《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-3
太阳能应用检测与控制技术第4章 太阳能电池及检测技术
4.2.2 半导体物理基础 1．本征半导体
2．产生与复合 3．杂质和杂质半导体 （1）N型半导体（2）P型半导体
4．平衡PN结
10
4.2.2 半导体物理基础 4．平衡PN结
图4-1
PN结空间电荷区
11
4.2.3 半导体的内生光电效应
太阳电池能量转换的基础是结的光生伏特效应。当光 照射到PN结上时，产生电子-空穴对，在半导体内部结 附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受 内建电场的吸引，电子流入N区，空穴流入P区，结果 使N区储存了过剩的电子，P区储存了过剩的空穴。它 们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生 电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电 ，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势， 这就是光生伏特效应。
1．单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池的特点如下。 ① 作为原料的硅材料在地壳中含量丰富，对环境基本上没有影响。 ② 单晶制备以及PN结的制备都有成熟的集成电路工艺作保证。 ③ 硅的密度低，材料轻。即使是50m以下厚度的薄片也有很好的强度 。 ④ 与多晶硅、非晶硅比较，转换效率高。 ⑤ 电池工作稳定，已实际用于人造卫星等方面，并且可以保证20年以 上的工作寿命。
7
4.1.3 按电池结构分类
1．同质结太阳能电池 2．异质结太阳能电池 3．肖特基太阳能电池 4．薄膜太阳能电池 5．叠层太阳能电池 6．湿式太阳能电池
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4.2 太阳电池的工作原理 4.2.1 半导体的性质
半导体的电阻率较大（约10−5≤≤105·cm），而金属的电阻 率则很小（约10−8～10−6·cm），绝缘体的电阻率则很大（约 ≥108·cm）。半导体的电阻率对温度的反应灵敏，例如锗的 温度从20℃升高到30℃，电阻率就要降低一半左右。金属的电 阻率随温度的变化则较小，例如铜的温度每升高100℃，增加 40%左右。电阻率受杂质的影响显著。金属中含有少量杂质时， 看不出电阻率有多大的变化，但在半导体里掺入微量的杂质时 ，却可以引起电阻率很大的变化，例如在纯硅中掺入百万分之 一的硼，硅的电阻率就从2.14103·cm减小到0.004cm左右 。金属的电阻率不受光照影响，但是半导体的电阻率在适当的 光线照射下可以发生显著的变化。
太阳电池及其应用 第四章全文 20121224解读
第四章 太阳电池的标定和测量§4.1 太阳能电池的标定太阳电池效率的定义是：太阳电池在最佳工作状态下输出的电功率与投射到太阳电池上总的光功率之比。
电功率用一般的电子仪器很容易测出，但光功率——光的能量的测量，因涉及光谱问题，就比较复杂。
光照时太阳电池的电流特性和电压特性基本上概括了整个太阳能电池电性能，前者主要是收集效率的问题，后者是太阳电池二极管的特性问题。
对同一片电池，收集效率与光谱特性密切相关，而二极管特性和填充因素则与光源光谱无关。
因此，效率问题，实际上变成了测量短路电流与各种光源的光强的关系问题。
如在某一特定光源的光强下，只要得到同样的电流，二极管特性将是一样的。
既然效率的测量归结到确定太阳电池的短路电流，因此，确定太阳电池在某一状态下的短路电流就很重要了。
目前，国际上通用的测量方法，是采用标准电池法，亦即选一片太阳电池，首先在某一特定的标准状态（光源）下进行短路电流数值的测定，然后用它作参考电池去校准测试时所用光源的光强，再用此光强测量其它的被测电池。
我们把作为参考的电池在一定的光源状态下，确定短路电流的过程叫做标定。
而利用标准电池的数据，去获得其它电池的数据的对比过程简称为复现。
一般说来，太阳电池效率的测量问题可归结为标定参考电池，和在一定光源下用标准电池复现的问题。
太阳能电池效率η的定义为)(1FF V J FF J V oc sc sc oc Φ=Φ=η （4-1）我们把Φsc J 称为积分响应Q ： Q =Φsc J （4-2） 则把方程式（4-1）变成η=Q V oc FF （4-3）所以，只要定出一个太阳电池的积分响应Q ，它的效率就可求出。
确定太阳电池在某一个特定的太阳光照状态下的Q 值，是标定工作的主要内容。
根据太阳电池用途（如空间使用或地面使用）不同，标定方法也有差别。
§4.1.1 空间用太阳电池的标定空间用太阳电池的标定，统称AM0标定。
目前最常用的AM0标定法有如下几种：卫星标定、火箭标定、气球标定、飞机标定、高山标定和实验室光谱标定。
太阳能电池课件完整版
太阳能汽车
太阳能路灯
PV APPLICATION
五、太阳能电池遇到的挑战
• 接受太阳辐射的面积； • 气候的影响； • 硅片的价格及硅片的加工技术。
谢谢！Biblioteka 太阳能电池发电的原理太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般 的半导体主要结构如下：
• 图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边 的四个电子。
硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入 硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以 参照下图：
