![]()
在线留言
|
然,Is取决于Eg、Ln、Lp、NA、ND和绝对温度T的巨细,一起也与光电池结构有关。 为了进步Voc,常常选用Eg大,少子寿数长及低电阻率(例如对硅单晶片选用0.2欧 姆厘米)的资料,代入适宜的半导体参数的数值,给出硅的最大Voc值约700mV左右 。 填充因子FF的考虑: 在抱负状况下,填充因子FF仅是开路电压Voc的函数,可用以下经历公式标明: Uoc-ln(Uoc+0.72)FF=Uoc+1Uoc=Voc(kT/q)1/2这样,当开路电压Voc的最大值 确认后,就可核算得到FF的最大值。 归纳上述成果,可得到作为带隙Eg的函数的最大转化功率,其成果示于下图中 。 关于单晶硅太阳能电池,理论上限是27%,现在研讨得到的最大值 为24%左右。GaAs太阳能电池的转化功率的理论上限为28.5% ,现在取得的最大值是24.7%。怎么进一步进步太阳能电池的转化功率是当时的研讨 课题,这也便是所谓的高功率化技能的开发。 2、影响太阳能电池转化功率的一些要素咱们前面介绍了太阳能电池转化功率的 理论值,这些理论值都是在抱负状况下得到的。而太阳能电池在光电能量转化进程 中,因为存在各种附加的能量丢失,实践功率比上述的理论极限功率低。下面以pn 结硅电池为例,介绍一些影响太阳能电池转化功率的要素。 光生电流的光学丢失: 太阳能电池的功率丢失中,有三种是归于光学丢失,其首要影响是下降了光生 电流值。反射丢失:从空气(或真空)笔直入射到半导体资料的光的反射。以硅为 例,在感兴趣的太阳光谱中,逾越30%的光能被的硅外表发射掉了。栅指电极 遮光丢失c:界说为栅指电极遮光面积在太阳能总面积中所占的百分比(见下图) 。对一般电池来说,c约为4%-15%。 透射丢失:假如电池厚度缺乏够大,某些能量适宜能被吸收的光子或许从电 池反面穿出。这决议了半导体资料之最小厚度。直接带隙半导体要求资料的厚度比 直接带隙的厚。如图为对硅和砷化镓的核算成果。 光生少子的搜集几率:在太阳能电池内,因为存在少子的复合,所发生的每一 个光生少量载流子不或许百分之百地被搜集起来。界说光激起少子中对太阳能电池 的短路电流有奉献的百分数为搜集几率。该参数决议于电池内个区域的复合机理,也 与电池结构与空间方位有关。 影响开路电压的实践要素: 决议开路电压Voc巨细的首要物理进程是半导体的复合。半导体复合率越高, 少子分散长度越短,Voc也就越低。体复合和外表复合都是重要的。在p-Si衬底中 ,影响非平衡少子总复合率的三种复合机理是:复合中心复合、俄歇复合及直接辐射 复合。总复合率首要取决三种复合中复合率最大的一个。例如:关于高质量的硅单 晶,当掺杂浓度高于1017cm-3时,则俄歇复合发生影响,使少子寿数下降。一般, 电池外表还存在外表复合,外表复合也会下降Voc值。 (复合中心复合、俄歇复合、直接辐射复合和外表复合?) 辐照效应: 使用在卫星上的太阳能电池遭到太空中高能离子辐射,体内发生缺点,使电池 输出功率逐步下降,或许影响其使用寿数。辐照发生的缺点,相当于复合中心。辐 照后增大了电池内部的少子复合率τ-1,即有:τ-1=τ0-1+K’式中τ0是辐照 前的寿数,K’是常数,是辐照通量。因为分散长度等于(Dτ)1/2,故上式可写 成:L-2=L0-2+K 对太阳能电池的研讨标明,n+p电池K=1.7x10-10,而p+n电池K=1.22x10-8, 前者比后者抗辐射才干大得多。为了改进辐射容量,可将锂掺入太阳能电池中。Li 可分散到辐射感生点缺点中,并与之结合起来,阻挠寿数减退。太空使用的太阳能 电池,一般都掩盖一块掺铈薄玻片,削减进入电池的高能粒子。 1 1本文由zfmfns0646奉献 本文由zhao168325奉献 page4
单晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。单晶硅太阳能电池一般是以p型Si为 衬底,分散n型杂质,构成如图(a)所示结构。为取出电流,p型衬底的整 个下外表涂银并烧结,以构成银电极,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通明导电薄膜,然后顺次用等离子体反响堆积p型、I型 和n型三层a-Si,接着再蒸涂金属电极铝,电池电流从通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堆积pin非晶硅层,其上再堆积通明导电薄膜,最终与单晶硅 电池相同制备梳状的银搜集电极。电池电流从下面的不锈钢和上面的梳状电极引 出。 