
At Pin
At
() hc d
0
式中 At 包括栅线图形面积在内的太阳
能电池的总面积
Pin
() hc d
➢ 在太阳电池两端连接负载，实现了 将光能向电能的转换。
太阳电池等效电路
太阳电池电性能参数
Isc：电池面积、光强、 温度
Voc:光强、温度 FF：串联电阻、并
联电阻
Isc , Voc , Eff , FF
太阳电池电性能参数
1. 开路电压 Voc 2. 短路电流 Isc 3. 串联电阻 Rs 4. 并联电阻 Rsh 5. 填充因子 FF
15、一个人炫耀什么，说明他内心缺 少什么 。。202 0年12 月上午6 时25分 20.12.1 006:25 December 10, 2020
16、业余生活要有意义，不要越轨。2 020年1 2月10 日星期 四6时25 分51秒 06:25:5 110 December 2020
17、一个人即使已登上顶峰，也仍要 自强不 息。上 午6时25 分51秒 上午6 时25分0 6:25:51 20.12.1 0
太阳辐射穿过大气层的情况
AM0 AM1.5
太阳电池结构
正电极 铝背场
负电极子栅线
负电极主栅线
Junction
太阳电池的工作过程
——光生伏特效应
太阳电池的工作过程
——光生伏特效应
➢ 吸收光子，产生电子空穴对。 Scell
➢ 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。
第一部分 太阳电池工作原理
目录
引言 太阳能辐射 太阳电池结构和工作过程 太阳电池的电性能
引言
太阳能电池的历史
1839年法国实验物理学家 Edmund Bacquerel （贝克勒尔）发现了光生伏特效应。
1941年奥尔在硅上发现了光伏效应。 1954年Chaipin（恰宾）和Carlson (卡尔松)等
L W
4m2
Rsq 为扩散层方块电阻；L为电池主焊接电 极方向尺寸；W为电池细栅线方向尺寸；m为 细栅线条数
串联电阻
基区体电阻：
rb
d LW
d为基区厚度，约等于硅基片厚度；地面用 太阳电池基片材料电阻率通常使用范围为 0.5～３Ω.cm
并联电阻
边缘漏电（刻蚀未完全、印刷漏浆） 体内杂质和微观缺陷 PN结局部短路（扩散结过浅、制绒角锥体
dT
T
填充因子FF因Voc的关系，也会随着温度的上 升而减小。
输出功率和效率随温度升高而下降。对硅而 言，温度高1℃，输出功率减少0.4%～0.5%
光强对太阳电池的影响
1 2
曲线1—1个太阳 曲线2—0.5个太阳
光强对太阳电池的影响
不同日照量下太阳能电池片的I-V曲线
电性能测试
光强：1000W/m2 光谱分布：AM1.5 电池温度：25℃
谢谢大家
9、 人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定 。20.12. 1020.12 .10Thu rsday , December 10, 2020
10、低头要有勇气，抬头要有低气。0 6:25:51 06:25:5 106:25 12/10/2 020 6:25:51 AM
11、人总是珍惜为得到。20.12.1006:2 5:5106:25Dec- 2010-D ec-20
其中rsq为厚膜金属导体层的方块电阻，厚 膜印刷银电极通常为0.003Ω/□ ～0.005Ω/□；
l为栅线长度；w为栅线宽度。对于铝背场形式
的背面电极，rsq通常为0.010～0.020Ω/□ 。 rmf 、rmb4
rc
exp
s m*
h
B
ND
开路电压
对理想的P-N结电池
VOC
kT q
ln( IL I0
1)
最小饱和电流密度与禁带宽度的关系
I0
1.5105
exp(
Eg kT
)
开路电压
对于硅，禁带宽度约为1.1ev，所得到最大Voc 约为700mV，相应的最高FF为0.84。
禁带宽度约为1.4～1.6ev，转化率会出现个峰 值，砷化镓具有接近最佳值的禁带宽度。
引言
1959年第一个光电转换效率为5％的多晶硅太 阳电池问世。
1960年硅太阳电池发电首次并入常规电网。 1975年，美国科学家制作出非晶硅太阳电池。 80年代初，太阳电池开始规模化生产。
颗粒过大）
填充因子
FF和其他关键参数的关系：
FF
FF0
1
(voc
0.7) FF0 RCH voc Rsh
(1
Rs RCH
)
其中
FF0
voc ln(voc 0.72) voc 1
voc
Voc nkT / q
RCH
Voc I sc
填充因子
填充因子还可定义为：
FF Pmax Voc I sc
0
单位面积入射光功率
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 ℃
温度对太阳电池的影响
短路电流对温度变化的敏感度不大。
开路电压会随温度显著变化，一般温度每升
高1℃，Voc下降约0.4%。
dVoc Vgo Voc （kT/q)
Voc的损失主要在于体内复合。
短路电流
——损失途径
表面的减反射程度，通过制绒和镀减反 射膜使反射率在10%以下。
正面电极的印刷遮掉10%左右的入射光。 电池片比较薄，部分光线会直接穿透电
池片。不过现采用全背面印刷铝浆对这 损失有很大削弱。 半导体体内和表面的复合。
串联电阻
●● ● 硅金 金 材属 属 料电 与 体极 硅 电电 的 阻阻 接
上 并 在N随 0ε.D6着sV是≥左N硅1D0右的的19的/增c介m金加电3时属迅常，材速数R料地，C将，下N主D当降是要硅。掺表的对杂现掺于浓为杂势度隧浓垒。道度高大效在度致应，
