太阳能电池的结构和基本原理演示文稿
太阳能电池介绍课件PPT演示文稿
3.1 太阳能光伏发电原理
4. 禁带、价带和导带 电子只能在各能带内运动 ,能带之间的区域没有电子态, 这个区域叫做“禁带”,用Eg 表示。 完全被电子填满的能带称为“满带”,最高的满带容纳 价电子,称为“价带”,价带上面完全没有电子的称为“空 带”。 有的能带只有部分能级上有电子,一部分能级是空的。 这种部分填充的能带,在外电场的作用下,可以产生电流。
3.1 太阳能光伏发电原理
2.硅的晶体结构 (1)硅的原子结构 硅(Si)原子,原子序数14,原子核外14个电子,绕核运 动,分层排列:内层2个电子(满),第二层8个电子(满),第 三层4个电子(不满),如图3-1所示。
图3-1 硅的原子结构 及其原子能级
3.1 太阳能光伏发电原理
(2) 硅的晶体结构
3.1 太阳能光伏发电原理
5.电子和空穴 电子从价带跃迁到导带(自由电子)后,在价带中留下 一个空位,称为空穴,空穴移动也可形成电流。电子的这 种跃迁形成电子-空穴对。电子和空穴都称为载流子。 电子-空穴对不断产生, 又不断复合。
图3-5 具有一个断键的硅晶体
3.1 太阳能光伏发电原理
6. 掺杂半导体
太阳能电池介绍课件PPT演示文稿
第3章 太阳能光伏电池
太阳能光伏电池——太阳能 电能
3.1 太阳能光伏发电原理
3.1.1半导体基础知识
1.导体、绝缘体和半导体 (1)自由电子与自由电子浓度 物质由原子组成,原子由原子核和核外电子组成 ,电子 受原子核的作用,按一定的轨道绕核高速运动。能在晶体 中自由运动的电子,称为“自由电子”,它是导体导电的 电荷粒子。 自由电子浓度:单位体积中自由电子的数量,称为自由 电子浓度,用n表示,它是决定物体导电能力的主要因素之 一。
太阳能电池原理范文
太阳能电池原理范文太阳能电池是一种将太阳光能转化为电能的装置。
它是一种半导体器件,根据光伏效应原理工作。
在晴朗的阳光下,太阳光照射到太阳能电池表面,产生电子与空穴对。
通过合适的导线和电路布置,可以将产生的直流电能转化为有用的电能。
太阳能电池的基本结构通常是由两个半导体层构成,其中一个层被掺杂为p型,另一个层被掺杂为n型。
半导体的掺杂可以通过在原始材料中添加杂质元素来实现。
掺杂后的半导体中将产生多数载流子和少数载流子。
以p型层为例,它有许多绝缘层的正空穴,以及从n层移动过来的负电子。
当太阳能照射到太阳能电池的表面时,光子与半导体原子发生相互作用。
如果光子的能量大于半导体材料对能量吸收的门槛,光子将被吸收,将其能量传给被吸收的电子。
被激发的电子获得足够的能量以克服能带间隙并跃迁到导带。
这个过程使得原来的电子能带上留下空穴,从而产生一个电子-空穴对。
由于p型层具有许多正空穴,而n型层具有许多自由电子,新产生的电子和空穴将被电场力推到不同的区域,形成势差。
这个势差会引起电流的流动。
若将正极与p型层连接,负极与n型层连接,并将电路与电池连接,电流就会开始流动。
在太阳能电池中,不同的材料用于构成p型和n型层。
常用的材料包括硅、硒化铟、硫化镉等。
其中,硅是最广泛使用的材料,因为它具有稳定性好、物理性质可控且成本低廉等优点。
为了提高太阳能电池的效率,科学家和工程师们致力于改进太阳能电池的设计和制造工艺。
一种改善效率的方法是通过将多个太阳能电池组装在一起,形成太阳能电池组或太阳能电池阵列。
这种阵列可以在更广泛的光敏面积上接收太阳能,并提供更多的电能。
太阳能电池作为一种可再生能源的转换器,具有广泛的应用前景。
它可以用于为家庭和工业提供电力,也可以用于卫星和空间探测器等航天器的能源供应。
随着科学技术的不断发展,我们有望看到更高效、更持久、更美观的太阳能电池问世,进一步推动可再生能源的发展和利用。
《太阳能电池机理》PPT课件
精选ppt
1
目录
• 太阳能电池的基本原理 • 染料敏化太阳能电池
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2
可再生能源种类与储源量需求
水电
太阳能
1.2 x 105 TW
14 TW by 2050
33 TW by 2100
4.6 TW
风能
2-4 TW
地热能
9.7 TW
生物质能
海洋/潮汐能
2 TW
5-7 TW
• 总体来说不是重点
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DSC的主要研究方向
• 半导体纳晶电极
• 染料 • 电解质体系
提高电池效率
• 对电极
• 柔性电池 • 提高寿命和长期稳定型
电池实用化
• 大面积电池和电池阵列
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计算重点
• 半导体
– 导带位置 – 输运机制 – 复合反应速度 – 表面状态
• 染料