二、太阳能电池的输出特性 1、光电池的电流电压特性 光电池作业时共有三股电流:光生电流IL,在光生电压V效果下的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。光电流IL结正向 电流IFpnIF=Is[exp(qV/kT)-1]I其间:V是光生电压,Is是反向饱和电流。根 据p-n结整流方程,在正向偏压下,经过结的正向电流为: 负载 设用必定强度的光照耀光电池,因存在吸收,光强度跟着光透入的深度按指数 律下降。因而光生载流子发生率也随光照深化而削减,即发生率Q是x函数。为了简洁 起见,用<Q>标明在结的分散长度(Lp+Ln)内非平衡载流子的均匀发生率,并设扩 散长度Lp内的空穴和Ln内的电子都能分散到p-n结面而进入另一边,这样光生电流IL 应该是:IL= q<Q>A(Lp+Ln) 其间: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,经过负载的电流应该是:I=IF-IL=Is[ex p(qV/kT)-1]-IL这便是负载电阻上电流与电压的联系,也便是光电池的伏安特性方 程。 左图别离是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线、描绘太阳能电池的参数 不论是一般的化学电池仍是太阳能电池,其输出特性一般都是用如下图所示的 电流-电压曲线来标明。由光电池的伏安特性曲线,能够得到描绘太阳能电池的四个 输出参数。 1、开路电压Voc在p-n结开路状况下(R=∞),此刻pn结两头的电压即为开路 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:kTln(ILVoc=qIs+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。明显,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作业点上的输出功率等于该点所 对应的矩形面积,其间只需一点是输出最大功率,称为最佳作业点,该点的电压和电 流别离称为最佳作业电压Vop和最佳作业电流Iop。VopIopP=max填充因子界说为 :FF=VocIscVocIsc它标明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便是能取得较大功率输出的 太阳能电池,也便是Voc,Isc和FF乘积较大的电池。关于有适宜功率的电池,该 值应在0.70-0.85规模之内。 4、太阳能电池的能量转化功率η标明入射的太阳光能量有多少能转化为有用 的电能。即:η=(太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率)x100%=(Vopx Iop/PinxS)X100%VocIscFF=PinS其间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称为实践转化功率,当S是指电池中的 有用发电面积时,η叫本征转化功率。 三、太阳能电池的等效电路 等效电路是描绘太阳能电池的最一般办法。1、抱负pn结太阳能电池的等效电路 page2
个下外表涂银并烧结,以构成银电极,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通明导电薄膜,然后顺次用等离子体反响堆积p型、I型 和n型三层a-Si,接着再蒸涂金属电极铝,电池电流从通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堆积pin非晶硅层,其上再堆积通明导电薄膜,最终与单晶硅 电池相同制备梳状的银搜集电极。电池电流从下面的不锈钢和上面的梳状电极引 出。 二、太阳能电池的输出特性 1、光电池的电流电压特性 光电池作业时共有三股电流:光生电流IL,在光生电压V效果下的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。光电流IL结正向 电流IFpnIF=Is[exp(qV/kT)-1]I其间:V是光生电压,Is是反向饱和电流。根 据p-n结整流方程,在正向偏压下,经过结的正向电流为: 负载 设用必定强度的光照耀光电池,因存在吸收,光强度跟着光透入的深度按指数 律下降。因而光生载流子发生率也随光照深化而削减,即发生率Q是x函数。