太阳能电池原理及分类

第二章太阳能电池原理及分类

主要内容

•半导体基本知识

•太阳能电池原理

•太阳能电池的几个基本参数

•太阳能电池的分类

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太阳能电池是以光伏效应为原理进行能量转换的光电

元件，它经太阳光照射后，可以将光的能量转换成电能。

光生伏特效应(Photovoltaic effect)：半导体在受到光照射时产生电动势的现象

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2.1 半导体基础知识

晶体硅的结构

沿对角线平移1/4

对角线套构而成

硅的晶体结构：金刚石结构

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半导体的导电特性

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能带模型

电子在共价键中的能量对应于其在价带的能量。电子在导带中是自由运动的。带隙的能量差反映了使电子脱离价带跃迁到导带所需的最小能量，只有电子进入导带才能产生电流，同时空穴在价带以相反于电子的方向运动，产生电流。

半导体的导电特性

本征半导体

本征半导体

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杂质半导体

杂质半导体

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以能级的观点而言，五价的磷原子占据了能级带隙中比较靠近导带的一个能级，因此只要微小的能量，就可使磷原子释放出电子到硅的导带上。

N 型半导体

杂质半导体

杂质半导体

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杂质半导体

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杂质半导体

P型半导体

以能级的观点而言，三价的硼

原子占据了能级带隙中比较靠

近价带的一个能级，因此只要

微小的能量，就可使硼原子释

放出空穴到硅的价带上。

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杂质半导体

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P-N结

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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

。

当光照射到P-N结上时，产生电子一空穴对，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区有过剩的空穴。它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。

2.2 太阳能电池原理

基本原理-光生伏特效应

基本原理-光生伏特效应

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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α，即要求入射光子的能量h ν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。

光照时电子-空穴对产生，光子能量E ph =hf, E ph >E g

常见半导体的能隙分布

产生光生电动势条件——光吸收

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光子能量超出禁带宽度Eg 的部分迅速以热量形式散失。

太阳能电池能够 响应的最大波长被半导体材料的禁带宽度限制，当禁带宽度在1.0-1.6ev 范围内，入射光的能量才有可能被最大限度地利用。

产生光生电动势条件——光吸收

产生光生电动势条件——载流子分离

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（或称光生压）。

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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。一部电子空穴对在被收集前就已经消失了。

在P-N 结区域电子与空穴的理想短路情况下的流动电子空穴对复合的一些可能模式，同时表示了未复合的载流子被收集的情况。

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范围内产生，收集的几率就比较大。

产生光生电动势条件——载流子分离

发电原理小结

2.3 太阳能电池的几个基本参数

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１、开路电压Voc

在p-n 结开路情况下（R=∞），此时pn 结端的电压即为开路电压Voc 。这时，I=0，即：I L =I F 。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(I L /I s +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：

I sc = I L

太阳能电池的基本参数

太阳能电池的基本参数

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，该点的电压和电流分别称为最佳工

作电压Vop和最佳工作电流Iop。填充因子

定义为：

FF = V op I op/V oc Isc= P max/V oc I sc

它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积在V oc和I sc所组成的矩形面积中

所占的百分比。FF越接近于1，太阳能电池性能越好。

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太阳能电池的基本参数

４、太阳能电池的能量转化效率η

其中Pin是入射光的能量密度，S为太阳能电池的面积，当S是整个太

阳能电池面积时，η称为实际转换效率，当S是指电池中的有效发电

面积时，η叫本征转换效率。表示入射的太阳光能量有多少能转换为

有效的电能。即：

η=（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）x100% = （V op x I op/P in x S）X100%

= V oc•I sc•FF/(P in •S)

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