– 能带位置 – 激发态性质 – 聚集态性质
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光电转换第二步载流子 分离
• 载流子分离方式
– 体相电场分离载流子 – 界面电场分离载流子
• 电池的结构形式
– 平面型 – 互穿网络,微纳结构
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平面型结构
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互穿网络
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微纳结构
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不同结构比较
界面复合 本体复合 分离方式
平面结构 小
• 电解质
– 能级位置 – 复合反应速度 – 复原反应速度
• 电池新结构 • 新型能量转换机制
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太阳能电池的基本原理
太阳能电池的基本原理光-电直接转化是目前将太阳能转化为电能的最佳途径,它是将太阳辐射的光能直接转化为电能,实现这种转化的装置称为太阳能电池。
太阳能电池具有清洁性和灵活性等优点,它可大到百万千瓦的中型电站,也可小到只供一家之需的电池组,这是其他电源很难做到的。
本文举例介绍两类太阳能电池的基本结构及原理:无机硅太阳能电池和有机聚合物双层异质结太阳能电池。
一、硅太阳能电池硅太阳能电池的基本结构如图1所示,它的核心结构是N型硅/P型硅构成的活性层。
通过特殊工艺向硅晶体中掺入少量的三价硼(一般107个原子·cm-3~1019个原子·cm-3)就可以构成P(positive)型硅。
未掺杂的硅晶体中,每个硅原子通过共价键与周围4个硅原子相连。
掺入少量硼后,硼原子取代某些硅原子的位置,并且在这些硅原子的位置上也与周围4个硅原子形成共价键。
因为硼原子只有3个价电子,与周围4个硅原子成键时缺少1个电子,它需要从硅晶体中获取1个电子才能形成稳定结构。
结果,硼原子变成负离子,硅晶体中形成空穴(空穴带一个单位的正电荷)。
如果向硅晶体中掺入少量五价磷或者砷就构成了N(negative)型硅,例如掺入磷(107个原子·cm-3~1019个原子·cm-3)。
掺入的磷原子同样取代硅原子的位置,并与周围的4个硅原子形成共价键。
因为磷原子有5个价电子,成键后剩下1个价电子,这个电子受到的束缚力比共价键上的电子小得多,很容易脱离磷原子,成为自由电子,结果该磷原子成为正离子。
需要说明的是,P型和N型硅都是电中性的。
当把P型硅与N型硅通过一定方式结合在一起时,发生如图2所示的PN结形成过程。
在N区(N型硅一侧)与P区(P型硅一侧)的交界面附近,N区的自由电子较多空穴较少,P区则是空穴较多自由电子较少,这样在P区和N区之间出现空穴和自由电子的浓度差。
浓度差导致空穴从P区向N区扩散,自由电子从N区向P区扩散,二者在界面附近复合。
3.太阳光伏电池的原理与基本结构
光生空穴
(扫向方向)
光束
光生电子
(扫向方向)
光照射Pn结会产生光生电动势, 且光生电动势的正极在P侧, 光生电动势的负极在N侧。
n
光生电动势 负极
p
光生电动势 正极 (自建电场)
------这就是pn结的光生伏特效应。 【Pn结的光生伏特电势是非平衡的, 没有光照就没有光生电动势。 而Pn结的自建电场是半导体中 电子、空穴扩散、漂移动态平衡的结果, 是pn结的本性。】
孤岛现象的后果: 1)电网发生故障后,要对电网维修,但光伏系统仍单独给负载供电, 这就会发生设备和维修人员的安全事故。 2)电网发生故障后,光伏系统失去市电作为参考信号,会造成光伏输出 频率漂移而偏离市电频率(可能还产生一些谐波),将使一些对频率 敏感的负载受到损坏。 3) 在电网恢复的瞬间,由于电压相位不同,可能产生较大的突波电流, 造成有关设备的损害。 4).如光伏系统与三相电网连接,孤岛现象发生时,将形成欠相供电, 影响用户端三相负载的正常使用。
提高太阳电池效率的方法
1.最大功率跟踪
2.聚光
利用万用电表对太阳电池进行简易测量
1).开路电压Uoc 的测量 用万用电表的电压档,直接测量在标准辐射下 太阳电池的端电压。 2.短路电流Isc 的测量 用万用电表的电流档,直接测量在标准辐射下 太阳电池的短路电流。 3.最大输出功率点的寻找 A
大功率 可调电阻
半导体表面受光照射,有些光子的能量大于(或等于) 半导体的禁带宽度,当半导体的电子获得这些光子的能量后, 就会挣脱原子核的束缚,从价带跃迁到导带,同时在价带留 下一个空穴,于是,半导体内就会出现大量电子—空穴对, 造成半导体的导电性能有了大的变化。 -------这种现象称为内光电效应。
