晶体硅太阳能电池基本原理.ppt
晶体硅太阳电池基本原理 (仅供学习交流使用),沈 富 生 2011年2月初稿于上海光伏展会 2011年3月6日完稿于深圳,PN结的形成,目 录,太阳能电池的等效电路,光电转换原理,爱因斯坦划时代的光电理论,主要参考文献,半导体材料,爱因斯坦划时代的光电理论,20世纪最伟大的两个物理理论：相对论&量子力学 相对论（狭义相对论和广义相对论） 一人的创作 量子力学 多人的集体创作（以玻尔为首的哥本哈根学派，如玻恩、泡利、海森堡、狄拉克等成员）,爱因斯坦划时代的光电理论,狭义相对论（1905年发表） 光速不变，四维时空，否定经典力学的绝对时空观 。 E-MC2 物体跑得越快，则时间变得越慢，长度变得越短，重量变得越重。 广义相对论（1916年发表） 引力场，宇宙黑洞，宇宙的有限无界,爱因斯坦于1905年发表光量子论，提出光子假说 爱因斯坦公式：Dn=(kT/q)µn Dh=(kT/q)µh 爱因斯坦因为解释光电效应方面的理论 而不是因为发表相对论获得诺贝尔物理奖（1921年）,爱因斯坦划时代的光电理论,诺贝尔委员会的错误决定？ 诺贝尔委员会的正确决定！,爱因斯坦划时代的光电理论,半 导 体 材 料,固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、 半导体及导体。 绝缘体：玻璃、橡胶、塑料、石英等 半导体：锗、硅、砷化镓、硫化镉等 导体：金、银、铜、铝、铅、锡等,半导体的电阻率：10-4 10-7 欧姆·米,半 导 体 材 料,1、热敏 2、光敏 3、杂质 4、其它特性（ 温差电效应，霍尔效应， 发光效应，光伏效应，激光性能等）,半导体材料特性,半 导 体 材 料,半导体的能级/能带,导带,禁带,满带,固体,原子,Si1.1eV,半 导 体 材 料,满带（允带） ：被电子占满的能带 不导电,导带（允带） ：被电子部分占领的能带 导电,禁带：没有被电子占领的能带,价带：处于满带顶的能带,半 导 体 材 料,（a): 绝缘体 (b):半导体 (c):导体,半 导 体 材 料,半导体除了导电中的电子导电，还有价带上空穴的导电,半 导 体 材 料,硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有电子对就称为“共价键”。,共价键 共用电子对,半 导 体 材 料,半导体的掺杂 一、本征半导体 电子和空穴（载流子） Si在300K：1.5x1010/cm3 二、掺杂半导体：少量的掺杂可极大地增加载流子浓度 （常温时，Si：10-6 105） 1、N型半导体 2、P型半导体,半 导 体 材 料,1、N型半导体 在Si材料中掺入第V族元素 （P，As等） 多数载流子电子 少数载流子空穴,在Si材料中掺入第III族元素 （B, Al等） 多数载流子空隙 少数载流子电子,2、P型半导体,半 导 体 材 料,电阻率与杂质浓度有如下关系：,本征半导体：,P型半导体：,N型半导体：,扩散运动 因浓度差，载流子沿浓度梯度由高浓度向低浓度方向的运动。 漂移运动 受电场力的驱使，载流子沿由高电势向低电势方向的运动,PN结的形成,PN结的形成,N区：高浓度电子向低浓度P区扩散,P区：高浓度空穴向低浓度N区扩散,N区：电子是多子，空穴是少子。,P区：空穴是多子，电子是少子。,N区：电子（带负电）移动后留下正电荷,P区：空穴（带正电）移动后留下负电荷,以上为多数载流子由高浓度向低浓度区的扩散运动的过程,电场方向由N区指向P区,PN结的形成,N区：多子即电子被由N区指向P区的电场阻挡无法向P区做扩散运动， 少子即空穴在由N区指向P区的电场驱动下向P区做漂移运动。,电场方向由N区指向P区,电场方向由N区指向P区,P区：多子即空穴被由N区指向P区的电场阻挡无法向N区做扩散运动， 少子即电子在由N区指向P区的电场驱动下向N区做漂移运动。,以上为少数载流子由电场力驱动做漂移运动的过程,PN结的形成,空间电荷区即内建电场（势垒区、阻挡层）：阻碍多数载流子做扩散运动 驱动少数载流子做漂移运动,扩散运动和漂移动最终达到平衡，即扩散电流=漂移电流，此时建立了空间电荷区。