图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子 旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子 周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴， 这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中 和，形成P（positive）型半导体。
太阳能电池的分类
• （1）硅太阳能电池 • 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非 晶硅薄膜太阳能电池三种。 • 单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最 高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。在大规模应用和 工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其 成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜单晶硅 太阳能电池的替代产品。 • 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅 薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为 10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地 位。 • 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模 生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定 性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提 高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池主要发展产 品之一。
《太阳能电池》ppt课件
电极
受体
有 机
给体
层
ITO
Donor: CuPc
glass
h
Acceptor: C60
①
LUMO ④
电子
正极
②③
负极
空穴
HOMO
① 激子的产生 ② 激子分散 ③ 激子拆分 ④ 载流子搜集
研讨进展
Charge Recombination in Organic Photovoltaic Devices with High OpenCircuit Voltages Q. L. Song JACS 132(2021) 4554-4555 IF: 9.019 Environment-friendly energy from all-carbon solar cells based on fullerene-C60 Q. L. Song SEMSC 93 (2021) 4–7 IF: 4.593
ITO
glass
双层构造
有机层
本体异质结构造
有机层
单层器件激子拆分
电子
Active layer:C60
空穴
电极
有机层
ITO
glass
LUMO
h
①
④
正极
② ③负极
HOMO
① 激子的产生 ② 激子分散 ③ 激子拆分 ④ 载流子搜集
NPB MoO3/NPB
PCE从 0.15 % 提高到0.414 % Environment-friendly energy from
有机太有机阳太能阳电能池电池应的运优而缺生陷
价钱廉价〔合成工艺简单，因此 本钱低廉，有竞争力〕
轻薄、柔软 易携带
足球烯 C60
chap4-太阳能电池-课件
太阳能电池的效率
I
太阳电池光电转换效率：
VmpImpVocIscFF
Pin
Pin
Vmp
V
Imp
Voc
Isc
其F 中 F V m ： Im p pU oc ln U oc (0 .7)2
VI ocsc
U oc 1
式中：Vmp、Imp是最大输出功率点对应的电流和电压， Voc、Isc是开路电压和短路电流，Pin是入射总光功率。 FF是填充因子，Uoc是归一化电压：Uoc＝qVoc/kT。
导致“温室效应”，也不会造成环境污染
✓ 使用方便： 同水能、风能等新能源相比，不受地域
的限制，利用成本低。
太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！
4.2.2太阳能电池(solar cell)
太阳能电池是将太阳光的能量转换为电能的光电器 件。其工作原理主要依据光生伏特效应，因此也称为 光伏电池。
Ec EF Ev
理想情况下的效率
舍弃太阳光中波长大于长波限的光 谱，在理想情况下，能量大于禁带宽 度的光子全部被材料吸收形成光电流， 显然，最大短路电流Isc仅与材料的带隙 有关。
理想情况下Voc为：
VockqTlnIIp0h1 式中Iph为光生电流，I0为二
§4半导体光敏器件--太阳能电池
4.1内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或 产生光生电动势的效应叫做内光电效应。
内光电效应又可分为以下两类： 1)光伏效应 2 )光电导效应
1、光伏效应
在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做 光生伏特效应。分为势垒效应和侧向光电效应。
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须 大于光电导材料的禁带宽度，即
太阳能电池原理及应用智慧树知到课后章节答案2023年下哈尔滨工程大学
太阳能电池原理及应用智慧树知到课后章节答案2023年下哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学第一章测试1.太阳能量来自于太阳内部的核聚变反应。