为了简洁 起见,用<Q>标明在结的分散长度(Lp+Ln)内非平衡载流子的均匀发生率,并设扩 散长度Lp内的空穴和Ln内的电子都能分散到p-n结面而进入另一边,这样光生电流IL 应该是:IL= q<Q>A(Lp+Ln) 其间: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,经过负载的电流应该是:I=IF-IL=Is[ex p(qV/kT)-1]-IL这便是负载电阻上电流与电压的联系,也便是光电池的伏安特性方 程。 左图别离是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线、描绘太阳能电池的参数 不论是一般的化学电池仍是太阳能电池,其输出特性一般都是用如下图所示的 电流-电压曲线来标明。由光电池的伏安特性曲线,能够得到描绘太阳能电池的四个 输出参数。 1、开路电压Voc在p-n结开路状况下(R=∞),此刻pn结两头的电压即为开路 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:kTln(ILVoc=qIs+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。明显,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作业点上的输出功率等于该点所 对应的矩形面积,其间只需一点是输出最大功率,称为最佳作业点,该点的电压和电 流别离称为最佳作业电压Vop和最佳作业电流Iop。VopIopP=max填充因子界说为 :FF=VocIscVocIsc它标明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便是能取得较大功率输出的 太阳能电池,也便是Voc,Isc和FF乘积较大的电池。关于有适宜功率的电池,该 值应在0.70-0.85规模之内。 4、太阳能电池的能量转化功率η标明入射的太阳光能量有多少能转化为有用 的电能。即:η=(太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率)x100%=(Vopx Iop/PinxS)X100%VocIscFF=PinS其间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称为实践转化功率,当S是指电池中的 有用发电面积时,η叫本征转化功率。 三、太阳能电池的等效电路 等效电路是描绘太阳能电池的最一般办法。1、抱负pn结太阳能电池的等效电路 抱负pn结太阳能电池能够用一恒定电流源Iph(光生电流)及一抱负二极管的 page6
抱负pn结太阳能电池能够用一恒定电流源Iph(光生电流)及一抱负二极管的 并联来标明。其等效电路如左图所示。其电流电压联系满意咱们上一节所介绍的方 程。。=I[exp(qV/kT)-1]-II=I-I FLs L 2、pn结太阳能电池的实践等效电路 实践上,pn结太阳能电池存在着Rs和Rsh的影响。其间,Rs是由资料体电阻、 薄层电阻、电极触摸电阻及电极自身传导电流的电阻所构成的总串联电阻。Rsh 是在pn结构成的不彻底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。 依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。能够得到 经过负载的电流电压联系为:I=IL-Is{exp[q(V+IRs)/kT]-1}-(V+IRs)/Rsh上式是 标明太阳能电池特性的一般公式,叫做逾越方程式。Rs值变大会影响电池伏安特性 曲线违背抱负曲线,使FF变小,Isc下降,因而功率也下降;而旁路电阻Rsh变小, 阐明无光照时pn结反向漏电流变大,构成Voc下降,FF变小,因而功率下降。 下面咱们来剖析一下串联电阻Rs和漏电电阻Rsh对光电池功率的影响。依据图 示的电路,对同一个太阳能电池,当入射光强度较弱时,IL较小,二极管 电流和漏电流巨细相差不多,此刻,Rsh的影响较大。I=IL-Is[exp(qV/kT)-1 ]-V/Rsh 漏电电阻对光电池输出特性的影响可用右图标明。能够看出,漏电电 阻Rsh对光电流的影响较小,而对开路电压的影响较大。 入射光功率必定(100mW/cm2),并假定Voc=0.51V,Jsc=30mA/cm2,Rs=0。 当光照较强时,二极管电流远大于漏电电流,此刻,Rsh对光电池的影响较 小,而相反的,Rs的影响就变大起来。I=IL-Is{exp[q(V+RsI)/kT]-1}右图给出 了Rs对光电池输出特性的影响。能够看出光电池的输出特性跟着Rs有着较大的改动 ,并且Rs对开路电压的影响简直没有,但对短路电流却有很大的影响。