14Ω02c0/mcm2 3附近时，RC的数值大约为10-3～10-
串联电阻
扩散薄层电阻引起的串联电阻：
rt
Rsq
12、人乱于心，不宽余请。06:25:5106 :25:510 6:25Th ursday , December 10, 2020
13、生气是拿别人做错的事来惩罚自 己。20. 12.1020 .12.100 6:25:51 06:25:5 1December 10, 2020
14、抱最大的希望，作最大的努力。2 020年1 2月10 日星期 四上午6 时25分 51秒06 :25:512 0.12.10
触 电 阻
串联电阻
串联电阻表达式：
Rs rmf rc1 rt rb rc2 rmb
rmf 是正面电极金属栅线电阻，rc1、rc2
分别是正面、背面金属半导体接触电阻， rt是正面扩散层的电阻，rb是基区体电阻， rmb是背面电极金属层的电阻
串联电阻
金属体电阻：
rm
rsq (l / w) 2mn
引言
太阳电池—将太阳光能直接转换为电能的半 导体器件
● 种类
● 硅太阳电池
1) Si太阳电池
1)单晶硅片
2) GaAs太阳电池
2)多晶硅片
3) 染料敏化电池
3)非晶硅薄膜
4) Cu2S电池
4)多晶硅薄膜
大气层对太阳辐射的影响
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45°的太阳辐射
填充因子FF与入射光谱光强、短路电流、开 路电压、串联及并联电阻密切相关。
电池效率
输出功率与入射光功率之比为效率
Pm FF I V sc oc FF UF IscEg
At Pin
At Pin
At
() hc d
0
式中 At 包括栅线图形面积在内的太阳
能电池的总面积
Pin
() hc d
➢ 在太阳电池两端连接负载，实现了 将光能向电能的转换。
太阳电池等效电路
太阳电池电性能参数
Isc：电池面积、光强、 温度
Voc:光强、温度 FF：串联电阻、并
联电阻
Isc , Voc , Eff , FF
太阳电池电性能参数
1. 开路电压 Voc 2. 短路电流 Isc 3. 串联电阻 Rs 4. 并联电阻 Rsh 5. 填充因子 FF
15、一个人炫耀什么，说明他内心缺 少什么 。。202 0年12 月上午6 时25分 20.12.1 006:25 December 10, 2020
16、业余生活要有意义，不要越轨。2 020年1 2月10 日星期 四6时25 分51秒 06:25:5 110 December 2020
17、一个人即使已登上顶峰，也仍要 自强不 息。上 午6时25 分51秒 上午6 时25分0 6:25:51 20.12.1 0
太阳辐射穿过大气层的情况
AM0 AM1.5
太阳电池结构
正电极 铝背场
负电极子栅线
负电极主栅线
Junction
太阳电池的工作过程
——光生伏特效应
太阳电池的工作过程
——光生伏特效应
➢ 吸收光子，产生电子空穴对。 Scell
➢ 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。
第一部分 太阳电池工作原理
目录
引言 太阳能辐射 太阳电池结构和工作过程 太阳电池的电性能
引言
太阳能电池的历史
1839年法国实验物理学家 Edmund Bacquerel （贝克勒尔）发现了光生伏特效应。
1941年奥尔在硅上发现了光伏效应。 1954年Chaipin（恰宾）和Carlson (卡尔松)等
L W
4m2
Rsq 为扩散层方块电阻；L为电池主焊接电 极方向尺寸；W为电池细栅线方向尺寸；m为 细栅线条数
串联电阻
基区体电阻：
rb
d LW
d为基区厚度，约等于硅基片厚度；地面用 太阳电池基片材料电阻率通常使用范围为 0.5～３Ω.cm
并联电阻
边缘漏电（刻蚀未完全、印刷漏浆） 体内杂质和微观缺陷 PN结局部短路（扩散结过浅、制绒角锥体
dT
T
填充因子FF因Voc的关系，也会随着温度的上 升而减小。
输出功率和效率随温度升高而下降。对硅而 言，温度高1℃，输出功率减少0.4%～0.5%
光强对太阳电池的影响
1 2
曲线1—1个太阳 曲线2—0.5个太阳
光强对太阳电池的影响
不同日照量下太阳能电池片的I-V曲线
电性能测试
光强：1000W/m2 光谱分布：AM1.5 电池温度：25℃
谢谢大家
9、 人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定 。20.12. 1020.12 .10Thu rsday , December 10, 2020
10、低头要有勇气，抬头要有低气。0 6:25:51 06:25:5 106:25 12/10/2 020 6:25:51 AM
11、人总是珍惜为得到。20.12.1006:2 5:5106:25Dec- 2010-D ec-20
其中rsq为厚膜金属导体层的方块电阻，厚 膜印刷银电极通常为0.003Ω/□ ～0.005Ω/□；
l为栅线长度；w为栅线宽度。对于铝背场形式
的背面电极，rsq通常为0.010～0.020Ω/□ 。 rmf 、rmb4
rc
exp
s m*
h
B
ND
开路电压
对理想的P-N结电池
VOC
kT q
ln( IL I0
1)
最小饱和电流密度与禁带宽度的关系
I0
1.5105
exp(
Eg kT
)
开路电压
对于硅，禁带宽度约为1.1ev，所得到最大Voc 约为700mV，相应的最高FF为0.84。
禁带宽度约为1.4～1.6ev，转化率会出现个峰 值，砷化镓具有接近最佳值的禁带宽度。