太阳能电池的结构与工作原理
太阳能电池的结构与工作原理太阳能电池是利用光电效应将光能转化为电能的一种设备。
其结构以及工作原理十分关键,本文将从多方面进行阐述。
一、太阳能电池的结构太阳能电池的主要结构是由P型半导体和N型半导体材料组成的PN结构。
其具体结构如下:(1)P型半导体层:由于P型半导体材料内部原子存在杂质,导致其内部有大量少子分布,因此呈现出正电导特性。
(2)N型半导体层:与P型半导体层相似,N型半导体材料内部原子也存在杂质,导致其内有大量多子分布,因此呈现出负电导特性。
(3)P-N结:当P型半导体层与N型半导体层相结合时,因其电子浓度相反,形成PN结。
PN结中含有少量的杂质离子,如磷、硅、锗等,在室温下可获得稳定性,并形成一定的空间电荷区,即反向漏电区,可以有效防止电子和空穴的复合,从而将光电转换效率提高到最高。
(4)金属电极:在P型半导体的顶部和N型半导体的底部,分别电浆贴附上一层金属电极,以加强电路连通性。
二、太阳能电池的工作原理太阳能电池是通过光电效应实现将光能转换为电能的。
当光线经过太阳能电池表面时,会被吸收,产生光电子激发,使电子跃迁到导带中,形成相应的空穴。
通过PN结的内部电场作用使空穴向P型半导体集中,电子向N型半导体集中,形成电动势。
在外部电路的作用下,电子流进入电路的负载,使得负载发生电流,从而实现转换效果。
在实际应用中,太阳能电池的转换效率与多种因素有关,如太阳能的强度与方向、电池板的温度与表面状况、电池板质量等因素。
同时,太阳能电池的制造也对其转换效率产生重要影响。
通过多样化材质结构的选择,制造出转换效率高、成本低、稳定性好的太阳能电池,对于太阳能电池的推广应用产生了积极推动作用。
三、太阳能电池的种类太阳能电池种类较多,根据主要材料不同,太阳能电池可分为硅太阳能电池和非硅太阳能电池。
其中,硅太阳能电池占据了市场主导地位,非硅太阳能电池虽然目前市场份额较小,但这种新型太阳能电池的研究及发展有着重要意义。
太阳能电池的构造和工作原理
太阳能电池的构造和工作原理太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的设备。
它由多个层次的构造组成,其中每一层的功能是不同的。
本文将从构造和工作两个方面,介绍太阳能电池的基本原理。
构造太阳能电池的主要构造是由P型硅、N型硅和P-N结等多个层次组成。
其中,P型硅具有电子富余,N型硅则具有电子不足。
在两种硅之间形成的P-N结,称为势垒。
当光照线进入太阳能电池的瞬间,P-N结上的电场就会形成一个电荷分离区,发生光致电势差,使得向阳光聚焦的半导体太阳能电池产生电池电位,电子在电场作用下被势垒吸收,因此形成了电荷对。
太阳能电池的构造分为三层,从上到下分别为:透明导电层、P型硅层、N型硅层。
透明导电层是将太阳光透过石英晶片引导到下方的硅层,同时它本身具有导电功能。
P型硅和N型硅层中间的界面就是P-N结。
它们之间的电场可以将太阳光聚焦到一起,以提高太阳能的转化效率。
当太阳光进入太阳能电池的时候,首先经过透明导电层,然后进入P型硅,再穿过N型硅,形成P-N 结上的电场,最后输出一个电荷对。
工作原理当阳光照射在太阳能电池上时,P-N结内的电子被光能激发,从而形成势垒。
正因为势垒的存在,使得太阳能电池可以把阳光转化成电能。
具体来说,当光线射入P型硅中的时候,会激发硅中原本基态的电子,使之进入激发态。
这些电子会被电场和电荷的作用力吸引,然后集中在P-N结上方的P型硅中。
此时,N型硅内部也会对受到阳光照射的区域产生电流。
当这些电子进入P-N结之后,就开始向外流动。
在这个过程中,N型硅内部的电子会被P型硅中的电子吸引而且流入P型硅。
这样,电子就从P型硅穿过P-N结流到N型硅,因此形成了一个电流。
总之,太阳能电池就是通过将光能转化为电能的过程来发电,其检思维尤为简单。
当阳光进入太阳能电池时,一些电子因光能被激活而获得了能量,将会流动生成电荷,并且形成一个能够输出用电的电路。
我们常常可以把太阳能电池用在各类电子设备当中,以供其工作。
太阳能电池原理PPT课件
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世界主要太阳电池新记录
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中国太阳电池实验室最高效率
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• 10. 填充因子(曲线因子)
太阳电池的最大功率与开路电压和
短路电流乘积之比,通常用FF(或 CF)表示:
FF = ImVm/ IscVoc • IscVoc是太阳电池的极限输出功率 • ImVm是太阳电池的最大输出功率
.
