第五讲太阳能电池效率极限
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1.1 光的吸收与载第wk.baidu.com一讲子太阳能复电池合和太阳光
• 当光源被关掉后，系统势必会回到一个平衡状态 。在没有外界能量来源的情况下，电子和空穴会 无规则运动直到他们相遇并复合。
• 任何表面或内部的缺陷、杂质都会促进复合的产 生。
• 材料的载流子寿命可以定义为电子空穴对从产生 到复合的平均存在时间。对于硅，典型的载流子 寿命约为1μs。
太阳能电池 工作原理、技术和系统应用
作者：马丁.格林
江西工业工程职业技术学院江西电工子业工工程程系职业林技梅术课学件院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
第 四讲 效率极限
江西工业工程职业技术学院电子系林2 梅
• 复习
第一讲太阳能电池和太阳光
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
• 类似的，载流子的扩散长度就是载流子从产生到 复合所能移动的平均距离。对于硅，扩散长度一 般是100~300μm。
• 这两个参数为太阳能电池应用的材料提出参考。 • 如果没有一个使电子定向移动的方法，半导体就
无法输出能量。因此，一个功能完善的太阳能电 池，通常需要增加一个整流P-N结来实现。
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
1.2 光照的影响 第一讲太阳能电池和太阳光
• 照射到电池上的光可呈现多种不同的情形。为了使太 阳能电池的能量转换效率最大化，必须设计使之得到 最大的直接吸收以及反射后的吸收。
1-顶电极上的反射与吸收；2-在电池表面的反射；3-可用的吸收；
4-电池底部的反射（仅对吸收较弱的光线有效）；5-反射后的吸收；
光的能量与电子-空穴对产生的位置间的联系 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
Resource Characteristics ——地面附近太阳辐射光谱图 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
The absorption depths of silicon 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
1.2 光照的影响 第一讲太阳能电池和太阳光
• 在无光照的情况下，描述二极管电流I和电压V间 函数关系的特征曲线（I-V曲线）为：
I
qV I0[exp( nkT
)
1]
• 光线的照射对太阳电池的作用，可以认为是在原
有的二极管暗电流基础之上叠加了一个电流增量
，于是二极管公式变为：
第一讲太阳能电池和太阳光
• 尽管如此，一部分电子和空穴在被收集之前就已 经消失了。
电子空穴对复合的一些可能模式，以及未复合的载流子被收集的情况 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
• 总体来说，在P-N结越近的地方产生的电子空穴对 越容易被收集。当V=0时，那些被收集的载流子将 会产生一定大小的电流。如果电子空穴对在P-N结 附近小于一个扩散长度的范围内产生，收集的几 率就比较大。
voltage江西ax工i业s工. 程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
• 用于衡量在一定照射强度、工作温度以及面积条件 下，太阳能电池电力输出的两个主要制约参数为：
• 短路电流（Isc， Short circuit current ） 当电压为零时电池输出的最大电流，Isc=IL。Isc与 所接受到的光照强度成正比。
• 然而，能量比带隙能量大的光子（Egh>Eg）会与形成 共价键的电子相作用，用它自身所具有的能量去破坏 共价键，形成可以自有流动的电子-空穴对。
导带
Eg (禁带宽)
价带
光照时电子-空穴对的产生 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
• 光子的能量越高，被吸收的位置就越接近半导体表面 ，较低能量的光子则在距半导体表面较深处被吸收。
1 太阳能发电原理和影响因素
1.1 光的吸收与载流子复合 1.2 光照的影响 1.3 光谱响应 1.4 温度的影响 1.5 寄生电阻的影响
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
1.1 光的吸收与载第流一讲子太阳能复电池合和太阳光
• 当光照射到半导体材料时，拥有比禁带宽（Eg）还小 的能量（Eph）的光子与半导体的相互左右极弱，于是 顺利地穿透半导体，就如半导体是透明的一样。
第一讲太阳能电池和太阳光
• 单位体积内电子-空穴对的产生率可用下式表示：
G Nex
• N为光子的流量（每秒流过单位面积的光子数量 ），α是吸收系数，x是到表面的距离。
α物理意义 α相当于某波长的光在媒质中传播1/α距离时能量减弱到 原来能量的1/e。一般用吸收系数的倒数1/α来表征该波 长的光在材料中的透入深度。
Region
Dark Characteristic
I V
Power Generating
Region
江西L工ig业h工t程职Ch业a技r术a学c院t电er子i系st林i梅c
第一讲太阳能电池和太阳光
• 光照能使电池的I-V曲线向下平移到第四象限，于 是二极管的电能可以被获取。
• 为便于讨论，太阳电池的I-V特性曲线通常被上下
翻转，将输出曲线置于第一象限，并用下式表示
：
I
IL
I
0
[exp(
qV nkT
)
1]
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第一讲太阳能电池和太阳光
The VI characteristic of a solar cell is usually displayed like this: I V
I
V
The coordinate system is flipped around the
I
I0
[exp(
qV nkT
)
1]
IL
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第一讲太阳能电池和太阳光
电压电流 方向？
光的照射对P-N结电流-电压间函数特性的影响 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
I Power Dissipating Region V
Power Dissipating
6-背电极处的吸收
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第一讲太阳能电池和太阳光
• 在P-N结电场E的作用下，电子受力向N型一侧移动，空穴 受力向P型一侧移动。短路时，在外电路产生光电流。
理想短路情况下P-N结区域电子与空穴的流动（电子、空穴产生、定向移 动、被收集、外电路流动）
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1.1 光的吸收与载第wk.baidu.com一讲子太阳能复电池合和太阳光
