第三讲太阳电池原理与主要电池介绍
太阳电池工作原理教学课件
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
太阳电池原理
1 exp[ l n W le ] qGo Al n W le
其表面积A=5cm×5cm,ln =0.2μm,W=2μm,le=50μm,Go=1×1018cm-3s-1
太阳电池原理
不同波长的光所产生的Isc 1，对于光波长λ≈1.1μm，α=2000m-1（吸收深度δ=1/ α=500μm）, 求得Isc=20mA. 2，对于强吸收的光波长λ≈0.83μm， α=10 × 105m-1（吸收深度 δ=1/ α=10μm）,求得Isc=40mA.
压
对p区:
•方程(2-5)称为电流密度方程,它表示n区中的空穴决定的电流密度等于 空穴的漂移分量与扩散分量的代数和. •方程(2-6)称为连续性方程.它表示在单位时间单位体积的半导体中,空 穴浓度的变化量等于净产生率(产生率减复合率)与空穴流密度梯度 的代数和.其中末项前的负号分别表示扩散流动方向和空穴浓度梯度 方向及电流密度方向均相反. •方程(2-7)(2-8)分别为p区中自由电子决定的电流密度方程和连续性 •方程（2-9）称为泊松方程，表示半导体中电势的空间分布和空间电 荷的关系
H H a x qGL ( x ) dxd J L q Q1 R a e dxd 0 0 0 0
J L max qN ph E g
式中 GL Q1 R a e a x , 为入射到电池上波长 为 ,带宽为d 的光子数, Q为量子产额，及一个能量大于Eg的 R 光子产生一对光生载流子的几率，通常情况下可以令Q=1， 为和波长有关的发射因数, a 为对应波长的吸收系数, dx 为距 电池表面x处厚度为dx的薄层,H为电池总厚度, GL (x) 表示x处的 光生载流子的产生率.
3太阳电池基本知识
太阳电池的I-V特性曲线
Isc： 短路电流 Voc： 开路电压 Rs： 串联电阻 Rsh： 并联电阻 Pmax：最大功率 Vmp： 最大电压 Imp： 最大电流 FF： 填充因子 EFF： 转换效率
太阳电池的生产流程
清洗 → 扩散 → 刻蚀
分检
丝网 PECVD镀膜
1.清洗制绒
制备绒面的目的： 在硅片表面腐蚀形成角
锥体密布的表面形貌 ，减少 光的反射率。2.ຫໍສະໝຸດ 散扩散的目的： 在P型半导体
表面掺杂五价元素 磷，在硅片表面形 成PN结.
3.等离子刻蚀
等离子刻蚀的目的： 去除边缘PN结，防止上下短路。
4.PECVD镀膜
单晶：在整个晶体内，原子都是周
期性的规
则排列称为单晶。
多晶：由许多取向不同的单晶颗粒 杂乱地排列在一起称为多晶。
太阳电池的工作原理
* 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
—光生伏特效应
* 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
Rsh： 并联电阻。指太阳电池内部的、跨 连在电池两端的等效电阻。
Pmax：最大功率。太阳电池的伏安特性曲 线上，电流电压乘积的最大值。
Vmp： 最大电压。太阳电池的伏安特性 曲 线上最大功率点所对应的电压。
Imp： 最大电流。太阳电池的伏安特性曲线 上最大功率点所对应的电流。
FF： 填充因子。指太阳电池的最大功率与 开路电压和短路电流乘积之比。
PECVD镀膜的目的： 在硅片表面镀上一层深蓝色的
氮化硅膜。 可以充分吸收太阳光，降低反
太阳能电池的结构与工作原理
太阳能电池的结构与工作原理太阳能电池是利用光电效应将光能转化为电能的一种设备。
其结构以及工作原理十分关键，本文将从多方面进行阐述。
一、太阳能电池的结构太阳能电池的主要结构是由P型半导体和N型半导体材料组成的PN结构。
其具体结构如下：（1）P型半导体层：由于P型半导体材料内部原子存在杂质，导致其内部有大量少子分布，因此呈现出正电导特性。
（2）N型半导体层：与P型半导体层相似，N型半导体材料内部原子也存在杂质，导致其内有大量多子分布，因此呈现出负电导特性。
（3）P-N结：当P型半导体层与N型半导体层相结合时，因其电子浓度相反，形成PN结。
PN结中含有少量的杂质离子，如磷、硅、锗等，在室温下可获得稳定性，并形成一定的空间电荷区，即反向漏电区，可以有效防止电子和空穴的复合，从而将光电转换效率提高到最高。
（4）金属电极：在P型半导体的顶部和N型半导体的底部，分别电浆贴附上一层金属电极，以加强电路连通性。
二、太阳能电池的工作原理太阳能电池是通过光电效应实现将光能转换为电能的。