入射光功 率必定(100mW/cm2),并假定Voc=0.51V,Jsc=30mA/cm2,Rsh=∞。 由前面剖析可知,当漏电电阻Rsh降到100欧姆以下时,对光电池的影响就不行 疏忽了。关于1cm2的硅电池,只需Rsh大于500欧姆,砷化镓电池Rsh大于1000欧 姆时,对输出特性的影响就不重要了。另一方面,当总串联电阻Rs增加到5欧姆时, 电池的转化功率就要下降30%,可见Rs的影响较大。最近关于硅电池,要求实用化的 产品的Rs要在0.5欧姆以下。 四、太阳能电池转化功率的理论上限 1、太阳能电池的理论功率 太阳能电池的理论功率由下式决议:η=VocIscFFPinS 当入射太阳光谱AM0或AM1.5确认今后,其值就取决于开路电压Voc、短路电流I sc和填充因子FF的最大值。 下面咱们就来别离考虑开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大值。 短路电流Isc的考虑: 咱们假定在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳能电池没有奉献,其间长波 限满意:λmax=1.24(m)/Eg(eV)而其余部分的光子,因其能量hν大于资料的禁带 宽度Eg,被资料吸收而激起电子-空穴对。假定其量子产额为1,并且被激起出的光 生少子在最抱负的状况下,百分之百地被搜集起来。在上述抱负的假定下,最大短路 电流值明显仅与资料带隙Eg有关,其核算成果如图所示。 在AMO和AM1.5光照耀下的最大短路电流值。 开路电压Voc的考虑: 开路电压Voc的最大值,在抱负状况下有下式决议:Voc=ILkTqln(Is+1 ) 式中IL是光生电流,在抱负状况即为上图所对应的最大短路电流。Is是二极管 反向饱和电流,其满意:Is=Aq(Dn/LnNA+Dp/LpND)ni2ni2=NcNvexp(-Eg/kT)显 page3
并联来标明。其等效电路如左图所示。其电流电压联系满意咱们上一节所介绍的方 程。。=I[exp(qV/kT)-1]-II=I-I FLs L 2、pn结太阳能电池的实践等效电路 实践上,pn结太阳能电池存在着Rs和Rsh的影响。其间,Rs是由资料体电阻、 薄层电阻、电极触摸电阻及电极自身传导电流的电阻所构成的总串联电阻。Rsh 是在pn结构成的不彻底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。 依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。能够得到 经过负载的电流电压联系为:I=IL-Is{exp[q(V+IRs)/kT]-1}-(V+IRs)/Rsh上式是 标明太阳能电池特性的一般公式,叫做逾越方程式。Rs值变大会影响电池伏安特性 曲线违背抱负曲线,使FF变小,Isc下降,因而功率也下降;而旁路电阻Rsh变小, 阐明无光照时pn结反向漏电流变大,构成Voc下降,FF变小,因而功率下降。 下面咱们来剖析一下串联电阻Rs和漏电电阻Rsh对光电池功率的影响。依据图 示的电路,对同一个太阳能电池,当入射光强度较弱时,IL较小,二极管 电流和漏电流巨细相差不多,此刻,Rsh的影响较大。I=IL-Is[exp(qV/kT)-1 ]-V/Rsh 漏电电阻对光电池输出特性的影响可用右图标明。能够看出,漏电电 阻Rsh对光电流的影响较小,而对开路电压的影响较大。 入射光功率必定(100mW/cm2),并假定Voc=0.51V,Jsc=30mA/cm2,Rs=0。 当光照较强时,二极管电流远大于漏电电流,此刻,Rsh对光电池的影响较 小,而相反的,Rs的影响就变大起来。I=IL-Is{exp[q(V+RsI)/kT]-1}右图给出 了Rs对光电池输出特性的影响。能够看出光电池的输出特性跟着Rs有着较大的改动 ,并且Rs对开路电压的影响简直没有,但对短路电流却有很大的影响。入射光功 率必定(100mW/cm2),并假定Voc=0.51V,Jsc=30mA/cm2,Rsh=∞。 由前面剖析可知,当漏电电阻Rsh降到100欧姆以下时,对光电池的影响就不行 疏忽了。关于1cm2的硅电池,只需Rsh大于500欧姆,砷化镓电池Rsh大于1000欧 姆时,对输出特性的影响就不重要了。另一方面,当总串联电阻Rs增加到5欧姆时, 电池的转化功率就要下降30%,可见Rs的影响较大。最近关于硅电池,要求实用化的 产品的Rs要在0.5欧姆以下。 