（）答案:对2.太阳内部核聚变反应时的温度大约是多少？（）答案:1500万度3.太阳表面温度是多少？（）答案:6000 K4.太阳太阳常数是多少？（）答案:1.95 卡/厘米²﹒分5.下列那些属于太阳能的光电应用？（）答案:太阳能信号灯;太阳能汽车6.下列那些属于清洁能源？（）答案:太阳能;风能;水能;氢能7.煤炭燃烧时可能会排放下列那些气体？（）答案:CO;SO²;NO²;CO²8.空气中PM2.5的含量在下列哪个范围内时，空气质量是优？（）答案:＜3.5 μg/m39.下列那种类型的太阳能电池要求材料的纯度非常高？（）答案:单晶硅太阳能电池10.一般情况下，同种材料的多结太阳能电池比单结太阳能电池的光电转换效率高。
（）答案:对第二章测试1.电子不能在禁带排布，但是可以越过禁带，从价带跃迁到导带。
（）答案:对2.对硅进行掺杂，当掺氮时可以形成P型半导体；当掺磷时可以形成N型半导体。
（）答案:错3.光伏效应和光电发射效应同属于内光电效应。
（）答案:错4.对于硅太阳能电池，光伏效应发生在下列哪个部分？（）答案:PN结5.禁带宽度会影响太阳能电池的光电性能，一般情况下禁带宽度越大，开路电压越大。
（）答案:对6.温度对开路电压的影响比对短路电流的影响大，温度越高开路电压越大。
（）答案:错7.短路电流会随着禁带宽度的增大而减小。
（）答案:对8.下列哪些方法能够改善太阳能电池的性能？（）答案:加背表面电场;将正面电极做成栅形结构;将吸光面做成绒面结构;增加减反射膜9.下列哪些方法能够减小太阳能电池的暗电流？（）答案:优化生产工艺;减少人为污染;改善原料质量;避免机械损伤10.下列哪种载流子复合方式需要两步完成？（）答案:间接复合第三章测试1.与硅太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池的生产工艺简单、耗能少、回收周期短。
《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第一章
课程大纲第一部分：基础知识第章引言第一章：引言第二章：半导体基础第三章：P-N结第四章：太阳能电池基础第二部分：传统太阳能电池第章能第五章：晶体硅太阳能电池第六章：高效III-V族化合物太阳能电池第七章：硅基薄膜太阳能电池第八章：高效薄膜太阳能电池（CIGS, CdTe）第三部分：新型太阳能电池第九章：有机太阳能电池第十章：染料敏化及钙钛矿太阳能电池第十一章：其它新型太阳能电池（量子点，中间带等）第十二章：多结太阳能电池主讲教师：（1-4 章：18学时）；82304569，xwzhang@张兴旺14章学时）xwzhang@semi ac cn尹志岗（5-7 章：14学时）；82304469，yzhg@游经碧（8-12章：22学时）；82304566，jyou@课程性质：专业选修课课程性质专业选修课课时：54课时考试类型：开卷成绩计算方式：期末考试（70%）+小组文献汇报（30%）成绩计算方式期末考试参考书目：1熊绍珍朱美芳：《太阳能电池基础与应用》科学出版社1. 熊绍珍，朱美芳：《太阳能电池基础与应用》，科学出版社，2009年2. 刘恩科，朱秉升，罗晋生：《半导体物理学》，电子工业出版社，2011年3. 白一鸣等编，《太阳电池物理基础》，机械工业出版社，2014年第一章引言太阳能的利用方式1.2太阳能资源及其分布31.114太阳电池工作原理31.3太阳电池发展历程1.4太阳电池应用与趋势31.51.6中国光伏发电的现状1973年，由于中东战争而引起的“石油禁运”，全世界发生了以石油为代表的能源危机，人类认识到常规能源的局限性、以石油为代表的“能源危机”，人类认识到常规能源的局限性有限性和不可再生性，认识到新能源对国家经济发展、社会稳定及安全的重要性。
与此同时，环境污染日益加剧、极端天气频繁出现，不断挑战着人类的忍受极限……1.1 太阳能资源：未来能源的主要形式太阳能核能地热能生物质能风能水势能清洁能源－－光伏发电太阳------物理参数太阳------地球生命之源！表度太阳------巨大的火球！表面温度：5760-6000K中心温度：1.5×107K日冕层温度：5×106K198930质量：1.989×10kg太阳每秒释放的能量：3.865×1026J，相当于132每秒燃烧1.32×1016吨标准煤的能量(世界能源消耗)3.0 ×1020joule/y=万分之一！3.0 ×1024joule/y万分之巨大潜力(照射到地面的太阳能)457亿年>50亿年我国的太阳能资源45.7亿年，>50亿年，取之不尽、用之不竭地表每年吸收太阳能17000亿吨标煤2007年一次能源26.5亿吨标煤解决能源危机特点能源取之不尽、无污染地球表面角度0.1%的太阳能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍资源丰富太阳环改善环境、保护气候无污染物废气噪音的污染特点能的境角无污染物、废气、噪音的污染1 MW并网光伏电站的年发电能力约为113万优点度并能kWh，可减排二氧化碳约191余吨相当于每年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约5.5吨，减排灰渣约114吨，减排二氧化硫约节能减排8.54吨。
《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-2