当光线经过太阳能电池表面时，会被吸收，产生光电子激发，使电子跃迁到导带中，形成相应的空穴。
通过PN结的内部电场作用使空穴向P型半导体集中，电子向N型半导体集中，形成电动势。
在外部电路的作用下，电子流进入电路的负载，使得负载发生电流，从而实现转换效果。
在实际应用中，太阳能电池的转换效率与多种因素有关，如太阳能的强度与方向、电池板的温度与表面状况、电池板质量等因素。
同时，太阳能电池的制造也对其转换效率产生重要影响。
通过多样化材质结构的选择，制造出转换效率高、成本低、稳定性好的太阳能电池，对于太阳能电池的推广应用产生了积极推动作用。
三、太阳能电池的种类太阳能电池种类较多，根据主要材料不同，太阳能电池可分为硅太阳能电池和非硅太阳能电池。
其中，硅太阳能电池占据了市场主导地位，非硅太阳能电池虽然目前市场份额较小，但这种新型太阳能电池的研究及发展有着重要意义。
第三章 太阳能电池原理
开路电压VOC： VOC kT ln( IL 1)
q
IS
填充因子 F Pmp IscVoc
光电转换效率
Pmp FVocIsc
Pi
Pi
Pmp是最大输出功率， Pi是输入功率
当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定以后，其值就取决 于开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子F的最大值。
3、入射光光谱：一般是标准化的AM1.5光源 4、太阳能电池的光学性能：电池的吸收和反射 5、载流子收集的可能性：主要取决于电池表面的钝化及电
池中的少子寿命
qV
I IL - IF IL - Is(e kT 1)
V kT ln( IL - I 1)
q
IS
当pn结开路（open circuit ）时即R趋于无穷大，得到
光谱响应度（SR） 太阳能电池的光谱响应度：单位光功率所产生的电流强度
SR Isc I L qne q EQE q(1 R) IQE
Pin ()
Pin ()
hc
n ph
hc
hc
EQE：外部量子效率（没有特殊说明时就是量子效率） IQE：内部量子效率
理想情况下，光谱响应度（λ≤ λg）与波长成正比。 实际情况并不成线性关系：波长较长时，电池对光的吸收弱，导致
带有电阻负载的pn结太阳能电池示意图
零偏下光电池工作 电流
光生电流IL 光生电压下的正向电流IF
qV
流经负载的电流 I IL - IF IL - Is(e kT 1)
太阳能电池的重要参数： 短路电流ISC；开路电压VOC；填充因子F；光电转换效率η
qV
I IL - IF IL - Is(e kT 1)
精选太阳能电池原理及工艺课件
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制造装备 辅助材料
平衡部件
上游 中游 下游
我国光伏产业现状
太阳电池生产流程
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一 、太阳电池原理
太阳电池原理及基本特性
p-n结的光生伏特效应 太阳电池的电流电压特性 太阳电池的基本参数 如何提高电池的光电转换效率 太阳辐射基本知识
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（4）最大输出功率Pm
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第六阶段（2011-）
国外金融经济危机+光伏企业无限制增长导致光伏组件价格大跌，企业倒闭、裁员。整合阶段。黎明前的黑暗
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太阳电池的分类
按太阳电池发展阶段分为三代
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按用途分为 空间太阳电池、地面太阳电池、光伏传感器等。按电池结构分为 同质结太阳电池、异质结太阳电池、肖特基结太阳电池、复合结太阳电池、液结太阳电池等。按所用材料分为 硅基太阳电池、化合物太阳电池、功能高分子材料太阳电池、纳米晶太阳电池等。按工作方式分为 平板太阳电池、 聚光太阳电池
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太阳电池发展简史
第一阶段（1954-1973）
1954年恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，效率为6%。同年，威克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块太阳电池。太阳电池开始了缓慢的发展。
