光伏电池及其特性讲解

Compensated semiconductor（补偿半导体） Non-compensated semiconductor（非补偿半导体）
（1）Intrinsic semiconductor

完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本 征半导体。
硅（锗）的原子结构
Si 2 8 4 Ge 2 8 18 4


半导体 —导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 本征半导体 —纯净的半导体。如硅、锗单晶体。 掺杂半导体 --
What are Semiconductors?

入门

导带性界于导体与绝缘体之间的材料 电阻系数约为10-3 ~108 .cm的材料

中阶


进阶

能隙约在 4eV以下之的材料
2 .2硅型光伏电池的电特性

2.2.1 等效电路 2.2.2 光伏电池伏安特性曲线 2.2.3 输出功率和输出因子 2.2.4 输出效率
2.2.1光伏电池的等效电路
P N
少子的漂移，导致P区出现 空穴的积聚，N区出现电子的积 聚。反过来，这种电荷积聚会消 弱内建电场，使得少子漂移效应 减弱，光电流输出变小。相当于 出现暗电流（Id）！
硅原子 空穴 空穴被认为带一个 单位的正电荷，并 且可以移动。
Si B
Si
Si P型硅表示
硼原子
N 型半导体和 P型半导体
N型 +4 +4 +4 +4 P型 +4 +4
+4 磷原子
+5
+4 自由电子
+4 硼原子
+3
+4 空穴
电子数 > 空穴数 电子为多数载流子(多子) 施主 离子 空穴为少数载流子(少子) 原子 载流子数 = 电子数 + 空穴数 电子数
（2） Extrinsic Semiconductor
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使 半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂 半导体的某种载流子浓度大大增加。
硅原子
磷原子 N型半導體
自由电子浓度大于空穴浓 度——多数载流子（多子）
Si
Si Si
多余电子 N型硅表示
P
+
P-type Semiconductor (P型半導體)
负载 load
反向饱和电流


指给PN结加一反偏电压时，外加的电压使得 PN结的耗尽层变宽，结电场（即内建电场）变大， 电子的电势能增加，P区和N区的多数载流子（P 区多子为空穴，N区多子为电子）就很难越过势 垒，因此扩散电流趋近于零； 但是由于结电场的增加，使得N区和P区中的 少数载流子更容易产生漂移运动，因此在这种情 况下，PN结内的电流由起支配作用的漂移电流决 定。漂移电流的方向与扩散电流的方向相反，表 现在外电路上有一个流入N区的反向电流，它是 由少数载流子的漂移运动形成的。由于少数载流 子是由本征激发而产生的，在温度一定的情况下， 热激发产生的少子数量是一定的，电流趋于恒定。
等效电路中符号的说明
L
1.RL为外负载电阻。
2.Rs为串联电阻。一般小于1Ω. 前面和背面的电极接触，以及材 料本身具有一定的电阻率。 3.Rsh为旁路电阻。由于电池边沿的
漏电和制作金属化电极时，在电池 的微裂纹、划痕等处形成的金属桥 漏电等，使一部分本应通过负载的 电流短路，这种作用的大小可用一 并联电阻RSh来等效 。
太阳电池发电原理示意图
光伏电池的光照的详细情况
1.电池表面被反射回去的光线
2.刚进入电池表面被吸收生成电 子-空穴对的光线，其中大部分 是吸收系数较大的短波光线。它 们产生的电子-空穴对来不及到 达PN结就很快被复合还原。
+
+
-
+
+
3.PN结附近被吸收生成电子空穴对的那部分光线。光生 少数载流子在电场作用下漂 移能够产生光生电动势。
Li原子电子构型是1s22s1
2s 能 量
2s带半充满 （导带） 禁带
1s
1s带全满 （满带） Li能带示意图
能带中的电子分布
满带：能带中所有能级（轨道）均有电子占 据，为由充满电子的原子轨道能级所形成的低 能量能带。 空带：能带中所有能级（轨道）均无电子占 据。 禁带：不允许有电子占据的能量范围。禁带 宽度（满带与空带的能量间隔）称为带隙。
简化模型
+4 惯性核
价电子
(a) Diamond lattice.
(b) Zincblende lattice.
Covalence Bonds
共价键共 用电子对
+4表示除 去价电子 后的原子
A tetrahedron bond (a) 3-D. (b) 2-D
本征激发

在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价 键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一 个空位（空穴）的过程。
当参与扩散运动的多子数目和参与漂移运动的少 子数目相同时，达到动态平衡，就形成了PN结。
PN结受光照后，光伏效应
半导体吸收光能产生带 正电和负电的粒子（空 穴和电子），在内建电 场作用下，电子（－） 朝 N 型半导体汇 集 ， 而 空穴（＋）则朝P型半 导体汇集。如果外电路 处于开路状态，那么这 些光生电子和空穴积累 在 pn 结附近，使 p 区获 得附加正电荷，n区获得 附加负电荷，这样在 pn 结上产生一个光生电动 势。
光伏电池的等效电路图
4.Idຫໍສະໝຸດ Baidu暗电流。
测试输出特性
等效电路图的理想形式
P N
由于电路中无电源，电压 U=IR 实际加在太阳电池的结上， 即结处于正向偏置。一旦结处 于正向偏置时，二极管电流 Id=I0[exp(qU/nkT)-1]朝着与光 激发产生的载流子形成的光电 流Iph相反的方向流动。
(1) 因而流入 I I ph I d I ph I 0 exp qU nkT 1 负载电阻的 电流值为
I0反映光生电池对光生载流子 的最大复合能力
--------(1)式
问题1：为什么可把太阳能电池的内部看成一个电 流源（光电池）和一个硅二极管的复合体：