第四章太阳电池基础光生载流子的浓度和电流4.2太阳电池的测试技术4.4光生伏特效应34.1太阳电池的伏安特性34.34.5太阳电池的效率分析太阳电池的性能表征4.6衬底n 型电中性区p 型电中性区F=0F=0衬底n 型电中性区p 型电中性区空间电荷区结区电势、电场分布、结区宽度计算载流子的浓度和输运性质(2)线性复合近似，也称叠加近似：要求电中性区的复合率U与少子浓度成正比；衬底n 型电中性区p 型电中性区空间电荷区(1)耗尽近似：❑内建电场只存在于空间电荷区，空间电荷区没有自由载流子，内建电场完全有掺杂离子引起；❑电中性区，没有内建电场，多子浓度仍处于热平衡状态，少子浓度的变化引起电流J;求解出在光照下的电中性区和空间电荷区的载流子浓度和电流衬底n 型电中性区p 型电中性区空间电荷区⎰⎰==dEx E j x J dE x E j x J p p n n ),()(),()(空穴电流：电子电流：现在研究电中性区载流子的浓度及电流电中性区的载流子浓度和电流电子光谱电流j n (E,x)和空穴光谱电流j p (E,x)在太阳光谱上的积分pp w x x -<<衬底n 型电中性区p 型电中性区F=0F=0边界条件1通过表面复合完全弛豫衬底n 型电中性区p 型电中性区F=0F=0p 型区少子扩散电流边界条件2nnx w <=衬底n 型电中性区p 型电中性区F=0F=0边界条件1扩散电流空穴电流x E J ),(p =型区少子扩散电流衬底n 型电中性区p 型电中性区F=0F=0边界条件2光照条件下，大量电子从基态Ev受激吸收至激发态，并形成稳定的分布，最终达到准热平衡状态。
此时，导带化学势上升，价带化学势下降，两能级的化学势差。
μμ∆-=∆＝且ph q V E E p Fn F 空间电荷区的载流子浓度和电流空间电荷区电流dxU G q J npw w scr ⎰---=)(dEE j dE w E j dE w E j J w J w J w J w J J w x x scr n p p n n p p n p p p n p )(),(),(])([)()()(scr ⎰⎰⎰----=+---=----=-=流处的电流可以代表净电无关的常数，在位置净电流是与位置4.3 光生载流子的浓度与电流太阳电池净电流__()(,)(,)sc n ph p p ph n genj E j E w j E w j =-----短路电流dEE j J scsc )(0⎰∞=光谱短路电流非平衡少数载流子浓度关于位置的二阶常系数非齐次线性方程，现以p区为例求解方程根据载流子的复合可知，在电中性区载流子复合率与少子浓度成正比）。
《太阳能电池基础与应用》GaAs电池第一讲
ELO工艺
改进ELO工艺
III-V族半导体多结电池
多结电池结构
多结电池上下串联； 电池电流由子电流 最小者决定； 电池开路电压为子 电池开路电压之和。
VOC = VOC1 + VOC2 + … J = min (J1 + J2 + …)
电池结构
多结电池示意图
Cell 1
Cell 2
Cell 3
III-V族半导体应用
应用领域
GaAs及III-V族半导体基础
MOCVD
金属有机物化学气 相外延(MOCVD)， GaAs及III-V族太阳 电池的主流制备技 术。
设备原理图
商用衬底
材料制备
设备外观
多片衬底，适合大规模工业生产
GaAs及III-V族半导体基础
电学掺杂
电学掺杂
GaAs及III-V族半导体基础
电池效率表
GaAs及III-V族半导体基础
结构及光学特性
III-V族半导体均为 闪锌矿结构, 是目前 半导体光电子学的基 础材料。 直接带隙。GaAs 带隙~1.42eV，位于 太阳电池黄金带隙附 近。
GaAs及III-V族半导体基础
带隙-晶格参数关系
结构及光学特性
Ge
GaAs及III-V族半导体基础
AM0, 30.6%
III-V族半导体多结电池
1.0带隙问题
晶格匹配电池
GaInNAs材料与N相关 的本征缺陷多，质量差， 少子扩散长度小。 短路电流小，成为限制 电池（特别是三结电池） 性能的瓶颈因素。（电流 匹配）
III-V族半导体多结电池
晶格应变电池图示
特点:
1）电池间晶格参数不再完 全匹配； 2) 解决了InGaNAs电流限 制的问题；
《太阳能电池基础与应用》CIGS电池
电池效率表CuInSe2(CIS)：黄铜矿结构，高温时为闪锌矿结构；Cu(In,Ga)Se2(CIGS):通常最佳组分比Ga/(In+Ga)约为0.3。
CIS与CIGS结构CIS与CIGS光学性质制备方法:三步共蒸法三步共蒸法可形成Ga组分的双梯度分布；Cu、Se组分分布均匀；晶粒大，致密，呈柱状生长。
制备方法:后硒化法后硒化法易于精确控制化学计量比,对设备要求不高,产业化的首选工艺;Ga组分分布较难控制,很难形成双梯度组分分布结构；有时在表面用S代Se，形成宽带隙Cu(In,Ga)S2，以降低器件表面复合。
思考:（1）为什么需要CdS层？（2）i-ZnO层有必要吗？自反型异质结Mo背接触层；CIGS层；背光面：p型受光面：n型CdS缓冲层；ZnO窗口层(i+n)。
CIGS电池结构减反通常用MgF 2Ga/(In+Ga) 0.26 to 0.31CIGS电池效率发展趋势CIGS电池实验室效率快速增长，目前已达21.7%，超过多晶硅电池。
低成本工艺取得突破，柔性衬底CIGS电池效率高达20.4%。
CIGS电池成本变化趋势CIGS电池组件、BOS成本持续稳步下降，目前已经可以和晶硅电池竞争。
CIGS电池市场CIGS电池市场份额稳步提升，未来竞争力持续看好。
温度系数小室外工作特性较商用Si电池优异，应用前景更好！抗辐照能力强抗辐照性能远优于其它类型的太阳电池；空间应用前景好。
单片集成单片集成,相对于晶Si电池有巨大优势,有利于降低组件成本。
组件效率记录:16.5%,台湾TSMC。
能量损失机制（1）电极遮光损失；（2）反射损失；（3）ZnO窗口层吸收损失；（4）CdS缓冲层吸收损失；（5）CIGS带隙附近吸收不充分；（6）CIGS复合损失。
导带带阶(band offset)ΔE C略大于0非常有必要Ga组分双梯度提供背电场，抑制背面少子复合，减少电池点穴损失；优化光谱匹配，提高电池开压。
表面、晶界贫Cu对电池结构而言，表面贫Cu可形成自反型结构——形成pn结的前提；对材料（吸收层）而言，晶界贫Cu造成能带向下弯曲，空穴的天然势垒——抑制晶界复合；SKM及CAFM的实验证据（AM, 2015）。