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太阳电池的工作原理
太阳电池的工作原理一、太阳电池的概述太阳电池，又称光伏电池，是一种能够将太阳能转化为电能的装置。
它利用光电效应原理，通过光子与材料相互作用，将光能转化为电能。
太阳电池广泛应用于太阳能发电、太阳能照明等领域，成为可再生能源的重要代表之一。
二、太阳电池的结构太阳电池的基本结构由P型半导体、N型半导体和PN结构组成。
P型半导体中的杂质含有电子，N型半导体中的杂质含有空穴。
当P型半导体和N型半导体结合在一起时，形成PN结构。
PN结构的界面形成了电场，这个电场被称为内建电场。
太阳电池利用光电效应原理，将太阳能转化为电能。
当太阳光照射到太阳电池表面时，光子与材料发生相互作用，将能量传递给材料中的电子。
光子的能量足够高时，会将材料中的价带电子激发到导带上，形成电子空穴对。
此时，内建电场将电子和空穴分开，形成电势差。
电子受到内建电场的作用，从N区向P区流动，而空穴则从P区向N区流动。
这样，形成了电流。
四、太阳电池的材料选择太阳电池的材料选择对其效率和性能有着重要影响。
常见的太阳电池材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅、染料敏化太阳电池等。
单晶硅具有高效率和较长的使用寿命，但制造成本较高。
多晶硅制造成本较低，效率稍低。
非晶硅具有较好的光吸收能力，但效率相对低。
染料敏化太阳电池则利用有机染料吸收光能，制造成本低，但效率较低。
五、太阳电池的工作参数太阳电池的工作参数包括开路电压（Voc）、短路电流（Isc）、最大功率点（MPP）等。
开路电压是指在无负载情况下太阳电池的输出电压。
短路电流是指在短路情况下太阳电池的输出电流。
最大功率点是指太阳电池在特定光照强度和温度下输出的最大功率。
太阳电池的工作参数直接影响其输出功率和效率。
六、太阳电池的效率太阳电池的效率是指其将太阳能转化为电能的能力。
太阳电池的效率与其材料、结构、制造工艺、光照强度和温度等因素密切相关。
目前，太阳电池的效率不断提高，单晶硅太阳电池的效率可达到20%以上，染料敏化太阳电池的效率也有所提升。
太阳电池的原理及结构文档ppt
3.1.3 硅太阳电池制备及结构
晶体硅太阳能电池是典型的p-n结型太阳电池， 它的研究最早、应用最广，是最基本且最重要的太 阳电池。
在实际工艺中，一般利用200～500μm厚的掺硼 的p型硅材料作为基质材料，通过扩散形成0.25 μm 厚的n型掺杂剂，形成p-n结，通常选用磷作为n型 掺杂剂。
p-n结的制备技术：
Al(PO3)3 = AlPO4 + P2O5
2 P2O5+5Si = 5SiO2 + 4P
固态磷扩散法还可以利用丝网印刷、喷涂、旋涂、 化学气相沉积等技术，在硅片表面沉积一层磷的 化合物，通常是P2O5。
液态磷源扩散可以得到较高的表面浓度，在硅太阳电 池工艺中更为常见。通常利用的液态磷源为三氯氧磷， 通过保护气体，将磷源携带进入反应系统，在800～ 1000℃硅片磷扩散的磷源，其反应式为：
它表示了最大输出功率点 所对应的矩形面积在Voc和Isc 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 的太阳能电池，也就是Voc， Isc和FF乘积较大的电池。对 于有合适效率的电池，该值 应在0.70-0.85范围之内。
４.太阳能电池的光电转化效率η
表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。即：
5POCl3 = 3PCl5 + P2O5
2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P
对于晶体硅太阳电池，为使p-n结处有尽量多的光线 到达，p-n结的结深要尽量浅，一般为250nm，甚 至更浅。磷扩散时，表面会形成磷硅玻璃，影响太 阳电池正常工作，需要去除。用稀释的HF中侵蚀。
3.1 太阳能电池的原理及结构
3.1.1 太阳电池原理——光生伏特效应
太阳能电池的结构和基本原理
玻璃衬底非晶硅太阳能电池的 典型结构如图所示。
玻璃衬底非
晶硅太阳能电池是 先在玻璃衬底上淀 积透明导电薄膜， 然后依次用等离子 体反应沉积p型、I 型和n型三层a-Si， 接着再蒸涂金属电 极铝，电池电流从 透明导电薄膜和电 极铝引出。
