第3章 太阳能电池及特性-2讲光生伏特效应
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上一讲回顾
原子能级及能带理论；
本征半导体和掺杂半导体；
费米能级；
半导体的光学常数和光吸收；
作业：
为什么单晶硅（或多晶硅）太阳能电池是p-n结结构？还有没有其他结构？
第3章太阳能电池及特性
3.1 半导体物理基础
3.2 太阳能电池
3.3 太阳能电池输出特性
§3.1半导体物理基础
§3.1.6.p-n结
在大多数情况下，物质吸收入射光后，光子的能量使电子跃迁到高能级，但是受激电子很快地回到基态
只能提高半导体的电导率-光电导，无法形成电势差
在太阳能电池的光伏效应中，内部的非对称结构p-n结（内建电场），使电子在返回基态前，被输运到外部电路
受激电子得到的能量形成了电势差
p-n结及其能带图：
PN 结
E Cp
E Vp
E Cn
E Vn
P 型
N 型
p-n 结的能带图及电荷分布图
§3.1.6p-n 结
Ge
Si
GaAs
J0↓；
↑，J0↓，主要取决于低掺杂↑，因此J0具有正温系数。
第3章太阳能电池及特性
3.1 半导体物理基础
3.2 太阳能电池
3.3 太阳能电池输出特性
太阳能电池
§3.2
太阳能电池利用半导体材料的电子特性，把阳光（光能）直接转换为电能。
入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电压的形式来产
生电能。
§3.2太阳能电池
太阳能电池产生电能需要两个条件：
¾首先，被吸收的光要能在材料中把电子激发到高能级
¾第二，处于高能级的电子能从电池中移动到外部电路。在外部电路的电子消耗了能量后回到电池中。
许多不同的材料（如单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等）和工艺都基本上能满足太阳能转化的需求
但是，几乎所有的光伏电池转化过程都是PN结形式的半导体材料来完成的。
§3.2太阳能电池
§3.2.1.太阳能电池分类
单晶硅太阳电池
晶体硅太阳电池多晶硅太阳电池
(Crystal Silicon Solar Cell) 带状硅太阳电池
按基体材料分类Based on Materials
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硅薄膜太阳电池
Silicon Thin Film
硒光电池硫化镉太阳电池
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
染料敏化太阳电池(Dye Sensitized Solar cell)
有机薄膜太阳电池(Organic Solar Cell)
化合物太阳电池
Compound Solar cell
§3.2.1太阳能电池分类
硅太阳能电池：
单晶硅太阳电池：采用单晶硅片制造，性能稳定，转换效率高。
目前转换效率已达到
16%--18%。
§3.2.1太阳能电池分类
硅太阳能电池：
多晶硅太阳电池：作为原料的高纯硅，由于硅片是由多个不同大小、不同取向的晶粒
构成，因而转换效率低。
目前转换效率达到15%--17%。
硅太阳能电池：
非晶硅太阳电池：一般在P 层与N 层之间加入较厚的I 层。 非晶硅太阳电池的厚度
不到1μm ，不足晶体硅
太阳电池厚度的1/100，
降低制造成本。
目前转换效率为5%--8%
最高效率达14.6%
层叠的最高效率可达21.0%。
§3.2.1太阳能电池分类
硅太阳能电池：
微晶硅太阳电池：可以生成晶粒尺寸10nm 的微晶硅薄膜，薄膜厚度一般在2---3μm
目前转换效率为10%以上。
§3.2.1太阳能电池分类
化合物太阳能电池：
单晶化合物太阳电池：主要有砷化镓GaAs 太阳电池。砷化镓的能隙为1.4eV ，是单结电池中效率最高的电池，效率可达到30%以上
但价格昂贵，且砷有毒
，所以极少使用。
§3.2.1太阳能电池分类
化合物太阳能电池：
多晶化合物太阳电池：主要有碲化镉太阳电池，铜铟镓硒太阳电池等。
碲化镉太阳电池是最早发展的太阳电池之一，工艺过程简单，制造成本低，转换效率超过16%，不过镉元素可能造成环境污染。
铜铟镓硒太阳电池实验室最高
效率接近20%，成品组件达到
13%，是目前薄膜电池中效率
最高的电池之一。§3.2.1太阳能电池分类
§3.2太阳能电池
§3.2.2.光生伏特效应
光生伏特效应：当用适当波长的光照射非均匀半导体（如p-n结或金属—半导体接触面）时，由于内建电场的作用，半导体内部产生电动势（光生电压）；如接外部电路，则会出现电流（光生电流）----光生伏特效应
能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。
它们的发电原理基本相同：半导体PN结的光生伏特效应
§3.2.2光生伏特效应
p-n结的光生伏特效应：
当用适当波长的光照射p-n结时，由于内建电场的作用（不加外电场），将光生电子拉向n区，将光生空穴拉向p区，半导体内部产生电动势（光生电压）；
如接外部电路，则会产生电流（光生电流）。