光伏电池无光照时就是一个PN结，有光照时， 会产生光生电动势和光伏电流。
（1）产生光伏电流的原因是： 光照时，本征激 发产生的电子聚集在N端，空穴汇聚在P端，破 坏了光照前的平衡。电子通过外回路由N P,电 流是P N。
少數載子
+
+-
Photon Photon
-
- -
- - - - -
多數載子
Ec
電子-電洞對 (Electronhole pair) +-
-
P N
+
+
+
-
Ef +
+ + +
少數載子
-
P +- N P N
+ + + + Ev + +
多數載子
+ + + + +
PN(照光狀態)
- - - - -
作业
• 1. 用能带理论解释导体和半导体的导电机 理。 • 2. 阐述PN结的形成过程，并画出示意图。
能带理论（补充内容）
E
E7
E6

3 a

2 a


a
0
a
2 a
3 a
E5 E4 E3 E2 E1
k
E ~ k 曲线的表达图式
能带理论的基本要点
量子力学计算表明,固体中若有N个原子,由于各原 子间的相互作用,对应于原来孤立原子的每一个能 级,变成了N条靠得很近的能级,称为能带。
能带宽度E,量级为E～eV，若 N~1023, 两能级的间距约10-23eV。 •越是外层电子，E越大。 •点阵间距越小，E越大。 •两个能带有可能重叠。
导体、半导体和绝缘体
导体
金属钠
金属镁
导体、半导体和绝缘体
绝缘体 价电子都在满带，导带是空的， 而且满带顶与导带底之间的能 量间隔（即禁带宽度）大。 禁带宽度≥5eV 在外电场作用下，满带中的电 子不能越过禁带跃迁到导带中， 故不能导电。
Eg
导体、半导体和绝缘体
半导体 满带被电子充满，导带是 空的，便禁带宽度很窄。 由于禁带宽度小，因此当 光照或在外电场作用下， 使满带上的电子，很容易 跃迁到导带上，使原来空 的导带充填电子，同时在 满带上留下空穴。
(a)开路电压
当太阳电池处于开路状态时，对 应光电流的大小产生电动势，这 就是开路电压。
理想情况下, 流入负载电阻的 电流值为
I I ph I d I ph I 0 exp qU D nkT 1
设Ι=0（开路），Ιph＝ΙSC，则
nkT U oc ln I sc I 0 1 q
-
下电极
4. 进入电池深处，距离PN结较 远的地方被吸收生成电子-空穴 对的光线，与2类似，无用。 5.被电池吸收，但能量较小不能 产生电子-空穴对的那部分光线， 只能使电池加热，温度上升。
6.没有被吸收透射部分。
光伏电池的工作原理
光生载流子形成电流的过程
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
第二章 光伏电池及其特性
1. Principle of Solar Cells 2 .硅型光伏电池的电特性 3.光伏电池的外特性 4. 光伏电池性能的检测 5.光伏电池的结构和分类

photovoltaic cells
2.1 Principle of Solar Cells

2.1.1半导体的基础知识
空穴数 > 电子数 空穴 — 多子 受主 电子 — 少子 离子 原子 载流子数 空穴数
半导体掺杂技术
热扩散技术
离子注入技术
无光照时,PN结的形成
采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作 在同一硅片上，在它们的交界面处就会形成PN结
浓度差使多子 产生扩散运动
内电场
内电场使少子 产生漂移运动
PN结正向偏置
PN结反向偏置
反向饱和电流 很小，A级
正向电流
内电场减弱，使扩散加强， 扩散飘移，形成正向电流， PN结导通
内电场增强，抑制扩散、加剧漂 移，形成反向电流，也称漂移电 流，因为漂移电流是由少子运动 引起的，而其数目极少，因此漂 移电流很小，常可忽略不计，认 为PN结处于截止状态。
Ec : conduction band Ev : valance band Ef : Fermi energy 電子位能
N
多數載子
P
Ec Ef Ev N Type P Type Semiconductor
Ec Ef Ev
-
-
Ec Ef + Ev +
P N
光子(Photon)
多數載子
+
PN(不照光，平衡狀態)
(2) I L I ph Ud Id Rsh
q U I L RS U d I ph I 0 exp 1 AkT Rsh
光伏电池的等效电路图
series resistance shunt resistance 串联电阻 并联电阻
Eg
禁带宽度≤3eV


Element semiconductor（元素半导体） Compound semiconductor（化合物半导体） Intrinsic semiconductor（本征半导体） Extrinsic semiconductor（掺杂半导体） Direct semiconductor（直接半导体） Indirect semiconductor（间接半导体） Degenerate semiconductor（简并半导体） Non-degenerate semiconductor（非简并半导体）
能带中的电子分布
价带：依据轨道能量高低顺序填充电子时， 最后由价电子填充的（轨道）能带称为价带。 导带：部分被价电子（可自由移动）占据的 能带可称为导带。导带可以是由未充满电子的 原子轨道组合而成的能带（价带），或（与满 带重叠或能量相近）空带。
导体、半导体和绝缘体
导体 价电子能带是半满的(如Li,Na)，或价电子能带是 全满但有空的能带(Be,Mg)，而且两个能带能量间 隔很小，彼此发生部分重叠。 Eg
Formation of intrinsic carriers
本征激发的特点
复合： 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成 对消失的过程。
漂移： 自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。
结论: 1. 本征半导体的电子空穴成对出现, 且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
（2）载流子的汇聚会在PN结内产生一个与原内 建电场方向相反的附加电场，在一定程度上降低 了原内建电场。相当与PN节的正向偏置。（如果
外回路断开内建电场和载流子汇聚产生的电场在内部抵消，达到平衡。）
等效电路中各变量之间的关系
L
(1) I d I 0 exp qU d AkT 1