不锈钢衬底非晶硅太阳能电池 的典型结构如图所示。
不锈钢衬底型太阳 能电池是在不锈钢 衬底上沉积pin非晶 硅层，其上再沉积 透明导电薄膜，最 后与单晶硅电池一 样制备梳状的银收 集电极。电池电流 从下面的不锈钢和 上面的梳状电极引 出。
Voc＝
kT q
ln(
IL Is
+1)
2、短路电流Isc 如将pn结短路（V=0），因而IF=0，这时所得的
电流为短路电流Isc。显然，短路电流等于光生电流， 即：
Isc = IL
３、填充因子FF
在光电池的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，光 子将进入pn结区，甚至更深入到半导体内部。 能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结 的两边产生电子-空穴对。在光激发下多数载 流子浓度一般改变较小，而少数载流子浓度 却变化很大，因此应主要研究光生少数载流 子的运动。
无光照
光照激发
由于pn结势垒区内存在较强的内建电场（自n区指向 p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相 反方向运动：p区的电子穿过p-n结进入n区；n区的空穴进 入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在p-n结两端 形成了光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。由于光 照在p-n结两端产生光生电动势，相当于在p-n结两端加正 向电压 V，使势垒降低为qVD-qV，产生正向电流IF.
在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，pn结两端建立起稳定的电势差Voc，（p区相对于n区是正的）， 这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通，只要光照 不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起了电源的 作用。这就是光电池的基本原理。
太阳能电池的原理与技术
太阳能电池的原理与技术太阳能电池是当今世界上最主流的一种清洁能源。
它是一种可以将光能直接转化成电能的设备，广泛应用于家庭、企业、甚至是城市的发电系统中，成为环保领域的标志性技术。
本文将介绍太阳能电池的原理、基本结构以及相关技术，以便更深入地了解这一绿色能源的核心。
一、太阳能电池的原理太阳能电池的核心原理是光电效应，即光通过半导体将光能转化为电能。
太阳能电池是由两个半导体P型半导体和N型半导体构成的，两个半导体之间有PN结，该结构在没有光线照射的情况下会产生一个电场。
当光线照射在该结构上时，光子被吸收并转化为激发电子——空穴对，使得电子越过PN结产生电流。
这种现象是一种直接将太阳辐射能转化为电流的过程，从而实现太阳能电池的发电。
二、太阳能电池的结构太阳能电池的基本结构由多层组成，其中最重要的层是PN结。
PN结是由P型半导体与N型半导体组合而成，通过加入适量的杂质，使得P型半导体在晶体中掺入适量的氧化物，N型半导体中掺入适量的硼或者磷，实现对电子与空穴的控制，进而产生平衡电势。
这样，当光照射到这个结构上时，电子就会被激发产生电流。
同时，太阳能电池还包括上下两个电极——正极和负极。
正极负责收集电子的电流输出，负极则将电子流转化为电能。
在这个基础上，太阳能电池还需要一个透明的玻璃或塑料外层，以保护PN结和电极不受环境因素的影响。
例如，湿度、温度等因素都会对太阳能电池的效率产生影响，因此需要保护这个外层。
此外，太阳能电池还需要一组电池电路来控制电流和电压等参数，以保证光电转化效率最高。
三、太阳能电池的技术太阳能电池的发展一直处于不断的创新和提高之中。
近年来，先进的太阳能电池技术不断涌现，这使得太阳能电池的效率越来越高，逐渐成为清洁能源市场的主流产品。
1、晶体硅太阳能电池：这是目前市场上使用最多的太阳能电池类型，它的掺杂浓度可以大幅度提高半导体的导电性，提高发电效率。
2、并联电池技术：现代太阳能电池的效率是非常高的，可以达到20%以上。
太阳电池原理及主要电池介绍
用途分类 结构分类 使用状态分类
空间太阳电池 地面太阳电池 光伏传感器
刚性衬底 柔性衬底
刚性衬底 柔性衬底
同质结太阳电池 异质结太阳电池 肖特基结太阳电池 复合结太阳电池 分光太阳电池 液结太阳电池
平板太阳电池 聚光太阳电池 分光太阳电池
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2