《太阳能电池》课件
交通工具用电
太阳能汽车
利用太阳能电池板为电动汽车提供动力，减少对传统能源的依赖。
太阳能飞机
在飞机上安装太阳能电池板，为飞机提供辅助动力，减少燃油消耗。
04
太阳能电池的优缺点
优点
环保性
太阳能电池利用太阳能 进行发电，不产生任何 污染物，对环境友好。
可持续性
太阳能资源丰富，且可 再生，使用太阳能电池 有助于实现能源的可持
多元化应用
除了家庭和工业应用外，太阳 能电池在交通、航空航天等领
域的应用也将得到拓展。
05
太阳能电池的制造与维护
制造过程
制造流程
制造设备
从原材料的选取、加工、组装到成品 测试，太阳能电池的制造过程需要经 过多个环节。
制造太阳能电池需要一系列专业设备 ，包括晶体生长炉、表面处理设备、 电极制备设备等。
更换损坏组件
对于损坏或老化严重的组件，需要及时更换，以保证整个系统的 稳定性和效率。
使用注意事项
安装角度与方向
安装太阳能电池板时，应考虑当地的气候和太阳高度角，使电池 板与太阳光垂直，以获得最大的能量转换效率。
避免遮挡
确保太阳能电池板周围没有遮挡物，以免影响光线的照射和能量的 转换。
定期检查系统
定期检查整个太阳能发电系统，包括电池板、控制器和储能设备等 ，确保系统正常运行并延长使用寿命。
商业用电
商业屋顶光伏电站
大型商业建筑如商场、办公楼等可安 装太阳能电池板，满足部分电力需求 ，降低运营成本。
光伏照明系统
太阳能路灯、景观灯等为商业区提供 照明，节能环保且维护成本低。
公共设施用电
01
公共建筑如图书馆、博物馆等可 利用太阳能电池板提供部分电力 ，降低建筑运营成本。
《太阳能电池基础与应用》有机太阳能电池基本理论知识-第一部分
材料设计 电荷分离与传输
界面工程 形貌优化
三元体系 叠层结构
L. Y. Lu and L. P. Yu et al., Chem. Rev., 115,12666 (2015).
39
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40
HTL (PEDOT:PSS) ITO/Glass
能级排布
电子
给体 受体
ITO PEDOT:PSS 空穴 阳极
Ca Al 阴极
p‐型传输层: PEDOT:PSS, MoO3, V2O5 and NiO et al. n‐型传输层: ZnO, TiO2, polyeltr 反型结构较正型结构具有更好的稳定性。
超快光谱分析， 超快电荷转移
Light Dark
Light Dark
ITO/MEH‐PPV:PC61BM/Al 2.9% PCE
ITO/MEH‐PPV/Al ~0.02% PCE
G. Yu et al., Science, 270, 1789 (1995).
29
体异质结太阳能电池概念的提出
体异质结能够高效地实现激子的分离。
Tang, C. W.; Vanslyke, S. A. (1987). "Organic electroluminescent diodes". Applied Physics Letters 51 (12): 913.
23
有机发光二极管的应用
24
有机太阳能电池的研究历史
肖特基结太阳能电池 Al, Mg, Ca
16
有机半导体导电机制
电荷在有机半导体材料中的传输
17
典型有机半导体
典型的π-共轭的小分子和聚合物
《太阳能电池基础与应用》有机太阳能电池-第二部分
有机太阳能电池中的几个关键问题材料设计电荷分离与传输界面工程形貌优化三元体系叠层结构表面等离激元增强1.退火方法(Annealing)2.溶剂退火(Solvent annealing)3.高沸点溶剂(二氯苯，萘等)4.高沸点添加剂(1, 8-Diiodooctane)W. L. Ma et al., Adv. Funct. Mater. 15, 1617 (2005).1.退火方法(Annealing)1.退火方法(Annealing)退火方法(Annealing)能改变聚合物和富勒烯的结晶性能，从而改变体异质结的形貌，但超过聚合物的玻璃化温度会损害器件性能。
W. L. Ma et al., Adv. Funct. Mater. 15, 1617 (2005).2. 溶剂退火G. Li, Y. Yang et al., Nature Materials 4, 864 ‐868 (2005）.控制溶剂挥发溶剂退火过程溶剂退火的过程实际上控制溶剂挥发的速率，从而控制有机薄膜的生长过程。
一般称溶剂退火过程为薄膜自组织过程。
2. 溶剂退火薄膜生长影响电学性能G. Li, Y. Yang et al., Nature Materials 4, 864 ‐868 (2005).3. 溶剂对薄膜形貌的影响氯苯(Chlorbenzene, CB)，沸点132.2℃。
氯仿(Chloroform, CF), 沸点61℃二氯苯(dichlorbenzene, DCB), 180.4℃J. Peet et al., Nat. Mater. 6, 497 (2007).4. 添加剂对薄膜形貌的影响吸收层制备：polymer(small molecular):fullerene mixture spin coating, and add some additive into the mixture4. 添加剂对薄膜形貌的影响Y. Y. Liang et al., Adv. Mater., 22, E135 (2010)形貌控制的方法4. 添加剂对薄膜形貌的影响Y. M. Sun et al., Nat. Mater., 11, 44 (2012). 非常规DIO的量提高了器件的性能！！！Sung Heum Park et. al.; Nature Photonics 3, 297 ‐302 (2009).TiO 2起到光学限制效应利用金属氧化物修饰阴极利用聚电解质修饰阴极，在金属和活性层之间形成一个偶极矩Nature photonics , 2012, 6, 591利用聚电解质修饰阴极，在金属和活性层之间形成一个偶极矩宽带隙有机材料1. 宽带隙有机材料（>1.7 eV以上）宽带隙材料表现出开路电压高，短路电流小。
太阳能电池的工作原理课件PPT
5500 K
- 表面辐射密度 63000 kW/m2
- 辐射能量
3.36 x 1024 MWh/a
- 大气层外太阳光谱分布分类与所占比例
紫外线:
＜380 nm ( 6.46% )
可见光: 380 - 780 nm (46.25%)
红外线:
＞780 nm (47.29%)
地球的数据
- 到太阳的平均距离
3. 光敏传感器 光照强度不同，电流大小也不一样。
§3-2 太阳电池的工作原理
通常应用的太阳电池是一种将光能直接转换成电能的 半导体器件，其基本构造是由半导体的P-N结组成。
3.2.1 P型和N型半导体
❖ 半导体 (semiconductor) *
➢ 定义：形成材料的电阻率界于金属与绝缘材料之间的材料。 ➢ 电阻率在某个温度范围内随温度升高而增加。 ➢ 电导率在10-4～104/（Ω.cm）之间。
Uoc U0 (1 T )
温度对太阳电池的影响
5—太阳入射角为48.