四、太阳能电池转化功率的理论上限 1、太阳能电池的理论功率 太阳能电池的理论功率由下式决议:η=VocIscFFPinS 当入射太阳光谱AM0或AM1.5确认今后,其值就取决于开路电压Voc、短路电流I sc和填充因子FF的最大值。 下面咱们就来别离考虑开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大值。 短路电流Isc的考虑: 咱们假定在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳能电池没有奉献,其间长波 限满意:λmax=1.24(m)/Eg(eV)而其余部分的光子,因其能量hν大于资料的禁带 宽度Eg,被资料吸收而激起电子-空穴对。假定其量子产额为1,并且被激起出的光 生少子在最抱负的状况下,百分之百地被搜集起来。在上述抱负的假定下,最大短路 电流值明显仅与资料带隙Eg有关,其核算成果如图所示。 在AMO和AM1.5光照耀下的最大短路电流值。 开路电压Voc的考虑: 开路电压Voc的最大值,在抱负状况下有下式决议:Voc=ILkTqln(Is+1 ) 式中IL是光生电流,在抱负状况即为上图所对应的最大短路电流。Is是二极管 反向饱和电流,其满意:Is=Aq(Dn/LnNA+Dp/LpND)ni2ni2=NcNvexp(-Eg/kT)显 然,Is取决于Eg、Ln、Lp、NA、ND和绝对温度T的巨细,一起也与光电池结构有关。 为了进步Voc,常常选用Eg大,少子寿数长及低电阻率(例如对硅单晶片选用0.2欧 page7
姆厘米)的资料,代入适宜的半导体参数的数值,给出硅的最大Voc值约700mV左右 。 填充因子FF的考虑: 在抱负状况下,填充因子FF仅是开路电压Voc的函数,可用以下经历公式标明: Uoc-ln(Uoc+0.72)FF=Uoc+1Uoc=Voc(kT/q)1/2这样,当开路电压Voc的最大值 确认后,就可核算得到FF的最大值。 归纳上述成果,可得到作为带隙Eg的函数的最大转化功率,其成果示于下图中 。 关于单晶硅太阳能电池,理论上限是27%,现在研讨得到的最大值 为24%左右。GaAs太阳能电池的转化功率的理论上限为28.5% ,现在取得的最大值是24.7%。怎么进一步进步太阳能电池的转化功率是当时的研讨 课题,这也便是所谓的高功率化技能的开发。 2、影响太阳能电池转化功率的一些要素咱们前面介绍了太阳能电池转化功率的 理论值,这些理论值都是在抱负状况下得到的。而太阳能电池在光电能量转化进程 中,因为存在各种附加的能量丢失,实践功率比上述的理论极限功率低。下面以pn 结硅电池为例,介绍一些影响太阳能电池转化功率的要素。 光生电流的光学丢失: 太阳能电池的功率丢失中,有三种是归于光学丢失,其首要影响是下降了光生 电流值。反射丢失:从空气(或真空)笔直入射到半导体资料的光的反射。以硅为 例,在感兴趣的太阳光谱中,逾越30%的光能被的硅外表发射掉了。栅指电极 遮光丢失c:界说为栅指电极遮光面积在太阳能总面积中所占的百分比(见下图) 。对一般电池来说,c约为4%-15%。 透射丢失:假如电池厚度缺乏够大,某些能量适宜能被吸收的光子或许从电 池反面穿出。这决议了半导体资料之最小厚度。直接带隙半导体要求资料的厚度比 直接带隙的厚。如图为对硅和砷化镓的核算成果。 光生少子的搜集几率:在太阳能电池内,因为存在少子的复合,所发生的每一 个光生少量载流子不或许百分之百地被搜集起来。界说光激起少子中对太阳能电池 的短路电流有奉献的百分数为搜集几率。该参数决议于电池内个区域的复合机理,也 与电池结构与空间方位有关。 影响开路电压的实践要素: 决议开路电压Voc巨细的首要物理进程是半导体的复合。半导体复合率越高, 少子分散长度越短,Voc也就越低。体复合和外表复合都是重要的。在p-Si衬底中 ,影响非平衡少子总复合率的三种复合机理是:复合中心复合、俄歇复合及直接辐射 复合。总复合率首要取决三种复合中复合率最大的一个。例如:关于高质量的硅单 晶,当掺杂浓度高于1017cm-3时,则俄歇复合发生影响,使少子寿数下降。一般, 电池外表还存在外表复合,外表复合也会下降Voc值。 (复合中心复合、俄歇复合、直接辐射复合和外表复合?) 辐照效应: 使用在卫星上的太阳能电池遭到太空中高能离子辐射,体内发生缺点,使电池 输出功率逐步下降,或许影响其使用寿数。辐照发生的缺点,相当于复合中心。辐 照后增大了电池内部的少子复合率τ-1,即有:τ-1=τ0-1+K’式中τ0是辐照 前的寿数,K’是常数,是辐照通量。因为分散长度等于(Dτ)1/2,故上式可写 成:L-2=L0-2+K 对太阳能电池的研讨标明,n+p电池K=1.7x10-10,而p+n电池K=1.22x10-8, 前者比后者抗辐射才干大得多。为了改进辐射容量,可将锂掺入太阳能电池中。Li 可分散到辐射感生点缺点中,并与之结合起来,阻挠寿数减退。太空使用的太阳能 电池,一般都掩盖一块掺铈薄玻片,削减进入电池的高能粒子。 1 1