太阳电池分类（按照技术成熟程度）
① 晶硅电池： 单晶硅，多晶硅，带硅等；
→I=Isc-I01(eqv/kBT-1), I01是与n 和p中性区复合相关 的暗饱和电流
• 短路电流
V=0时， 光生电流是Isc(短路电流）
• 开路电压
I=0时，电流的输出电压为开路电压 Voc=kTq-1ln(Isc+Isc/I01)
17
• 理想电池的输出功率： P=IV= IscV-I01(eqv/kBT-1)V
18
19
实际的太阳电池等效电路
Rs
Iph
ID
Rsh
Ish
VR
I
20
(2)实际太阳电池等效电路：
• 由于漏电流等产生的旁路电阻Rsh
• 由于体电阻和电极的欧姆电阻产生的串联
电阻Rs • 在Rsh两端的电压为： Vj =(V+IRS)
• 因此流过旁路电阻Rsh的电流为：
ISh= (V+IRS) / Rsh
8 8
基本原理
9
太阳能电池发电原理图
10 10
11 11
12 12
13 13
14 14
太阳电池性能参数
太阳电池等效电路 (1)理想太阳电池等效电路：
• 相当于一个电流为Isc的恒流电源与一只正向二极管并联
。
太阳电池的工作原理和基本特性
光生伏特（光伏）效应
光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动 势的效应。 当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒 区内仍然存在着内建结电场，其方向是从N区 指向P区。
当光照射到结区时，光照产生的电子-空穴对在结电场作用下，电子推向N区，
空穴推向P区；电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化，
在光照射下，物体内部原子的束缚电子变成自由电子，形成自由电子和穸穴。 在结电场作用下，自由电子向N区运动，穸穴向P区运动，于是在N区和P区 分别聚集了电子和穸穴，产生了电动势。接有负载时，负载中就有电流通过。
现在的硅光电池在强光照射下，能产生0.5伏的电动势，每平方厘米工作面 积输出24毫安的光电流，相当输出功率10-12毫瓦。
半导体内光电效应
光照射在卉导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过 禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内穸穴增多，即激发出光生 电子-穸穴对，从而使卉导体材料产生电效应。光子能量必须大于材料 的禁带宽度Eg才能产生内光电效应。由此可得内光电效应的临界波 长o=1293/Eg (nm)。通常纯净卉导体的禁带宽度为1eV左右。
必须相等。
用时间来计算发光流明的数量是秒数*流明数=流明秒。 摄影用的闪光灯的闪光度即以流明秒为单位表示的。
光强对I-V曲线的影响
反向饱和电流J0对I-V曲线的影响
最佳工作电压Vmp 和工作电流Imp 对I-V曲线的影响
测试条件对I_V曲线的影响
标准测试条件(STC standard test condition) 即：欧洲委员会定义的 101 标准，辐射强度 1000W/m2 ，大气质量 AM1.5 ，电池温度 25 ℃ ）
各种环境照度值：单位 lux
太阳电池及其组件
第3章太阳电池及其组件太阳能光伏发电系统最核心的器件是太阳电池。
太阳电池质量的好坏直接影响太阳能光伏发电系统的输出功率及使用寿命，本章重点讲解太阳电池的原理、特性及种类；太阳电池组件的概念及结构。
3.1 太阳电池3.1.1太阳电池原理太阳电池是利用半导体光生伏打效应（Photovoltaic Effect）的半导体器件。
当太阳光照射到由p型和n型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的p-n结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后,在导带和价带中产生非平衡载流子—电子和空穴。
它们分别在p区和n 区形成浓度梯度，并向p- n结作扩散运动，到达结区边界时受p-n结势垒区存在的强内建电场作用将空穴推向p区电子推向n区，在势垒区的非平衡载流子亦在内建电场的作用下，各向相反方向运动，离开势垒区，结果使p区电势升高，n区电势降低，p-n结两端形成光生电动势，这就是p-n结的光生伏打效应。
太阳电池热平衡时的能带见图3.1，太阳电池在光照下p-n结能带见图3.2。
在光照条件下，只要具有足够能量的光子进入p-n区附近才能产生电子─空穴对。