29
• 在n区,光生电子-空穴产生后, 光生空穴便向 p-n 结边界扩散,一 旦到达 p-n 结边界,便立即受到内 建电场的作用,在电场力作用下作 漂移运动,越过空间电荷区进入p 区,而光生电子(多数载流子)则 被留在n区。
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30
• p区中的光生电子也会向 p-n 结 边界扩散,并在到达 p-n 结边界 后,同样由于受到内建电场的作用
• 填充因子是表征太阳电池性能优 劣的一个重要参数。
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• 11. 电流温度系数
在规定的试验条件下,被测太阳 电池温度每变化10C ,太阳电池 短路电流的变化值,通常用α表示 。
• 对于一般晶体硅电池
α= + 0.1%/0C
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• 12. 电压温度系数
在规定的试验条件下,被测太阳电 池温度每变化10C ,太阳电池开路电
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非晶硅太阳电池
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• 2. 按照结构分类: • 同质结太阳电池 • 异质结太阳电池 • 肖特基结太阳电池 • 复合结太阳电池 • 液结太阳电池等
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6
• 3. 按照用途分类:
• 空间太阳电池:在人造卫星、宇宙飞船等 航天器上应用的太阳电池。由于使用环境 特殊,要求太阳电池具有效率高、重量轻 、耐辐照等性能。
《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
2太阳能电池原理及结构
2太阳能电池原理及结构2.1太阳能电池基本原理如图2.1所示为典型太阳能电池的简单示意图。
该电池受光面为高浓度掺杂的狭窄N区。
耗尽层(宽度W)一直延伸到P区,并在耗尽层形成一内建电场E。
0把连接N区的电极做成栅形或指形以提高光的吸收率和减小电池的表面电阻,在电池表面镀一层减反射膜以提高太阳光的利用率。
当光照射在电池上时,由于N区(宽度L)比较狭窄,能量大于禁带宽度Eng的大部分光子在耗尽层和P区(宽度L)被吸收,产生光生电子一空穴对 (EHP)。
ps在耗尽层的光生EHP立即被内建电场所分离,电子漂移到达N区形成负极性区s 域,同时空穴漂移到达P区形成正极性区域,于是通过接线在PN结两端形成了开路电压V。
如果连接了负载,那么N区的大量电子经过外电路工作,然后oc 到达P区与大量空穴复合。
其中,内建电场对分离光生EHP,在N区积累大量s[6]-[10]电子,在P区积累大量空穴起了关键作用。
因为没有电场的缘故,在P区被吸收的长波长光子激发的EHPs只能扩散到一定的区域。
则电子的平均扩散长度L可由( 2.1)表示,其中D为电子在P区的ee 扩散系数。
L,2D, eee(2.1)离耗尽层的距离在L范围内的那些电子能扩散到内建电场,并在内建电场e 的作用下漂移到N区,因此在P区产生的光生EHPs中,只有那些离耗尽层距离在L范围内的的少数 e图2.1 太阳能电池工作原理载流子(电子)才对光伏效应起作用。
一旦电子被扩散到耗尽区域,它将被E扫到oN区,增加该区的负电荷,空穴留在P区增加该区的正电荷。
而那些离耗尽层的长度大于L的光生EHPs都被复合损失掉了。
正因为此,少数载流子的扩散长度eL要尽可能的长,又由于在半导体硅中电子的扩散长度要比空穴长,所以这里选e择了以P区产生的电子为少数载流子的硅PN结。
同样,在N区由短波长光子激发产生的EHPS中只有那些离耗尽层距离小于扩散长度L的少数载流子(空穴)h 能到达耗尽层并被内建电场分离到P区。
太阳能电池的结构和基本原理演示文稿
玻璃衬底非
晶硅太阳能电池是先 在玻璃衬底上淀积透 明导电薄膜,然后依 次用等离子体反应沉 积p型、I型和n型三 层a-Si,接着再蒸涂 金属电极铝,电池电 流从透明导电薄膜和 电极铝引出。
第十四页,共21页。
不锈钢衬底非晶硅太阳能电池 的典型结构如图所示。
不锈钢衬底型太阳能电 池是在不锈钢衬底上沉 积pin非晶硅层,其上再 沉积透明导电薄膜,最 后与单晶硅电池一样制 备梳状的银收集电极。 电池电流从下面的不锈 钢和上面的梳状电极引 出。
端加正向电压 V,使势垒降低为qVD-qV,产生正向电流IF.