• 当光源被关掉后，系统势必会回到一个平衡状态 。在没有外界能量来源的情况下，电子和空穴会 无规则运动直到他们相遇并复合。
• 任何表面或内部的缺陷、杂质都会促进复合的产 生。
• 材料的载流子寿命可以定义为电子空穴对从产生 到复合的平均存在时间。对于硅，典型的载流子 寿命约为1μs。
太阳能电池 工作原理、技术和系统应用
作者：马丁.格林
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第一讲太阳能电池和太阳光
第 四讲 效率极限
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• 复习
第一讲太阳能电池和太阳光
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第一讲太阳能电池和太阳光
• 类似的，载流子的扩散长度就是载流子从产生到 复合所能移动的平均距离。对于硅，扩散长度一 般是100~300μm。
• 这两个参数为太阳能电池应用的材料提出参考。 • 如果没有一个使电子定向移动的方法，半导体就
无法输出能量。因此，一个功能完善的太阳能电 池，通常需要增加一个整流P-N结来实现。
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1.2 光照的影响 第一讲太阳能电池和太阳光
• 照射到电池上的光可呈现多种不同的情形。为了使太 阳能电池的能量转换效率最大化，必须设计使之得到 最大的直接吸收以及反射后的吸收。
1-顶电极上的反射与吸收；2-在电池表面的反射；3-可用的吸收；
4-电池底部的反射（仅对吸收较弱的光线有效）；5-反射后的吸收；
光的能量与电子-空穴对产生的位置间的联系 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
Resource Characteristics ——地面附近太阳辐射光谱图 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
The absorption depths of silicon 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
1.2 光照的影响 第一讲太阳能电池和太阳光
• 在无光照的情况下，描述二极管电流I和电压V间 函数关系的特征曲线（I-V曲线）为：
I
qV I0[exp( nkT
)
1]
• 光线的照射对太阳电池的作用，可以认为是在原
有的二极管暗电流基础之上叠加了一个电流增量
，于是二极管公式变为：
第一讲太阳能电池和太阳光
• 尽管如此，一部分电子和空穴在被收集之前就已 经消失了。
电子空穴对复合的一些可能模式，以及未复合的载流子被收集的情况 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
• 总体来说，在P-N结越近的地方产生的电子空穴对 越容易被收集。当V=0时，那些被收集的载流子将 会产生一定大小的电流。如果电子空穴对在P-N结 附近小于一个扩散长度的范围内产生，收集的几 率就比较大。
voltage江西ax工i业s工. 程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
• 用于衡量在一定照射强度、工作温度以及面积条件 下，太阳能电池电力输出的两个主要制约参数为：
• 短路电流（Isc， Short circuit current ） 当电压为零时电池输出的最大电流，Isc=IL。Isc与 所接受到的光照强度成正比。
• 然而，能量比带隙能量大的光子（Egh>Eg）会与形成 共价键的电子相作用，用它自身所具有的能量去破坏 共价键，形成可以自有流动的电子-空穴对。
导带
Eg (禁带宽)
价带
光照时电子-空穴对的产生 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
• 光子的能量越高，被吸收的位置就越接近半导体表面 ，较低能量的光子则在距半导体表面较深处被吸收。
1 太阳能发电原理和影响因素
1.1 光的吸收与载流子复合 1.2 光照的影响 1.3 光谱响应 1.4 温度的影响 1.5 寄生电阻的影响
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
1.1 光的吸收与载第流一讲子太阳能复电池合和太阳光
• 当光照射到半导体材料时，拥有比禁带宽（Eg）还小 的能量（Eph）的光子与半导体的相互左右极弱，于是 顺利地穿透半导体，就如半导体是透明的一样。
第一讲太阳能电池和太阳光
• 单位体积内电子-空穴对的产生率可用下式表示：
G Nex
• N为光子的流量（每秒流过单位面积的光子数量 ），α是吸收系数，x是到表面的距离。
α物理意义 α相当于某波长的光在媒质中传播1/α距离时能量减弱到 原来能量的1/e。一般用吸收系数的倒数1/α来表征该波 长的光在材料中的透入深度。
Region
Dark Characteristic
I V
Power Generating
Region
江西L工ig业h工t程职Ch业a技r术a学c院t电er子i系st林i梅c
第一讲太阳能电池和太阳光
• 光照能使电池的I-V曲线向下平移到第四象限，于 是二极管的电能可以被获取。
• 为便于讨论，太阳电池的I-V特性曲线通常被上下
翻转，将输出曲线置于第一象限，并用下式表示
：
I
IL
I
0
[exp(
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)
1]
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第一讲太阳能电池和太阳光
The VI characteristic of a solar cell is usually displayed like this: I V
I
V
The coordinate system is flipped around the
I
I0
[exp(
qV nkT
)
1]
IL
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第一讲太阳能电池和太阳光
电压电流 方向？
光的照射对P-N结电流-电压间函数特性的影响 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
I Power Dissipating Region V
Power Dissipating
6-背电极处的吸收
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第一讲太阳能电池和太阳光
• 在P-N结电场E的作用下，电子受力向N型一侧移动，空穴 受力向P型一侧移动。短路时，在外电路产生光电流。
理想短路情况下P-N结区域电子与空穴的流动（电子、空穴产生、定向移 动、被收集、外电路流动）
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