对于晶体硅太阳电池来说，太阳光谱中波长小于1.1μm的光线都可能产生光伏效应。
对于不同材料的太阳电池来说，尽管光谱相应的范围是不同的，但光电转换的原理是一致的。
如图3.3所示，在p-n结的内建电场作用下，n区的空穴向p区运动，而p区的电子向n区运动，最后造成在太阳电池受光面(上表面）有大量负电荷（电子）积累，而电池背光面（下表面）有大量正电荷（空穴）积累。
如在电池上、下表面做上金属电极，并用导线接上负载，在负载上就有电流通过。
只要太阳光照持续不断，负载上就一直有电流通过。
3.1.2太阳电池的基本特性1.太阳电池的输出特性(1)等效电路为了描述太阳电池的工作状态，往往将太阳电池及负载系统用一等效电路来模拟。
在恒定光照下，一个处于工作状态的太阳电池，其光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可把它看做是恒流源。
3.太阳光伏电池的原理与基本结构
光生空穴
(扫向方向)
光束
光生电子
（扫向方向）
光照射Pn结会产生光生电动势， 且光生电动势的正极在P侧， 光生电动势的负极在N侧。
n
光生电动势 负极
p
光生电动势 正极 (自建电场)
------这就是pn结的光生伏特效应。 【Pn结的光生伏特电势是非平衡的， 没有光照就没有光生电动势。 而Pn结的自建电场是半导体中 电子、空穴扩散、漂移动态平衡的结果, 是pn结的本性。】
孤岛现象的后果： 1）电网发生故障后，要对电网维修，但光伏系统仍单独给负载供电， 这就会发生设备和维修人员的安全事故。 2）电网发生故障后，光伏系统失去市电作为参考信号，会造成光伏输出 频率漂移而偏离市电频率（可能还产生一些谐波），将使一些对频率 敏感的负载受到损坏。 3) 在电网恢复的瞬间，由于电压相位不同，可能产生较大的突波电流, 造成有关设备的损害。 4）.如光伏系统与三相电网连接，孤岛现象发生时，将形成欠相供电， 影响用户端三相负载的正常使用。
提高太阳电池效率的方法
1.最大功率跟踪
2.聚光
利用万用电表对太阳电池进行简易测量
1).开路电压Uoc 的测量 用万用电表的电压档，直接测量在标准辐射下 太阳电池的端电压。 2.短路电流Isc 的测量 用万用电表的电流档，直接测量在标准辐射下 太阳电池的短路电流。 3.最大输出功率点的寻找 A
大功率 可调电阻
半导体表面受光照射，有些光子的能量大于（或等于） 半导体的禁带宽度，当半导体的电子获得这些光子的能量后， 就会挣脱原子核的束缚，从价带跃迁到导带，同时在价带留 下一个空穴，于是，半导体内就会出现大量电子—空穴对， 造成半导体的导电性能有了大的变化。 -------这种现象称为内光电效应。
第三章晶体硅太阳电池的工作原理(精)
半导体的能带结构
例：半导体 CdS
空带
h Eg=2.42eV
满带
这相当于产生了一个 带正电的粒子(称为 “空穴”) , 把电子 抵消了。
电子和空穴总是成对出现的
半导体的能带结构
在外电场作用下,
空穴下面能级上 的电子可以跃迁 到空穴上来，这 相当于空穴向下 跃迁。
第三章 晶体硅太阳电池的工作原理
三洋电机公司在HIT太阳电池的基础上，还推出了正反对称形的 HIT双功率太阳电池组件，这种组件能够利用正反两面的光照。和单 侧光照的构造相比，年平均增加6%-10%的输出。
第三章 晶体硅太阳电池的工作原理
（6）双面太阳电池 在有些特殊应用场合，不同的时刻，太阳光可能先后或同时从前、后 面照到太阳电池板，为了充分利用太阳能，日本Hitachi公司等研制 开发了双面太阳电池。这种电池用单晶硅衬底制作，采用双面玻璃封 装，两面均能够产生电能，且均有SiO2减反射膜，idao减反射和钝 化硅表面悬挂键的作用。正面和背面的转换效率分别为15%和 10.5%。由于在阳光照射到背面时。背面产生的载流子需要穿越更 长的距离才能到达P-N结，在这个过程载流子容易被复合，所以背面 的转换效率要明显低于正面。
第三章 晶体硅太阳电池的工作原理
3.1.3按用途分 1.空间太阳电池
空间太阳电池是指在人造卫星、宇宙飞船等航天器上应用的太阳 电池。由于使用环境特殊，要求太阳电池具有效率高、重量轻、耐高 低温冲击，抗高能粒子辐射能力强等性能，而且制作精细，价格也较 高。 2.地面太阳电池
地面太阳电池是指用于地面阳光发电系统的太阳电池。这事目前 应用最广泛的太阳电池，要求其耐风霜雨雪的侵袭，有较高的功率价 格比，具有大规模省的工艺可行性和充裕的原材料来源。 3.光敏传感器
太阳电池的工作原理和基本特性
二、扩散
扩散的定义：由浓度梯度的影响，载流子载流子而发生的运动。 粒子流与浓度梯度的负值成正比。因为电流与荷电粒子流成正比，所以对应于电 子的一维浓度梯度的电流密度是