,平衡载流子,处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度 是一定的，这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平 衡载流子浓度。,n0 p0= ni2,PN结的形成,光电转换过程,太阳能电池发电要求： 1、必须有光的照射，可以是太阳光、单色光或模拟光。 2、光子注入到半导体后激发出电子、空穴对，此对电子空穴 必须有足够长的寿命，确保在分离前不会复合消失； 3、必须有一个静电场，使电子、空穴分离； 4、必须有电极分别收集电子和空穴输出到电池体外形成电流。,光电转换过程,非平衡载流子（光照产生非平衡载流子）,光电转换过程,非平衡载流子平均生存的时间称为非平衡载流子的寿命。 由于相对于非平衡多数载流子，非平衡少数载流子的影响处 于主导地位，因而非平衡载流子的寿命（常称为少数载流子 寿命，简称少子寿命）被用来衡量材料的质量。,非平衡载流子（光照产生非平衡载流子）,光电转换过程,处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0， 可以比他们多出一部分，多出这部分载流子称为非平衡载流子， 用n和p 表示。,光电转换过程,即此时就是材料的少子寿命,少子寿命,当 时,光电转换过程,光电转换过程,PN结加正向偏压 即P区接电源正极， N区接电源负极 空间电荷区的宽度减小，势垒高度从 qVD下降为q（VD-V）,光电转换过程,PN结加反向偏压 即P区接电源负极， N区接电源正极 空间电荷区的宽度减小，势垒高度从 qVD增大为q（VD+V）,光电转换过程,P-N结的I-V特性 Shockley 方程： Id =I0exp(qV/kT)-1 特点：单向导电性,光电转换的三个物理过程 1、吸收光能激发出非平衡电子一空穴对 2、非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动 3、非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动 而分离 光生电流的方向相当于普通二极管的反向电流的方向。 光照使PN结势垒降低等效于PN结外加正向偏压，形成正向注入电流。这个电流的方向与光生电流刚好相反，是太阳电池中的不利因素。,光电转换过程,光电转换过程,太阳电池的等效电路,重要参数 1、短路电流（Isc）， 2、开路电压（Voc）， 3、填充因子（FF）， 4、转换效率（） 5、串联电阻（RS） 6、并联电阻（RSH） 输出功率：功率=Isc*Voc*FF 最大工作电流（Im）， 最大工作电压（Vm），,理想PN结特性：,太阳电池的等效电路,ISC,RS = 0,RSH = ,RLOAD,太阳电池的等效电路,1、短路电流ISC：,当V=0,即短路情况下: （最大光生电流）,I = ISC,R = 0,太阳电池的等效电路,2、开路电压VOC：,当I=0,即开路情况下:,最高输出暗电流,I = 0,R = ,+ _,V = VOC,太阳电池的等效电路,3、填充因子FF： 是输出特性曲线“方形”程度的量度 最佳工作点，负载匹配。 最大输出功率点所对应的面积在ISC和VOC所组成的面积中的百分比。,4、转换效率 ： 表示为有多少光能转换为电能。,太阳电池的等效电路,填充因子正好是I-V曲线下最大长方形面积与乘积VocIsc 之比，所以转换效率可表示为,5、串联电阻RS：,太阳电池的等效电路,串联电阻RS =金属条的电阻（栅线电阻）+顶层的横向电阻+ PN结耗尽层电阻+接触电阻（两面） +基区电阻,ISC,VOC,RS,6、并联电阻RSH： 也被称为旁路电阻或漏电电阻 是PN结形成不完全的部分,太阳电池的等效电路,ISC,VOC,RSH,太阳电池的实际等效电路,I = IL I0expe(V+IRS)/kT-1-（V+IRS）/RSH ISC = IL/1+(RS/RSH),I,串、并联电阻影响：,太阳电池的等效电路,主要参考文献,太阳电池工作原理 、工艺和系统的应用 马丁·格林 半导体和PN结 施正荣著 半导体基础知识 张光春著 半导体材料中载流子的输运张凤鸣著 物理学史 弗·卡约里著 固体物理学黄昆、谢希德著 百度网站,