在太阳电池两端连接负载，实现了将光能向电能的转换。
1
12x1015 MWh/a
在一定温度和辐照度条件下，太阳电池在开路情况下的端电压，亦即伏安特性曲线与横坐标的交点所对应的电压，通常用UOC来表示。
- 表面温度
5500 K
§3-2 太阳电池的工作原理
η=UmIm/AtPin 式中： Um、Im----最大输出功率点的电压、电流； At ----包括栅线面积在内的太阳电池总面积； Pin ----单位面积入射光的功率。
【例3-1】某一面积为100cm2的太阳电池，测得其最大功率为1.5W，则 该电池的转换效率是多少？
解：
太阳电池转换效率 η =UmIm/AtPin
可再生能源概论左然第四章 太阳电池
光伏效应原理
光伏效应的三个主要步骤： （1）入射光子被P-N结附近的电 子吸收，产生非平衡的电子空穴对； （2）非平衡的电子和空穴从产 生处向势场区运动，这种运 动可以是由于多子的浓度扩 散，也可以是由于P-N结两侧 准中性区的微弱电场引起的 少子漂移； （3）非平衡的电子和空穴在势 场作用下分离，向相反方向 运动。
F(x) F(0)e- x
F(0)为表面（x=0）的光通量，α为吸收系数，它是材料的禁带宽度 和入射光能量（或波长）的函数。
光子进入半导体内部（与表面距离x）的吸收率（即单位 体积载流子的产生率）为 ：
dF -x g(x) F(0)e dx
光 吸 的收 函系 数数 关与 系光 能 量
太阳电池的工作特性与功率输出
太阳电池的等效电路：(a) 理想等效电路；(b) 实际等效电路。
理想的太阳电池正常工作时，可以用一个电流为Isc的恒 流电源与一个正向二极管（P-N结）并联的等效电路来代 表，如（a）所示；而实际的太阳电池存在着自身的串联 电阻RS和旁路电阻RP，它使输出的I-V特性发生改变，如 （b）所示。
影响转换效率的主要因素
能带间隙Eg 能带间隙Eg的增大使得能产生光生载流子的光子数减少， 导致短路电流Isc的减少。但另一方面，开路电压Voc随 Eg的增大而增大。因此，带隙对转换效率的影响是双向 的。 温度T 从下图也可看出，随着温度T的增加，效率η下降。这 是由于温度上升，载流子的寿命缩短，导致Isc和Voc均 有所下降。
实际的太阳电池存在着自身的串联电阻RS和旁路电阻RP， 它使输出的I-V特性发生改变。其中串联电阻RS是上下电 极与P-N结之间的接触电阻和电池的体电阻的总和，旁路 电阻Rp是由于表面漏电流引起。串联电阻增大导致太阳电 池的短路电流和填充因子降低，旁路电阻减小会使填充因 子和开路电压降低，但对短路电流没有影响。 考虑到串联电阻Rs和旁路电阻Rp的实际的I-V特性公式为
《太阳能电池》PPT课件
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6
太阳能电池的原理
• 最基本的原理——光伏效应(Photovoltaic Effect缩写PV)
• 太阳能电池(光伏)材料主要包括：产生光 伏 效应的半导体材料、薄膜衬底材料、减反 射膜材料、电极与导线材料、组件封装材 料等。
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7
• 电池的分类 单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 薄膜光伏电池
目前对于某一种光电池材料，只是与其对应的光 谱段。所以，对单晶硅能量转化的效率的理论极限为 27.8%。太阳光中有大量的低能长波光子，降低了太阳 能电池的效率。
提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考 虑的两个因素，对于目前的硅系太能电池，要想再进 一步提高转换效率是比较困难的。
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新型太阳能电池 ——铁电太阳能电池
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8
单晶硅太阳能电池
• P型晶体硅经过掺杂磷可 得N型硅，形成P－N结。
• 当光线照射太阳电池 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PN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。
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在军事上的应用
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在航空领域的应用
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卫星上的太阳能电池
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在生活中的应用
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汽车上的太阳能电池
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电动玩具上的太阳能电池
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19
在公共设施上的应用
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在工农业上的应用
《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-1
载流子运动/能带的角度如何理解
4.2 太阳电池的性能表征
短路电流Isc
