PDF《第三章 太阳能电池的基本原理》

第三章 太阳能电池的基本原理 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. 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. 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,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. 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hν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. 右图是一些材料的 吸收曲线.可以发现GaAs和非晶硅的吸收系 数比单晶硅大得多,透 入深度只有1?m左右,即 几乎全部吸收入射光. 所以这两种电池都可以 做成薄膜,节省材料. 而硅太阳能电池,对太 阳光谱中长波长的光, 要求较厚的硅片(约100-

300 ?m ) 才能充分吸收;

对于短波长的光, 只在入射表面附近1 ?m 区域内就已充分吸收了.

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). 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. 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. 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. 玻璃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. 不锈钢衬底非晶硅太阳能电池 的典型结构如图所示.

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. p n 负载 光电流IL 结正向电流IF I 根据p-n结整流方 程,在正向偏压下,通过 结的正向电流为: IF=Is[exp(qV/kT)-1] 其中:V是光生电压,Is是 反向饱和电流. 设用一定强度的光照射光电池,因存在吸收,光强度 随着光透入的深度按指数律下降.因而光生载流子产生率也 随光照深入而减少,即产生率Q是x函数.为了简便起见, 用表示在结的扩散长度(Lp+Ln)内非平衡载流子的平 均产生率,并设扩散长度Lp内的空穴和Ln内的电子都能扩 散到p-n结面而进入另一边,这样光生电流IL应该是: IL = qA(Lp+Ln) 其中:A是p-n结面积,q为电子电量.光生电 流IL从n区流向p区,与IF反向. 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. 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.

2、描述太阳能电池的参数

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: 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

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 = VopIop VocIsc = Pmax VocIsc 它表示了最大输出功率点 所对应的矩形面积在Voc 和Isc所组成的矩形面积中 所占的百分比.特性好的 太阳能电池就是能获得较 大功率输出的太阳能电 池,也就是Voc,Isc和FF 乘积较大的电池.对于有 合适效率的电池,该值应 在0.70-0.85范围之内.

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% = (Vop x Iop/Pin x S)X100% = Voc?Isc?FF Pin ? S

三、太阳能电池的等效电路 等效电路是描述太阳能电池的最一般方法.

1、理想pn结太阳能电池的等效电路 理想pn结太阳能电池可以 用一恒定电流源Iph(光生电 流)及一理想二极管的并联 来表示.其等效电路如左图 所示.其电流电压关系满足 我们上一节所介绍的方程.. I = IF-IL = Is[exp(qV/kT)-1]-IL

2、pn结太阳能电池的实际等效电路 实际上,pn结太阳能电池存 在着Rs和Rsh的影响.其中, Rs 是由材料体电阻、薄层电阻、 电极接触电阻及电极本身传导 电流的电阻所构成的总串联电 阻. Rsh是在pn结形成的不完 全的部分所导致的漏电流,称 为旁路电阻或漏电电阻.这样 构成的等效电路如右图所示. 根据前面所示的等效电路,考虑到串联电阻Rs和旁路 电阻Rsh的影响.可以得到通过负载的电流电压关系为: I = IL-Is{exp[q(V+IRs)/kT]-1}-(V+IRs)/Rsh 上式是表示太阳能电池特性的一般公式,叫做超越 方程式. Rs值变大会影响电池伏安特性曲线偏离理想曲线, 使FF变小,Isc下降,因而效率也下降;

而旁路电阻Rsh变小,说明无光照时pn结反向漏电流变大,造成Voc下降, FF变小,因而效率下降. 下面我们来分析一下串联电阻Rs和漏电电阻Rs........