第10章-太阳能电池-1

最好 好
一般 较差 很差
≥ 6680 5850－6680 5000－5850 4200－5000
< 4200
≥ 5.1 4.5 – 5.1 3.8 – 4.5 3.2 – 3.8
< 3.2
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太阳能光伏发电的优缺点
优点
不受地域限制；安全可靠； 无噪声、无污染；不用水，不消耗燃料； 不需要架设远距离输电线路； 安装简单、方便，建设周期短； 分散建设，就地发电；便于分步实施。
Q2
Tc
Heat engine
图10.12 太阳能转 换效率示意图
Carnot
1
Th
Tc
3
4
1
300 4425

93%
(10.18)
Shockley-Queisser limit for single junction cell,1961
Henry limit for multijunction cells,1980
24
Solar radiation
4 5
23
1
Transmission
图10.13 太阳能电池中的主要损耗机理
1. Transmission 透射
2. Nonradiative recombination 非辐射复合
3. Radiative recombination 辐射复合
4. Thermalization (haverage Eg+kT)发热
in 1839.
图10.2 In 1941, Charpin， Fuller and Pearson produced a
Si cell at Bell Labs.
2
半导体pn结的光伏效应
图10.3 半导体 pn结的光伏效应是指在光 照下半导体pn结两端产生电位差的现象。 大多数太阳电池都是基于pn结的光伏效应。
5.
Spatial 间驰预
relaxation
energy
loss
(Eg+kT

qVr Limit (detailed balance limit*)
It is based on thermodynamics and includes four intrinsic losses
如辐射复合、俄歇复合、通过复合中心的复合(Shockley-
Read-Hall复合)等；同时，陷阱效应对少子寿命也起着重 要的作用。
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太阳电池的极限效率
受热力学第二定律限制，太阳电池极限效率η应为：
其中＝(卡T6诺s0和0)效0TKa率分，。别Ta为＝太310阳0K表TT，as面得光到球η温＝度9和5.电0 ％池，表即面所温谓度（C。10a令-r1nT3o)st
考虑到太阳电池表面存在热辐射，得到太阳电池的极限效率
为:

1
4 3
Ta Ts

1 3

Ta Ts
4
（10-14)
利用效T率s和或T技a同术样极限的效数率据。，得到η＝93.3％，即所谓Andsberg
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太阳能电池由材料带隙宽度Eg决定的极限效率。开路电压Voc 必须小于pn结的内建电势，它们还要小于带隙宽度Eg，即 eVoc≤eVbi≤Eg，而由（10-6)式决定Jsc/e。
通常AM1.5指AM1.5G光谱，温度为25C
16
光伏电池/组件的标准测试条件 太阳光强度： • 地面(标准测试)条件：1个大气压，25℃，
1KW/m2，或者100mW/cm2
• 太空条件下：136mW/cm2 或者 1.36KW/m2
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光伏参数与材料性质的关系
太阳电池的光伏参数依赖带隙宽度、杂质浓度、载流子迁移率 和少子寿命等。
缺点
成本高（每千瓦4万元，带蓄电池4－6万元）； 能量密度低（峰值辐射1KW/m2，满发电100瓦）； 发电时数低（每年满功率1500小时）； 不连续，受天气影响，存在储能问题。
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太阳电池及组件分类
按材料分类
晶体硅光伏电池及组件 非晶硅薄膜光伏电池及 组件 微晶硅薄膜光伏电池及 组件 纳晶硅薄膜光伏电池及 组件 硒光电池 化合物太阳电池:硫化镉、 硒铟铜、碲化镉、砷化 镓光伏电池及组件 染料电池…….
太阳核心每秒大约有700亿吨氢聚变成氦，每秒释放的能量 大约相当于3.9×1026焦耳。太阳表面温度约为5758K。太 阳光向四周外空间辐射穿越大约1.5亿公里 (太阳与地球的 平均距离) 后到达地球表面，在地表外层空间太阳光的强 度约为1366 W/m2。
太阳从诞生至今大约已经过了 46亿年，估计太阳寿命至少 还有50亿年。
12
图10.8 无光照和有光照时的能带图
pn结中，没有光照时在接触势垒的作用下pn结界面附近形
前成n了区一和个p势区的垒费区米。能接级触之势差垒：的高度b 等于pn结形成之
b = eVbi = EFn − EFp
（10-1)
式中e 为电子电荷，Vbi为pn结的内建电势。 电池的能量等于电子和空穴的准费米能级之差：
电池的短路电流密度Jsc的上限：
L g
Jsc e QNphddx
（10-7)
00
Nph度为，光λ子g 为流E密g对度应，的Q为波光长生。电电子池-的空短穴路对电的流几密率度，JLsc为可电以池表的示厚为：
g
Jsc e(Le Lh W) QNphd
（10-8)
Le＝ (Dee)/2，Lh=0 (Dhh) /2
如果光生电子-空穴对的几率小于1，则光生电子-空穴对的数
目小于能量大于Eg 的所有光子数Nph(Eg)。带隙为Eg的材料 的电池极限效率为：
max