第七页,共21页。
在pn结开路的情况下,光生电流和正向电流相等时,p-n结两端建 立起稳定的电势差Voc,(p区相对于n区是正的),这就是光电池的开 路电压。如将pn结与外电路接通,只要光照不停止,就会有源源不断 的电流通过电路,p-n结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。
这时,I=0,即:IL=IF。将I=0代入光电池的电流电压方程, 得开路电压为:
Voc=
kT q
ln(
IL Is
+1)
2、短路电流Isc
如将pn结短路(V=0),因而IF=0,这时所得的电流 为短路电流Isc。显然,短路电流等于光生电流,即:
Isc = IL
第二十页,共21页。
3、填充因子FF
在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所对 应的矩形面积,其中只有一点是输出最大功率,称为最佳工作点,该
第六页,共21页。
无光照
光照激发
由于pn结势垒区内存在较强的内建电场(自n区指向p区), 结两边的光生少数载流子受该场的作用,各自向相反方向运动:p区 的电子穿过p-n结进入n区;n区的空穴进入p区,使p端电势升高,n端 电势降低,于是在p-n结两端形成了光生电动势,这就是p-n结的光生 伏特效应。由于光照在p-n结两端产生光生电动势,相当于在p-n结两
晶体硅太阳能电池结构及原理 ppt课件
3.2.3 背面场
• 如果太阳电池的厚度超过100um,由于背表面的复合作用不明显,因 而没有必要利用BSF结构,但对于薄膜电池,BSF效果就非常明显了。
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3.3.4 紫电池
• 紫外光太阳能电池是为了防止太阳能电池的表面(受光面)由于载流 子的复合而使效率减的电池。 紫电池采用很浅的扩散结,避免 “死层”的形成
•
19
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
•
20
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
• 单晶硅太阳能电池在不同入射角与不同防反射材质条件下的光反射率:
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
• 上电极
上电极的作用是将移动至表面的电子/空穴取出,以形成外部电流, 提供给外部负载。由于电极与硅材料接触,为了降低串联电阻,电 极与硅材料必须是良好的欧姆接触,既是电压与电流的线性关系。
• 电极图形设计:设计原则是使电池的输出最大。要兼顾两个方面: 使电池的串联电阻尽可能小,电池的光照作用面积尽可能大。
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
1. 电极材料的选择 (1) 能与 硅形成牢固的接触; (2) 这种接触应是欧姆接触,接触电阻小; (3) 有优良的导电性; (4) 纯度适当; (5) 化学稳定性好; (6) 容易被钨、钽、钼制成的电阻加热器蒸发; (7) 容易焊接,一般都要求能被锡焊; (8) 价格较低。
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3.3.4 紫电池
• 紫外光电池的浅结也会带来两个新问题: 采用浅结会提高表面薄层扩散电阻R,必然使电池的串联电阻Rs增大,
加大功率损失。所以用“密栅”措施进行补救。 应选择合适的减反膜与浅结密栅结构相配合,才能有效地提高短波光
谱响应。例如:用SiO2膜作减反膜,则它对0.4μm以下波长的光有较 大的吸收,而使总的短波光谱响应的提高仍然受到影响。若改用Ta2O5 膜或用ZnS/MgF双层减反膜,都可以得到较好的结果 • 因而与常规电池相比,紫外光太阳能电池具有浅结、密栅及“死层” 薄的特征(如前图(b)所示),这种电池对短波长的光有特别高的灵敏 度。
太阳能电池的结构和基本原理
在pn结开路的情况下,光生电流和正向电流相等时,pn结两端建立起稳定的电势差Voc,(p区相对于n区是正的), 这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通,只要光照 不停止,就会有源源不断的电流通过电路,p-n 结起了电源的 作用。这就是光电池的基本原理。
