第9章-太阳能电池
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15
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 (9-3) 式中Js为pn结反向饱和电流密度。短路电流密度Jsc是一个不依 赖于电压的常数，pn结上的电压变化只改变Jd的大小，不影 响光生载流子的收集效率。 开路电压：在开路条件下，Joc等于0，得到：
10
太阳电池及组件分类
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
11
太阳电池及组件分类
按使用分类
平板光伏电池及组件 聚光光伏电池及组件 分光光伏电池及组件
按封装分类
Henry limit for multijunction cells,1980
26
太阳能电池中的主要损耗机理
4
Solar radiation
5 2 3
1
Transmission
1. 2. 3. 4. 5.
Transmission 透射 Nonradiative recombination 非辐射复合 Radiative recombination 辐射复合 Thermalization (haverage Eg+kT)发热 Spatial relaxation energy loss (Eg+kT qVm)空间驰预
14
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 成了一个势垒区。接触势垒的高度 b 等于pn结形成之 前n区和p区的费米能级之差： b = eVbi = EFn − EFp (9-1) 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： eVoc = EFe − EFh (9-2)
27
Shockley-Queisser Limit (detailed balance limit*)
It is based on thermodynamics and includes four intrinsic losses • • • • Thermalization of photogenerated carriers Radiation loss Spatial relaxation energy loss Transmission below the bandgap
m m
J scVoc
(9-6)
16
有无光照时太阳能电池的J-V特性曲线
图中标明了Jsc、Voc和最大功率点VmJm
17
太阳光谱
AM0：1366.1W/m2，地球大气层外太阳光譜。 AM1.5D：1000W/m2，穿过1.5倍大气质量的太阳光譜。 大气层出现了H2O、O2、CO2等气体的吸收峰。 AM1.5G：768.3W/m2，到达地面的太阳光谱。 通常AM1.5指AM1.5G光谱，温度为25C 18
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
19
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。 电池的短路电流密度Jsc的上限：
刚性封装光伏电池及组件 半刚性封装光伏电池及组件 柔性衬底封装光伏电池及组件
12
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。
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。
13
太阳能电池工作原理
半导体pn结光伏效应
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。 当光能量大于Eg的光照射到半导体pn结上时，电子 跃迁产生电子-空穴对。如果这些光生的电子和空 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。 在开路的情况下，pn结太阳电池两端的光电压为开 路电压Voc。在短路的情况下，电池的光电流为短 路电流 Isc 。当有负载时，太阳能电池就会有电功 率输出。
光电转换效率η：在标准光强下电池的最大输出功率与输入光 功率P0之比值： V J F oc sc F (9-5) P 填充因子FF：电池的最大输出功率VmJm与开路电压和短路电 流密度乘积之比: J V
0
kT J sc Voc ln e Js
(9-4)
FF
Ta 1 Ts
(9-13)
4 Ta 1 Ta 1 3 Ts 3 Ts
(9-14)
利用 Ts 和Ta 同样的数据，得到 η ＝93.3％，即所谓 Andsberg 效率或技术极限效率。
22
太阳能电池的极限效率
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(9-6)式决定 Jsc/e。 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： E g N ph ( E g ) (9-15) max I0 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1.01.4eV范围存在两个峰值，1.13eV和1.33eV，而且 前者相应的峰值略大。
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。
6
பைடு நூலகம்
Solar PV map
Areas suitable for silicon and thin film PV
Areas suitable for concentrator PV
7
我国的太阳能资源分布
颜色 红 桔红 黄 浅蓝 深蓝
23
带隙限定的太阳电池极限效率
AM0和AM1.5光谱下
电池极限效率存在一个极大值。存在一个最佳带隙宽度，使电 池极限效率达到最大。在AM0和AM1.5光谱下，由电池材料 带隙限制的极限效率分别为43.7％ 和49.1%。
24
异质半导体电池的Eg、电子亲合势χ、有效态密度NC和NV 、 电导率等都是位置x的函数。光照下异质结内的静电场E0 发生变化，开路条件下将电场差E－E0 对整个结构积分， 得出开路电压：
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…….
J sc e
QN
0 0
L g
ph d
dx
(9-7)
Nph为光子流密度，Q为光生电子-空穴对的几率，L为电池的厚 度，λg 为Eg对应的波长。电池的短路电流密度Jsc可以表示为： g (9-8) J sc e( Le Lh W ) QN ph d (9-9) 0 Le＝ (Dee)/2，Lh= (Dhh) /2
第九章
太阳能电池
9.1 引言 9.2 太阳能电池工作原理
半导体pn结光伏效应 光伏参数与材料性质的关系 单结太阳能电池的极限效率
9.3 硅太阳能电池 9.3 化合物半导体太阳能电池 9.4 太阳能电池的发展趋势
1
多结太阳能电池
PV effect was discovered by Edmond Becquerel，French physicist，in 1839.