如 将 p-n 结 短 路 （ V=0 ） ， 这时所得的电流为短路电 流Isc ， 短 路 电 流 等 于 光 生 电流（与太阳能电池的面积大
小有关，面积越大，Isc 越大）
电池能提供的最大电流，与载流子的产生 与收集有关，包括：
J(V) Jsc Jdark Jsh
Vsh V AJRs
J0
J sc eqVoc/k BTa
1
J=Jph-Jdark-Jsh
J(V)
J sc
J0
e q[V AJ (V ) Rs ] / kBTa
1
V
AJ (V )Rs ARsh
考虑了寄生电阻后太阳电池的I-V关系
eqV/K B T eqVoc/K B T
1
1
不考虑寄生电阻的 太阳电池等效电路
伏安特性方程
4.2 太阳电池的性能表征
传输到负载上的功率为：
P(V )
VJ(V)
VJsc 1
eqV/K B Ta eqVoc/K B Ta
1 1
通过令P的导数为零，可得负载上最大功率时的电流电压值
Voc
4.2 太阳电池的性能表征
太阳电池最大功率输出
I
太阳电池的伏安（电流I---电压V） 特性曲线是指在一定光照和环境 Isc
温度为300K的条件下，电流和
Im
电压的函数关系。
太阳电池的用途是将太阳光能转 换为电能，往往用功率密度P=IV； 来衡量电能的大小
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4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
光谱失配误差计算
光谱失配误差= 0 FT ,AM1.5 () FS,AM1.5 () B() 1 d
(3.3.1)
式 (3.3.1)中：FT ,AM 1.5 () FS,AM 1.5 ( )
分别是被测电池（T）和标准电池（S）在AM1.5状态下的相对光谱电流，即光谱电 流i(λ)与短路电流I之比：
光谱响应是指一定能量的单色光照 到光电池上，产生的光生载流子被 收集后形成的光生电流的大小。光
谱响应分为等能量光谱响应S()
（Spectral response）和等量子
光谱响应QE(Quantum efficiency)
表面温度：5760-6000K 中心温度：1.5×107 K 日冕层温度：5×106 K 质量：1.989×1030 kg 太阳每秒释放的能量：3.865×1026 J，相 当于每秒燃烧1.32×1016吨标准煤的能量
太阳的能量来源：太阳中心的热核反应！
4.5 太阳电池的测试技术-太阳辐射
将电磁波按其频率或波长的次序排列成谱，则称为电磁波谱。光是一种电磁 波，在空间传播的光能量是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做光子。
＋最小辐照度）×100％
辐照不稳定度的检测
测试平面上同一点的辐照度随时间改变时： 辐照不稳定度＝±（最大辐照度－最小辐照度）/（最大辐照度
＋最小辐照度）
光谱失配
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
光谱失配Biblioteka 模拟器产生光谱与AM1.5G的差异
标准太阳电池用于校准测试 光源的辐射照度
模拟阳光的辐照度只能用标准太阳电池来校准，不采用其他辐射 测量仪表。
() qA 2 EQE()Q()
sc
1
ܳሺߣሻ 为入射光子流谱密度，A为电池面积；q为电荷电量
内量子效率：吸收光子被转换的几率。
IQE() EQE() EQE() Abs 1 R() T ()
太阳能电池外量子效率，有时也 被叫做IPCE，也就是太阳能电池 光电转换效率(Incident-Photon-
10 200 300 390 455 492 577 597 622 760 5x103 6x103 4x104 106
4.5 太阳电池的测试技术-太阳辐射
几个重要名词
辐照度：通常称为“光强”，单位面积上接收电磁波辐射的功 率。常用P表示，单位为W/m2或mW/cm2
光谱辐照度：由波长λ处的单位波长间隔内的光辐射产生的辐照 度，W·m-2·m-1 。
AM0辐射
斯特潘玻尔兹曼定律
把太阳辐射看做5760K的黑体辐射，由 Psun_surf sTs4 得太阳表面的辐照度
AM1.5辐射
波长 (m)
Psun_surf 63.2MW / m 2
4.5 太阳电池的测试技术-太阳辐射
影响地球表面太阳辐射的各种因素
大气的组成可以分为三个部分：一是固定气体，包括氮、氧、 氩、氪、氢、氖、氦等气体；二是变动气体，包括水蒸气、二 氧化碳、臭氧等；三是固体尘埃，如烟、尘、微生物、花粉一 类的有机物、放射性微粒等。阳光穿过地球大气层时，至少衰 减了30％。
I dP d
4.5 太阳电池的测试技术-太阳辐射
在地球大气层之外，地球—-太阳平均距离处，垂直于太阳 光方向的单位面积上的辐射功率基本上为一常数，太阳光 谱几乎相当于6000K的黑体辐射光谱，这个辐射强度称为太 阳常数，或称此辐射为大气光学质量为零（AM0）的辐射。
太阳常数 1.353kW/m2
10-9
10-6
10-3
光
1
103
106
109
nm
m
mm
m
波长 / m
宇宙射线
X
紫
射线 射线 外
红 外
线
线
有荧光效应、 化学效应能， 能辨比细小差 别，消毒杀菌
极 远 远 近紫 蓝
可 见 光
绿 黄橙
微波
无线电波
热效应强， 可加热，一 切有温度的 物体都能发 射红外线
红 近中远
极
远 波长 / nm
IT ,AM 1.5 iT ,AM 1.5 ( )d,
I S,AM 1.5 iS,AM 1.5 ( )d
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
光谱失配误差计算
B(λ)-1定义为光谱，表示太阳模拟器光谱辐照度esim(λ)和 AM1.5的光谱辐照度eAM1.5(λ)的相对偏差.