本文由zfmfns0646奉献 本文由zhao168325奉献 pdf文档或许在WAP端阅读体会欠安。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机 检查。 第三章太阳能电池的根本原理 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根本作业原理、 结构及其特性剖析。 一、太阳能电池的结构和根本作业原理 下图暗示地画出了单晶硅pn结太阳能电池的结构,其包括上部电极,无反射薄 膜掩盖层,n型半导体,p型半导体以及下部电极和基板。 当有恰当波长的光照耀到这个pn结太阳能电池上后,因为光伏效应而在势垒区 两头发生了电动势。因而光伏效应是半导体电池完成光电转化的理论基础,也是某 些光电器材赖以作业的最重要的物理效应。因而,咱们将来仔细剖析一下pn结的光 伏效应。 设入射光笔直pn结面。假如结较浅,光子将进入pn结区,乃至更深 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头发生电 子-空穴对。在光激起下大都载流子浓度一般改动较小,而少量载流子浓度却改动很 大,因而应首要研讨光生少量载流子的运动。 无光照 光照激起 因为pn结势垒区内存在较强的内建电场(自n区指向p区),结两头的光生少量 载流子受该场的效果,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端电势下降,所以在p-n结两头构成了光生电动势, 这便是p-n结的光生伏特效应。因为光照在p-n结两头发生光生电动势,相当于在p-n 结两头加正向电压V,使势垒下降为qVD-qV,发生正向电流IF. 在pn结开路的状况下,光生电流和正向电流持平时,pn结两头建立起安稳的电势 差Voc,(p区相关于n区是正的),这便是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接 通,只需光照不中止,就会有连绵不断的电流经过电路,p-n结起了电源的效果。这 便是光电池的根本原理。 由上面剖析能够看出,为使半导体光电器材能发生光生电动势(或光生堆集电 荷),它们应该满意以下两个条件:1、半导体资料对必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大于或等于半导体资料的带隙Eg,使该 入射光子能被半导体吸收而激起出光生非平衡的电子空穴对。 右图是一些资料的吸收曲线。能够发现GaAs和非晶硅的吸收系数比单晶硅大 得多,透入深度只需1m左右,即简直悉数吸收入射光。所以这两种电池都能够做 成薄膜,节约资料。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100300m)才干充沛吸收;关于短波长的光,只在入射外表邻近1m区 域内就已充沛吸收了。 2、具有光伏结构,即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要效果是分 离了两种不同电荷的光生非平衡载流子,在p区内堆集了非平衡空穴,而在n区内堆集 起非平衡电子。发生了一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场,所以在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结能发生光生伏特效应外,金属-半导体构成的肖特基势垒层等其它 许多结构都能发生光生伏特效应。其电子进程和pn结相相似,都是使恰当波长的光照 射资料后在半导体的界面或外表发生光生载流子,在势垒区电场的效果下,光生电 子和空穴向相反的方向漂移然后相互别离,在器材两头堆集发生光生电压。 一般的发电体系如火力发电,便是焚烧石油或煤以其焚烧能来加热水,使之变 成蒸汽,推进发电机发电;原子能发电则是以核裂变放出的能量替代焚烧石油或煤 ,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,与传统办法是彻底不同,既没有马达旋转部分,也不会排出气体,是清洁 无污染的发电办法。 太阳能电池的结构 page1