辐射等级 最好 好 一般 较差 很差
年辐射量（MJ/ m2） ≥ 6680 5850－6680 5000－5850 4200－5000 < 4200
日辐射量（KWh/m2） ≥ 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。
(9-10) h c 1.24 g e Eg Eg 可见短路电流Jsc与少子扩散长度、少子寿命等都密切相关。
20
光伏参数与材料性质的关系
电池的开路电压Voc密切依赖于Jsc/Js的比值，反向饱和电流 密度 pn结两侧少子扩散长度范围内少子的复合率 0 0 Js主要由 p ( n p /e 和 n /h )决定： 0 n0 p p (9-11) J s e Le e n Lh e h 0 0 p 其中 n p 和 n 分别为p区的电子浓度和n区的空穴浓度, e和h 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： Eg eLe (9-12) Js exp( ) 20 kT e N A x10 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， 如辐射复合、俄歇复合、通过复合中心的复合(ShockleyRead-Hall复合)等；同时，陷阱效应对少子寿命也起着重 要的作用。
In 1941, Charpin，Fuller and Pearson produced a Si cell at Bell Labs.
2
半导体pn结的光伏效应
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。
3
太阳能电池:光伏电池
4
21
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Ts和Ta分别为太阳表面光球温度和电池表面温度。令Ts ＝ 6000K ， Ta ＝ 300K ，得到 η ＝ 95.0 ％，即所谓 Carnot (卡诺)效率。 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: 4
2000-2100全球各种能源的发展趋势
其它 太阳能发热 太阳能发电 天然气 核能 水力 石油 煤炭 风力
生物
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 Δm＝4mH－mHe，按照爱因斯坦质能 关系ΔE=ΔmC2 (C为光速) 计算，相当于25MeV的能量。 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。
(9.16)
Δn和Δp为光生电子和空穴的浓度，(enΔn＋epΔp)/ 为光 电导在总电导中所占的比例。异质结半导体电池结构的 Voc包括三部分：1，第一项为pn结内建静电场的贡献。 2，第二项为材料组分变化即有效力场的贡献。 3，第三项为扩散电势差或丹倍(Dember)电势的贡献。
25
能量转换效率的热动力学限
Th
Carnot 1
Q1
Tc 300 1 95 % 5900 Th
W
W.H. Press, Nature 264, 735(1976).
Q2
Tc
Carnot 1
Tc 300 1 93% Th 3 4 4425
Heat engine
Shockley-Queisser limit for single junction cell,1961
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 (9-3) 式中Js为pn结反向饱和电流密度。短路电流密度Jsc是一个不依 赖于电压的常数，pn结上的电压变化只改变Jd的大小，不影 响光生载流子的收集效率。 开路电压：在开路条件下，Joc等于0，得到：
10
太阳电池及组件分类
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
11
太阳电池及组件分类
按使用分类
平板光伏电池及组件 聚光光伏电池及组件 分光光伏电池及组件
按封装分类
Henry limit for multijunction cells,1980
26
太阳能电池中的主要损耗机理
4
Solar radiation
5 2 3
1
Transmission
1. 2. 3. 4. 5.
Transmission 透射 Nonradiative recombination 非辐射复合 Radiative recombination 辐射复合 Thermalization (haverage Eg+kT)发热 Spatial relaxation energy loss (Eg+kT qVm)空间驰预
14
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 成了一个势垒区。接触势垒的高度 b 等于pn结形成之 前n区和p区的费米能级之差： b = eVbi = EFn − EFp (9-1) 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： eVoc = EFe − EFh (9-2)
27
Shockley-Queisser Limit (detailed balance limit*)
It is based on thermodynamics and includes four intrinsic losses • • • • Thermalization of photogenerated carriers Radiation loss Spatial relaxation energy loss Transmission below the bandgap
m m
J scVoc
(9-6)
16
有无光照时太阳能电池的J-V特性曲线
图中标明了Jsc、Voc和最大功率点VmJm
17
太阳光谱
AM0：1366.1W/m2，地球大气层外太阳光譜。 AM1.5D：1000W/m2，穿过1.5倍大气质量的太阳光譜。 大气层出现了H2O、O2、CO2等气体的吸收峰。 AM1.5G：768.3W/m2，到达地面的太阳光谱。 通常AM1.5指AM1.5G光谱，温度为25C 18
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
19
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。 电池的短路电流密度Jsc的上限：
刚性封装光伏电池及组件 半刚性封装光伏电池及组件 柔性衬底封装光伏电池及组件
12
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。
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。
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太阳能电池工作原理
半导体pn结光伏效应