由上面分析可以看出,为使半导体光电器 件能产生光生电动势(或光生积累电荷),它们 应该满足以下两个条件: 1、半导体材料对一定波长的入射光有足够大 的光吸收系数,即要求入射光子的能量h大 于或等于半导体材料的带隙 Eg ,使该入射光 子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电 子空穴对。
太阳能电池的结构
单晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。 单晶硅太 阳能电池通常是 以 p 型 Si 为衬底, 扩散 n 型杂质,形 成 如 图 (a) 所 示 结 构。为取出电流, p 型衬底的整个下 表面涂银并烧结, 以形成银电极, 接通两电极即能 得到电流。
玻璃衬底非晶硅太阳能电池的 典型结构如图所示。 玻璃衬底非 晶硅太阳能电池是 先在玻璃衬底上淀 积透明导电薄膜, 然后依次用等离子 体反应沉积 p 型、 I 型和 n 型三层 a-Si , 接着再蒸涂金属电 极铝,电池电流从 透明导电薄膜和电 极铝引出。
左图分别 是无光照和有光 照时的光电池的 伏安特性曲线。
2、描述太阳能电池的参数
不论是一般的化学电池还是太阳能电池,其输出特性 一般都是用如下图所示的电流-电压曲线来表示。由光电池 的伏安特性曲线,可以得到描述太阳能电池的四个输出参数。
1、开路电压Voc
在p-n结开路情况下(R=),此时pn结两端的电 压即为开路电压Voc。 这时,I=0,即:IL=IF。将I=0代入光电池的电流 电压方程,得开路电压为: kT ln( IL Voc= q Is +1) 2、短路电流Isc 如将pn结短路(V=0),因而IF=0,这时所得的 电流为短路电流Isc。显然,短路电流等于光生电流, 即: Isc = IL
太阳电池的原理及结构演示文稿
为了避免隧穿效应的影响,在 钝化层中利用光刻技术刻出一 个个接触微窗(小于接触电极 面积),使金属与n+-Si直接接
触以提高光电流的收集效率。同时 也可减少金属电极的覆盖率。
在这种电池结构中,为了进一步减少受光面的界面复合和光 学损失,采用了倒金字塔型减反结构,并在其上加上极薄SiO2层 ,再在其上覆盖双层减反膜以达到最佳减反效果。同时,在里电极 上也加入极薄氧化层进行钝化以减弱背面复合,在钝化膜上刻出引 入电极的窗口,利用窗口进行定域B扩散形成背电场,再将电极金 属覆盖上形成电池。这种结构的太阳能电池达到了单晶硅太阳能 电池的最高转换效率,在AM1.5的光照下效率可达24%以上。
体,将磷源携带进入反应系统,在800~1000℃之间分解, 生成P2O5,沉积在硅片表面形成磷硅玻璃,作为硅片磷扩散
的磷源,其反应式为:
5POCl3 = 3PCl5 + P2O5
2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P
对于晶体硅太阳电池,为使p-n结处有尽量多的光线到 达,p-n结的结深要尽量浅,一般为250nm,甚至更浅。
1)
短路电流:
I sc I L
上图分别是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线
第七页,共38页。
从上面的分析可以看出,任何光伏组件 如要成功运作,其必须具有以下三个条件:
① 入射光子被吸收产生电子-空穴对 hγ> Eg
② 电子-空穴对在复合之前被分开 内建电场
p-n结存在
③ 分开的电子和空穴传输至负载 连接导线
第二十三页,共38页。
背电场技术:
为防止在衬底的背面附近由于载流子的复 合引起效率的减少,在背面实现与衬底同类型 的高浓度掺杂的太阳能电池。例如在p-Si衬底背
有机太阳能电池的结构和基本工作原理
有机太阳能电池的结构和基本工作原理
有机太阳能电池是一种新型的太阳能电池技术,其结构和基本工作原理如下:
1. 结构:
有机太阳能电池由多层薄膜组成,包括透明导电玻璃基底、导电层、有机半导体薄膜、阳极和阴极层等。
2. 基本工作原理:
(1)太阳光吸收:有机太阳能电池中的有机半导体薄膜主要
起到吸收光能的作用,这些有机材料能够吸收较宽的光谱范围,包括可见光和红外光。
(2)载流子产生:当有机半导体吸收光能后,光能会激发材
料内部的分子,产生自由的电子和空穴(缺电子的位置)。
(3)电荷分离:产生的电子和空穴会被电场分离,电子朝阳
极流动,而空穴朝阴极流动。
这个过程主要依靠有机材料中的界面和电场效应。