pdf文档或许在WAP端阅读体会欠安。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机 检查。 第三章太阳能电池的根本原理 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根本作业原理、 结构及其特性剖析。 一、太阳能电池的结构和根本作业原理 下图暗示地画出了单晶硅pn结太阳能电池的结构,其包括上部电极,无反射薄 膜掩盖层,n型半导体,p型半导体以及下部电极和基板。 当有恰当波长的光照耀到这个pn结太阳能电池上后,因为光伏效应而在势垒区 两头发生了电动势。因而光伏效应是半导体电池完成光电转化的理论基础,也是某 些光电器材赖以作业的最重要的物理效应。因而,咱们将来仔细剖析一下pn结的光 伏效应。 设入射光笔直pn结面。假如结较浅,光子将进入pn结区,乃至更深 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头发生电 子-空穴对。在光激起下大都载流子浓度一般改动较小,而少量载流子浓度却改动很 大,因而应首要研讨光生少量载流子的运动。 无光照 光照激起 因为pn结势垒区内存在较强的内建电场(自n区指向p区),结两头的光生少量 载流子受该场的效果,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端电势下降,所以在p-n结两头构成了光生电动势, 这便是p-n结的光生伏特效应。因为光照在p-n结两头发生光生电动势,相当于在p-n 结两头加正向电压V,使势垒下降为qVD-qV,发生正向电流IF. 在pn结开路的状况下,光生电流和正向电流持平时,pn结两头建立起安稳的电势 差Voc,(p区相关于n区是正的),这便是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接 通,只需光照不中止,就会有连绵不断的电流经过电路,p-n结起了电源的效果。这 便是光电池的根本原理。 由上面剖析能够看出,为使半导体光电器材能发生光生电动势(或光生堆集电 荷),它们应该满意以下两个条件:1、半导体资料对必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大于或等于半导体资料的带隙Eg,使该 入射光子能被半导体吸收而激起出光生非平衡的电子空穴对。 右图是一些资料的吸收曲线。能够发现GaAs和非晶硅的吸收系数比单晶硅大 得多,透入深度只需1m左右,即简直悉数吸收入射光。所以这两种电池都能够做 成薄膜,节约资料。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100300m)才干充沛吸收;关于短波长的光,只在入射外表邻近1m区 域内就已充沛吸收了。 2、具有光伏结构,即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要效果是分 离了两种不同电荷的光生非平衡载流子,在p区内堆集了非平衡空穴,而在n区内堆集 起非平衡电子。发生了一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场,所以在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结能发生光生伏特效应外,金属-半导体构成的肖特基势垒层等其它 许多结构都能发生光生伏特效应。其电子进程和pn结相相似,都是使恰当波长的光照 射资料后在半导体的界面或外表发生光生载流子,在势垒区电场的效果下,光生电 子和空穴向相反的方向漂移然后相互别离,在器材两头堆集发生光生电压。 一般的发电体系如火力发电,便是焚烧石油或煤以其焚烧能来加热水,使之变 成蒸汽,推进发电机发电;原子能发电则是以核裂变放出的能量替代焚烧石油或煤 ,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,与传统办法是彻底不同,既没有马达旋转部分,也不会排出气体,是清洁 无污染的发电办法。 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。单晶硅太阳能电池一般是以p型Si为 衬底,分散n型杂质,构成如图(a)所示结构。为取出电流,p型衬底的整 page5
上一篇:太阳能电池片科普系列——多晶硅铸锭篇
下一篇:太阳能光伏体系技能
2023-May-01
2023-May-01
2023-May-01
2023-April-30
2023-April-30
2023-April-29