dp e e (1.2.12) dx 其中De是扩散常数。同样对于空穴，有 J = qD
J h = )
1.2.3载流子浓度 半导体处于热平衡状态时，多数载流子和少数载流子的 浓度各自达到平衡值。因某种原因，少数载流子一旦超过平 衡值，就将发生与多数载流子的复合，企图恢复到原来的平 衡的状态。设电子浓度为n，空穴浓度为p，则空穴浓度随时 间的变化率由电子-空穴对的产生和复合之差给出下式：
dp dt = g − rpn
杂质原子的两种掺入方式 ：间隙式、替位式 杂质挤在基质晶体原子间的位置上，这种情况称 它们为间隙杂质；另一种方式是，它们可以替换基质 晶体的原子，保持晶体结构中的有规律的原子排列， 这种情况下，它们被称为替位杂质。
图3 n型半导体的能带结构
图4 p型半导体的能带结构
在 n型半导体中，除存在从这些施主能级产生的电子外，还 存在从价带激发到导带的电子。由于这个过程是电子-空穴成对 产生的，因此，也存在相同数目的空穴。我们把数量多的电子 称为多数载流子，将数量少的空穴称为少数载流子。同样，在p 型半导体中，我们把空穴称为多数载流子，把电子称为少数载 流子。
1.2.4载流子的传输
一、漂移： 漂移：
漂移、 漂移、扩散
漂移定义：在外电场的作用下，载流子的定向移动。 漂移定义：在外电场的作用下，载流子的定向移动。 漂移速度： 漂移速度：两次碰撞之间由电场所引起的电子平均速度的增量称为漂移速度 漂移速度由下式得出： 1 1 qt r vd = at = ξ * (1.2.7) 2 2 m e （如果tr是对所有的电子速度取平均，则去掉系数2）。电子载流子的迁移 率定义为： v d qt r µd = = * (1.2.8)
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晶硅，砷化镓，硒铟铜等。
7 7
光伏效应
• 早在1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光 照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现 象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。
CdTe
CIGS
GaAs 迭层
％ 25
18-19
产业化
22 16-18
17 13-16
产业化
13－15 5.5-9.5
部分产 业化
>15 实验室
16.8 ～10
产业 化
19.8 8-10
产业 化
～42 32.2
聚光 示范
电 光电化学 池 电池
染料敏化 电池
％ 11 5～6
其他
新概念电池（第三代电池？）
当入射太阳光能量大于吸收层半导体能隙时，入 射光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电 子-空穴对靠半导体内形成的内建电场分开到两极，正负 电荷分别被上下电极收集。由金属导连接正负电极对外提 供电能。
9 9
基本原理
10
太阳能电池发电原理图
11 11
12 12
13 13
14 14
15 15
• 流过负载的电流：
I= Iph – ID – ISh
22
串联电阻
串联电阻表达式：
R s r m f r c 1 r t r b r c 2 r m b
是r m f 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
• 短路电流
V=0时， 光生电流是Isc(短路电流）
• 开路电压
I=0时，电流的输出电压为开路电压 Voc=kTq-1ln(Isc+Isc/I01)
18
• 理想电池的输出功率： P=IV= IscV-I01(eqv/kBT-1)V
求上式的极值，就得到最大输出电压（Vmp)和最大 输出电流(Imp) ，最大输出功率(Pmp)等于最大输出 电流和最大输出电压的乘积。 填充因子 定义电池的填充因子FF（fill factor)=ImpVmp/(IscVoc),填充因子小于等于1 • 电池转换效率（η） η=最大输出功率除以入射功率=Pmp/Pin
19
20
实际的太阳电池等效电路
Rs
Iph
ID
Rsh
Ish
VR
I
21
(2)实际太阳电池等效电路：
• 由于漏电流等产生的旁路电阻Rsh
• 由于体电阻和电极的欧姆电阻产生的串联
电阻Rs • 在Rsh两端的电压为： Vj =(V+IRS)
• 因此流过旁路电阻Rsh的电流为：
ISh= (V+IRS) / Rsh