(4)电流输出:通过电连接,阳极和阴极之间的电子流就可
以形成一个电流。
这个电流可以用来进行电力输送或供电。
需要注意的是,有机太阳能电池虽然具有制造成本低、制备过程简单等优势,但其效率相对较低,通常在光电转换效率上还有待改进。
太阳电池工作原理PPT课件
电池片比较薄,部分光线会直接穿透电 池片。不过现采用全背面印刷铝浆对这 损失有很大削弱。
半导体体内和表面的复合。
CHENLI
17
串联电阻
CHENLI
●● ● 硅金 金 材属 属 料电 与 体极 硅 电电 的 阻阻 接
触 电 阻
18
串联电阻
串联电阻表达式:
R s r m f r c 1 r t r b r c 2 r m b
13
太阳电池电性能参数
1. 开路电压 Voc 2. 短路电流 Isc 3. 串联电阻 Rs 4. 并联电阻 Rsh 5. 填充因子 FF
CHENLI
14
开路电压
对理想的P-N结电池
VOC
kT q
ln(IL I0
1)
最小饱和电流密度与禁带宽度的关系
I0
1.5105exp(Eg) kT
CHENLI
15
l为栅线长度;w为栅线宽度。对于铝背场形式
的背面电极,rsq通常为0.010~0.020Ω/□ 。 r m f 、r m b 即可算出结果。
CHENLI
20
串联电阻
金属半导体接触电阻:
4
rc
exp
sm*
h
B
ND
上 并 在N随 0ε.D6着sV是≥左N硅1D0右的的19的/增c介m金加电3时属迅常,材速数R料地,C将,下N主D当降是要硅。掺表的对杂现掺于浓为杂势度隧浓垒。道度高大效在度致应,
开路电压
对于硅,禁带宽度约为1.1ev,所得到最大Voc 约为700mV,相应的最高FF为0.84。
禁带宽度约为1.4~1.6ev,转化率会出现个峰 值,砷化镓具有接近最佳值的禁带宽度。
太阳能电池的基本原理及其结构
10
第二章 太陽能電池的基本原理及其結構 P
33
• 「光電效應 (Opto-Electronic Effect)」即是光能轉換
成電能的現象. • 電光效應 (Electro-Optical Effect)」是一種將電能轉 換成光能的物理現象. • 太陽電池元件以及發光二極體元件,均是含有兩個電極的
抗反射膜 (b) 非晶矽型或疊積型 ( 堆疊型 ) 太陽能電池構造
12
圖2-3
p-n接面型太陽能電池元件的基本結構及其組成
第二章 太陽能電池的基本原理及其結構 P
34
圖2-3
p-n接面型太陽能電池元件的基本結構及其組成
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第二章 太陽能電池的基本原理及其結構 P
34
接面區域 電子 p 型半導體 費米能階 n 型半導體 能隙 (Eg) 價電帶 電洞
5
第二章 太陽能電池的基本原理及其結構 P
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圖2-1 矽原子 的電子結構示意圖
6
第二章 太陽能電池的基本原理及其結構 P
31
• 當矽的外層軌域電子獲得的光能量大於1.1電子伏特,則 最外層軌域電子將形成自由電子以及電洞,此一物理現象 稱之為「光激發電子 - 電洞對 (Light-Generated Electron-Hole Pairs)」。電子 - 電洞對的數量大小將 對其電特性有很大的影響,當激發所衍生的電子 - 電洞 對數量愈多的話,則其導電效果就愈好的,而且輸出電流 也將愈大的,此一現象則是稱之為光導電效應 (Photo Conductive Effect)。除了吸收外來的光能量而產生電子 - 電洞對之外,吸收外來的熱能量,而產生電子 - 電洞 對的現象也有的,此一情形稱之為「熱激發電子 - 電洞 對 (Hot-Generated Electron-Hole Pairs)」。
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无光照
光照激发
由于pn结势垒区内存在较强的内建电场(自n区指向 p区),结两边的光生少数载流子受该场的作用,各自向相 反方向运动:p区的电子穿过p-n结进入n区;n区的空穴进 入p区,使p端电势升高,n端电势降低,于是在p-n结两端 形成了光生电动势,这就是p-n结的光生伏特效应。由于光 照在p-n结两端产生光生电动势,相当于在p-n结两端加正 向电压 V,使势垒降低为qVD-qV,产生正向电流IF.