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
测试条件
地面用太阳能电池国际标准：测试温度25±2oC,光源的光谱 辐照度1000W/m2,并具有标准的AM1.5太阳光谱辐照度分布。
航天用太阳能电池国际标准：测试温度25±1oC,光源的光谱 辐照度 1367W/m2,并具有标准的AM0太阳光谱辐照度分布。
在晴朗的气候条件下，当太阳透过大气层到达地面所经过的 路程为大气层厚度的1.5倍时，其光谱为标准地面太阳光谱， 简称AM1.5标准太阳光谱。此时太阳的天顶角为48.19°，原因 是这种情况在地面上比较有代表性。
造成衰减的原因：
1. 瑞利散射或大气中的分子引起的散 射。
2. 悬浮微粒和灰尘引起的散射。 3. 大气及其组成气体，特别是氧气、
臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
通过模拟太阳灯光照射到电池片表面， 测试太阳电池电流-电压特性曲线，同 时测定入射光辐照度以计算电池效率。 在标准光强下，测得太阳电池的IV 曲线，进而得出该电池的各项参数， 开路电压，短路电流，填充因子， 转换效率。
FT ,AM1.5 ()
iT ,AM 1.5 ( ) iT ,AM 1.5 ( )
iT ,AM 1.5 ()d
I T ,AM 1.5
FS,AM1.5 ()
i S,AM 1.5( ) iS,AM 1.5 ( )
iS,AM1.5 ( )d
I S ,AM 1.5
to-electron Conversion Efficiency)
4.5 太阳能电池测试-量子效率
光谱响应、量子效率
光谱响应被定义为：S(λ)=I(λ)/P(λ) 其中I为光电流，A/m2，P为单色光能量，W/m2
S() q EQE()
hc
S EQE () q
ref
hc
()
ref
为了减少这种误差，需选用具有与被测电池基本相同光谱响应的标准太 阳能电池来测量光源的辐照度。为保证标准太阳电池与被测太阳电池具 有基本相同的光谱响应特性，所选的用作池必须与被测太阳具有相同的 材料，有相同的电池结构并用相同的工艺条件制作。
对于新研制的太阳电池，由于其性能与工艺尚未稳定和定性，有时可选 用其他稳定的太阳能电池， 用适当的方法（如滤光片）使其光谱响应与 被测电池基本一致，亦可作为标准电池。例如：有机电池，钙钛矿电池 等新型太阳能电池，一般采用KG-5滤光的Si电池作为标准电池进行太阳 光谱的校准。
4.5 太阳能电池测试-量子效率
外量子效率：指入射光照射到光电器件上时，器件内产生的光生载
流子的对数与入射的光子数目的比值。它是一个小于1的无量纲数。 又分为外量子效率和内量子效率。对整个入射太阳光谱，每个波长 为 的入射光子对外电路提供一个电子的概率。
I I ()
EQE() sc qAQ( )
4.5 太阳电池的测试技术-太阳辐射
太阳常数
把太阳辐射看做5760K的黑体辐射，可计算得到地球大气层外 接收的太阳辐照度（太阳常数）为：
Ps (5760 K ) 1359 W / m 2
实测值：1353 W/m2
太阳辐射透过大气层到地面的情况有两种 直接辐射：由太阳直射到地面，中途不改变方向 间接辐射：是经过大气吸收，散射或经地面反射而改变方
光谱接近日光，但红 外线多些，用滤光片 滤掉
光斑不均匀，电路 复杂，价格贵，光 学积分设备复杂， 有效面积难做大
短时间光强强，光谱 特征比稳态氙灯好， 可得大面积均匀光斑
备注 简易型
简易型
精密太阳 能模拟器
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
辐照不均匀度的检测
不同点的辐照度而言 辐照不均匀度＝±（最大辐照度－最小辐照度）/（最大辐照度
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
太阳模拟器分类
稳态太阳模拟器、脉冲式太阳模拟器
类型 定义
优点
缺点
适合
稳态 工作时输出的辐 连续照射、稳定、光学、供电系 制造小面积
照度稳定不变 标准太阳光
统复杂庞大 太阳模拟器
脉冲 毫秒量级脉冲发 瞬间功率大 光
采集系统复杂 大面积测量
太阳光模拟器主机主要 有：1000W氙灯光源、反 射镜、光学积分器、快 门、AM1.5滤波片、准直 透镜等几部分组成。
标准太阳电池的类型：一级标准太阳电池：以与标准世界辐射计基准相一致的 辐射计或标准检测器为基准标定的标准太阳电池。二级标准太阳电池
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
光谱失配——光谱校准和标准电池的选取
不能选用光幅度计简单测试光强，光谱必须考虑。 由于太阳电池的响应 与入射光的波长有关，入射光的光谱分布将严重影响所测电池的响应。 如果采用对光谱无选择性的辐射计来测量太阳测量辐照度，由于光谱分 布的改变，会给测量的转换效率带来百分之几的误差。
头顶上方
AM0 AM1
AM1.5
大气层
Earth
太阳仰角 90° 60° 48.2° 30° 14.5° 8.3° 5.7°
大气质量 AM1.0 AM1.2 AM1.5 AM2.0 AM4.0 AM7.0 AM10
4.5 太阳电池的测试技术-太阳辐射