Eg N ph (Eg ) I0
（10-15)
在AM0光谱下此极限效率对应的材料带隙宽度为1.07eV。对
于AM1.5光谱而言，此极限效率在1.0-1.4eV范围存在两个
Non-radiative recombination and Joule heating are not considered. It is therefore the limit for ideal solar cells. The maximum efficiency for single junction is only 31% under 1 sun.
eVoc = EFe − EFh
（10-2) 13
光电流密度、开路电压和光电转换效率
光电流密度Joc：pn结暗电流密度Jd与短路电流密度Jsc之差：
Joc＝Jd−Jsc＝Js exp[(eVoc/kT−1)-1]−Jsc
（10-3)
式中不小J依，s为赖不p于影n结电响反压光向的生饱常载和数流电，子流p的n密收结度集上。效的短率电路。压电变流化密只度改J变sc是Jd的一大个
异质电发得半出生导导开变率体路化等电电，都池压开是的：路位E条g置、件x电下的子将函亲电数合场。势差光χE照、－下有E异0效质对态结整密内个度的结N静构C和电积N场分V E，、0
(10.16) ∆n电和导∆p在为总光电生导电中子所和占空的穴比的例浓。度异，质(e结n半∆n导＋体e电p∆池p结)/ 构为的光
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图10.4 太阳能电池:光伏电池示意图
4
其它 太阳能发热
天然气 核能 水力 石油 煤炭
太阳能发电 风力
生物
图10.5 2000-2100全球各种能源的发展趋势 5
太阳光辐射
太阳是距地球最近的一颗恒星，其直径约139万公里。
太阳辐射的能量来源于太阳核心的热核聚变。4个氢原子聚 变成1个氦原子。对于“质子－质子”循环核聚变，反应 过程的质量亏损∆m＝4mH－mHe，按照爱因斯坦质能关 系∆E=∆mC2 (C为光速) 计算，相当于25MeV的能量。
为p区的电子寿命和n区的空穴寿命。通常，太阳电池采用
n+p或p+n结构，例如在p型硅(掺杂浓度NA)衬底上扩散磷 形成n+p结，此时反向饱和电流密度近似表示为：
Js


e
N
eLe A x10
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exp(
Eg kT
)
（10-12)
由此可见，Js和Voc在很大程度上取决于Eg，同时与少子寿命
密切相关。少子寿命依赖于太阳能电池中的各种复合机制，
开路电压：在开路条件下，Joc等于0，得到：
光电转换Vo效c 率 kηeT：l在n标JJs准sc 光强下电池的最大输出功率与（输10入-4)
光功率P0之比值： Voc J sc FF
P0
（10-5)
填充电因流子密F度F：乘电积池之F的比F 最: 大JJsm输cVVom出c 功率VmJm与开路电压和（短1路0-6)
按结构分类
同质结光伏电池及组件 异质结光伏电池及组件 肖特基结光伏电池及组 件 复合结光伏电池及组件 液结光伏电池及组件
按用途分类
空间光伏电池及组件 地面光伏电池及组件 光伏传感器
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太阳能光伏发电的优缺点
优点 不受地域限制；安全可靠； 无噪声、无污染；不用水，不消耗燃料； 不需要架设远距离输电线路； 安装简单、方便，建设周期短； 分散建设，就地发电；便于分步实施。
（10-9)
g
h e
c Eg
1.24 Eg
（10-10)
可见短路电流Jsc与少子扩散长度、少子寿命等都密切相关。
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电池的开路电压Voc密切依赖于Jsc/Js的比值，反向饱和电流
其中密( n度n0p/0pJJe和ss主和要ppen0n0/由分nhe0pp别)L决ne为结定p两e：区p侧h的n0 少L电h子子扩浓散度长和度n范区围的内空少穴子浓的度（复, 10合e和-1率1h)
当光跃迁能产量生大电于子Eg-的空光穴照对射。到如半果导这体些p光n结生上的时电，子电和子空 穴扩散到pn结的势垒区，则在内建电场的作用下， 电子被扫向n区，空穴被扫向p区，从而在n区形 成电子的积累，在p区形成空穴的积累，在pn结 两端产生光电压，p端为正极，n端为负极。