在pn结开路的情况下,光生电流和正向电流相等时,pn结两端建立起稳定的电势差Voc,(p区相对于n区是正的), 这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通,只要光照 不停止,就会有源源不断的电流通过电路,p-n结起了电源的 作用。这就是光电池的基本原理。
由上面分析可以看出,为使半导体光电器 件能产生光生电动势(或光生积累电荷),它们 应该满足以下两个条件:
二、太阳能电池的输出特性
1、光电池的电流电压特性
光电池工作时共有三股电流:光生电流IL,在光生电 压V作用下的pn结正向电流IF,流经外电路的电流I。IL和IF都 流经pn结内部,但方向相反。
光结电正流向I电L 流IF
根据p-n结整流方程, 在正向偏压下,通过结的
正向电流为:
p
n
IF=Is[exp(qV/kT)-1]
当有适当波长的光照射到这个pn结太阳 能电池上后,由于光伏效应而在势垒区两边 产生了电动势。因而光伏效应是半导体电池 实现光电转换的理论基础,也是某些光电器 件赖以工作的最重要的物理效应。因此,我 们将来仔细分析一下pn结的光伏效应。
设入射光垂直pn结面。如果结较浅,光 子将进入pn结区,甚至更深入到半导体内部。 能量大于禁带宽度的光子,由本征吸收在结 的两边产生电子-空穴对。在光激发下多数载 流子浓度一般改变较小,而少数载流子浓度 却变化很大,因此应主要研究光生少数载流 子的运动。
1、半导体材料对一定波长的入射光有足够大 的光吸收系数,即要求入射光子的能量h大 于或等于半导体材料的带隙Eg,使该入射光 子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电 子空穴对。
2、具有光伏结构,即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒 区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子, 在p区内积累了非平衡空穴,而在n区内积累起非平衡电子。 产生了一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场,于是在p区 和n区间建立了光生电动势(或称光生电压)。
Voc=
kT q
ln(
IL Is
+1)
2、短路电流Isc 如将pn结短路(V=0),因而IF=0,这时所得的
电流为短路电流Isc。显然,短路电流等于光生电流, 即:
Isc = IL
除了上述pn结能产生光生伏特效应外,金属-半导体形成的 肖特基势垒层等其它许多结构都能产生光生伏特效应。其电子 过程和pn结相类似,都是使适当波长的光照射材料后在半导体 的界面或表面产生光生载流子,在势垒区电场的作用下,光生 电子和空穴向相反的方向漂移从而互相分离,在器件两端积累 产生光生电压。
通常的发电系统如火力发电,就是燃烧 石油或煤以其燃烧能来加热水,使之变成蒸汽, 推动发电机发电;原子能发电则是以核裂变放 出的能量代替燃烧石油或煤,而水力发电则是 利用水的落差能使发电机旋转而发电。
不论是一般的化学电池还是太阳能电池,其输出特性 一般都是用如下图所示的电流-电压曲线来表示。由光电池 的伏安特性曲线,可以得到描述太阳能电池的四个输出参数。
1、开路电压Voc
在p-n结开路情况下(R=),此时pn结两端的电 压即为开路电压Voc。
这时,I=0,即:IL=IF。将I=0代入光电池的电流 电压方程,得开路电压为:
太阳能电池的结构和基本原理 演示文稿
优选太阳能电池的结构和基本 原理Ppt
本章以单晶硅pn结太阳能电池为例, 介绍半导体太阳能电池的基本工作原理、 结构及其特性分析。
一、太阳能电池的结构和基本工作原理
下图示意地画出了单晶硅pn结太阳能电池的结构, 其包含上部电极,无反射薄膜覆盖层,n型半导体,p型半 导体以及下部电极和基板。
玻璃衬底非晶硅底非
晶硅太阳能电池是 先在玻璃衬底上淀 积透明导电薄膜, 然后依次用等离子 体反应沉积p型、I 型和n型三层a-Si, 接着再蒸涂金属电 极铝,电池电流从 透明导电薄膜和电 极铝引出。
不锈钢衬底非晶硅太阳能电池 的典型结构如图所示。
不锈钢衬底型太阳 能电池是在不锈钢 衬底上沉积pin非晶 硅层,其上再沉积 透明导电薄膜,最 后与单晶硅电池一 样制备梳状的银收 集电极。电池电流 从下面的不锈钢和 上面的梳状电极引 出。
太阳能电池发电的原理是全新的,与传 统方法是完全不同,既没有马达旋转部分,也 不会排出气体,是清洁无污染的发电方式。
太阳能电池的结构
单晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。
单晶硅太 阳能电池通常是 以 p 型 Si 为 衬 底 , 扩散n型杂质,形 成 如 图 (a) 所 示 结 构。为取出电流, p型衬底的整个下 表面涂银并烧结, 以形成银电极, 接通两电极即能 得到电流。
负载
I
其中:V是光生电压,Is是 反向饱和电流。
如光电池与负载电阻接成通路,通过负载的电流应 该是:
I = IF-IL = Is[exp(qV/kT)-1]-IL 这就是负载电阻上电流与电压的关系,也就是光电 池的伏安特性方程。
左图分别 是无光照和有光 照时的光电池的 伏安特性曲线。
2、描述太阳能电池的参数