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。 当光能量大于Eg的光照射到半导体pn结上时，电子 跃迁产生电子-空穴对。如果这些光生的电子和空 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。 在开路的情况下，pn结太阳电池两端的光电压为开 路电压Voc。在短路的情况下，电池的光电流为短 路电流 Isc 。当有负载时，太阳能电池就会有电功 率输出。
光电转换效率η：在标准光强下电池的最大输出功率与输入光 功率P0之比值： V J F oc sc F (9-5) P 填充因子FF：电池的最大输出功率VmJm与开路电压和短路电 流密度乘积之比: J V
0
kT J sc Voc ln e Js
(9-4)
FF
Ta 1 Ts
(9-13)
4 Ta 1 Ta 1 3 Ts 3 Ts
(9-14)
利用 Ts 和Ta 同样的数据，得到 η ＝93.3％，即所谓 Andsberg 效率或技术极限效率。
22
太阳能电池的极限效率
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(9-6)式决定 Jsc/e。 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： E g N ph ( E g ) (9-15) max I0 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1.01.4eV范围存在两个峰值，1.13eV和1.33eV，而且 前者相应的峰值略大。
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。
6
பைடு நூலகம்
Solar PV map
Areas suitable for silicon and thin film PV
Areas suitable for concentrator PV
7
我国的太阳能资源分布
颜色 红 桔红 黄 浅蓝 深蓝
23
带隙限定的太阳电池极限效率
AM0和AM1.5光谱下
电池极限效率存在一个极大值。存在一个最佳带隙宽度，使电 池极限效率达到最大。在AM0和AM1.5光谱下，由电池材料 带隙限制的极限效率分别为43.7％ 和49.1%。
24
异质半导体电池的Eg、电子亲合势χ、有效态密度NC和NV 、 电导率等都是位置x的函数。光照下异质结内的静电场E0 发生变化，开路条件下将电场差E－E0 对整个结构积分， 得出开路电压：
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。
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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…….
J sc e
QN
0 0
L g
ph d
dx
(9-7)
Nph为光子流密度，Q为光生电子-空穴对的几率，L为电池的厚 度，λg 为Eg对应的波长。电池的短路电流密度Jsc可以表示为： g (9-8) J sc e( Le Lh W ) QN ph d (9-9) 0 Le＝ (Dee)/2，Lh= (Dhh) /2
第九章
太阳能电池
9.1 引言 9.2 太阳能电池工作原理
半导体pn结光伏效应 光伏参数与材料性质的关系 单结太阳能电池的极限效率
9.3 硅太阳能电池 9.3 化合物半导体太阳能电池 9.4 太阳能电池的发展趋势
1
多结太阳能电池
PV effect was discovered by Edmond Becquerel，French physicist，in 1839.
辐射等级 最好 好 一般 较差 很差
年辐射量（MJ/ m2） ≥ 6680 5850－6680 5000－5850 4200－5000 < 4200
日辐射量（KWh/m2） ≥ 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。
(9-10) h c 1.24 g e Eg Eg 可见短路电流Jsc与少子扩散长度、少子寿命等都密切相关。
20
光伏参数与材料性质的关系
电池的开路电压Voc密切依赖于Jsc/Js的比值，反向饱和电流 密度 pn结两侧少子扩散长度范围内少子的复合率 0 0 Js主要由 p ( n p /e 和 n /h )决定： 0 n0 p p (9-11) J s e Le e n Lh e h 0 0 p 其中 n p 和 n 分别为p区的电子浓度和n区的空穴浓度, e和h 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： Eg eLe (9-12) Js exp( ) 20 kT e N A x10 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， 如辐射复合、俄歇复合、通过复合中心的复合(ShockleyRead-Hall复合)等；同时，陷阱效应对少子寿命也起着重 要的作用。
In 1941, Charpin，Fuller and Pearson produced a Si cell at Bell Labs.
2
半导体pn结的光伏效应
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。
3
太阳能电池:光伏电池
4
21
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Ts和Ta分别为太阳表面光球温度和电池表面温度。令Ts ＝ 6000K ， Ta ＝ 300K ，得到 η ＝ 95.0 ％，即所谓 Carnot (卡诺)效率。 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: 4
2000-2100全球各种能源的发展趋势
其它 太阳能发热 太阳能发电 天然气 核能 水力 石油 煤炭 风力
生物
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 Δm＝4mH－mHe，按照爱因斯坦质能 关系ΔE=ΔmC2 (C为光速) 计算，相当于25MeV的能量。 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。
(9.16)
Δn和Δp为光生电子和空穴的浓度，(enΔn＋epΔp)/ 为光 电导在总电导中所占的比例。异质结半导体电池结构的 Voc包括三部分：1，第一项为pn结内建静电场的贡献。 2，第二项为材料组分变化即有效力场的贡献。 3，第三项为扩散电势差或丹倍(Dember)电势的贡献。
25
能量转换效率的热动力学限
Th
Carnot 1
Q1
Tc 300 1 95 % 5900 Th
W
W.H. Press, Nature 264, 735(1976).
Q2
Tc
Carnot 1
Tc 300 1 93% Th 3 4 4425
Heat engine
Shockley-Queisser limit for single junction cell,1961