向偏置 • 暂不考虑串联电阻（Rs）和并联电阻（Rsh） • ID2是与耗尽区复合相关的二极管，ID1是与n,p区复合相关的二极管
ID1
ID2
V
R
I
Isc
17
• I=Isc-ID1-ID2 ID2很小（因为耗尽区电阻很大）
→I=Isc-I01(eqv/kBT-1), I01是与n 和p中性区复合相关 的暗饱和电流
第三讲3 太阳电池原理及主要 太阳电池介绍
1 太阳电池分类 2 太阳电池工作原理 3 晶硅太阳电池 4 薄膜太阳电池 5 化合物太阳电池 6 染料敏化太阳电池 7 其类(材料分类)
晶体硅太阳电池
(Crystal Silicon Solar Cell)
单晶硅太阳电池 多晶硅太阳电池 带状硅太阳电池
太阳电池性能参数
太阳电池等效电路 (1)理想太阳电池等效电路：
• 相当于一个电流为Isc的恒流电源与一只正向二极管并联
。
• 流过二极管的正向电流称为暗电流ID. • 流过负载的电流为I • 负载两端的电压为V
16
理想的太阳电池等效电路
• 一个理想的恒流源和2个二极管组成 • 恒流源的电流Isc与两个二极管电流方向相反，相当于二极管处于正
染料敏化太阳电池(Dye Sensitized Solar cell) 有机薄膜太阳电池 (Organic Solar Cell)
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✓太阳电池分类(应用分类)
用途分类 结构分类 使用状态分类
空间太阳电池 地面太阳电池 光伏传感器
刚性衬底 柔性衬底
刚性衬底 柔性衬底
同质结太阳电池 异质结太阳电池 肖特基结太阳电池 复合结太阳电池 分光太阳电池 液结太阳电池
• • 太阳电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应，
就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变 化而产生电动势和电流的一种效应。
• 即当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结 的两边出现电压，叫做光生电压，使PN结短路，就会产 生电流。
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太阳电池工作原理
太阳电池是利用pn结内建电场作用，分离入 射光产生的电子-空隙对，在正负电极形成电势。
平板太阳电池 聚光太阳电池 分光太阳电池
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太阳电池分类（按照技术成熟程度）
① 晶硅电池： 单晶硅，多晶硅，带硅等；
② 薄膜电池： a-Si，a-Si/ c-Si，CIGS，CdTe，
GaAs，poly-Si等；
③ 新型电池及新概念电池：染料敏化电池－光电化
学电池，有机电池，
多结(带隙递变)电池，
硅薄膜太阳电池
Silicon Thin Film
非晶硅太阳电 微晶硅薄膜太阳电池 多晶硅薄膜太阳电池 纳米晶硅薄膜太阳电池
按基体材料分类 Based on Materials
硒光电池
化合物太阳电池
Compound Solar cell
硫化镉太阳电池 硒铟铜太阳电池 碲化镉太阳电池 砷化镓太阳电池 磷化铟太阳电池
（如有机 电池等）
3
多结电池（太 阳光谱多级利 用）
2～3结
光子的分离（下 转换）和合并 （上转换）
概念证明阶段
中间带 或杂质带 电池
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太阳电池组件分类
6 6
太阳能电池发电原理
• 当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收； 光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由 电子在Ｐ－Ｎ结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时， 在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输 出功率。
中间带（杂质带）电池，量子点、量子阱电池，
上转换器（低能光子合并成高能光子）电池，
下转换器（高能光子分解成低能光子），
热载流子电池等。
4
4
电 晶硅电池 池
太阳级硅
薄膜电池（第二代电池？）
硅基
化合物
Wafer(切片) 单晶 多晶
Ribbo n(带硅) 多晶
a-Si， c-Si PECVD
多晶基 RTCVD 等