1、任务目标p了解光电效应和光谱响应；了解光电效应和光谱响应；p掌握温度和光照强度对晶硅太阳电池的影响；掌握温度和光照强度对晶硅太阳电池的影响；p掌握厚度对晶硅太阳电池的影响情况。掌握厚度对晶硅太阳电池的影响情况。任务描述p晶硅太阳电池的性能一方面与电池本身的材料、结构和工艺有关，另一方面受到外界因素，如温度、光照强度等的影响。p通过本任务的学习，学生能够对晶硅太阳电池生产工艺的设计有更为深入的了解，同时也能对电池本身的结构特点有更全面的掌握。PN结内建电场p在一块半导体晶体内，P 型和n 型紧接在一起时，将它们交界处称为pn 结。p当p 型，n 型单独存在时，费米能级如图2.12（a）所示，分别
2、位于介带和导带附近.p一旦形成pn 结，由于结两边的电子和空穴的浓度不同，电子就强烈地要从n 区向p区扩散，空穴则要向相反方向扩散，其结果在n 型一边出现正电荷，在p 型一边出现负电荷。p这两种电荷层在半导体内部建立了一个内建电场，这个电场反过来又在结处产生一个内部电位降，阻挡了电子和空穴的进一步扩散，包含这两种电荷层的空间称为耗尽区或空间电荷区。p通过这个空间电荷区的作用，使费米能级成同一水平，达到平衡状态。p图2.12（b）表示pn结的能带图及从p 区向n 区变化的空间电荷区。内建电场从n 区指向p 区，形成势垒。p在平衡状态下，由于扩散，从p 区越过势垒向n 区移动的空穴数目等同于空间电
3、荷区附近n 区中由于热运动产生的少数载流子空穴在空间电荷区内建电场的作用下漂移到p 区的数目，因此没有电流流过。p对于电子也可做同样的论述。半导体的内光电效应p当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：p（1）价带电子；p（2）自由电子或空穴（Free Carrier）；p（3）存在于杂质能级上的电子。p太阳电池可利用的电子主要是价带电子。p由价带电子得到光的能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为本征或固有吸收。p太阳电池能量转换的基础是结的光生伏特效应。p当光照射到pn 结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附
4、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。p它们在pn 结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场光生电场p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。光生伏特效应p此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流；p另一方面，若将PN 结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N 区和P 区，使N 区的费米能级比P 区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差VOC
5、。可以测得这个值，并称为开路电压。光生伏特效应太阳电池的能量转换过程p太阳电池是将太阳能直接转换成电能的器件。它的基本构造是由半导体的PN 结组成。p此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到较好的光电转换效率。p本节以最普通的硅PN 结太阳电池为例，详细地观察光能转换成电能的情况。太阳电池的能量转换过程p首先研究使太阳电池工作时，在外部观测到的特性。图2.14 表示了无光照时典型的电流电压特性（暗电流）。p当太阳光照射到这个太阳电池上时，将有和暗电流方向相反的光电流Iph 流过。p当给太阳电池连结负载当给太阳电池连结负载R，并用太阳光照射时，则负载上，并用太阳光照射时，则负载上的电流的电流Im 和
6、电压和电压Vm 将由图中有光照时的电流一电压特将由图中有光照时的电流一电压特性曲线与性曲线与V=-IR 表示的直线的交点来确定。此时负载上表示的直线的交点来确定。此时负载上有有Pout=RI2m的功率消耗，它清楚地表明正在进行着的功率消耗，它清楚地表明正在进行着光电能量的转换。光电能量的转换。p通过调整负载的大小，可以在一个最佳的工作点上得到最通过调整负载的大小，可以在一个最佳的工作点上得到最大输出功率。大输出功率。p输出功率（电能）与输入功率（光能）之比称为太阳电池输出功率（电能）与输入功率（光能）之比称为太阳电池的能量转换效率。的能量转换效率。无光照射时无光照射时光照射时，产生光电流光照射
7、时，产生光电流电池开路状态时，开路电压电池开路状态时，开路电压VocI-V曲线曲线太阳电池参数p太阳电池吸收的入射光的能量不能高效地转换成电能，原因：作业p1.解释解释PN结内建电场。结内建电场。p2.画出太阳电池的画出太阳电池的I-V曲线，并解释开路电压、曲线，并解释开路电压、短路电流、太阳电池的转换效率和填充因子。短路电流、太阳电池的转换效率和填充因子。太阳电池的分光感度特性p荧光灯的放射频谱与非晶硅太阳电池的分光感度特性一致。非晶硅太阳电池在荧光灯下（室内）具有优良的特性非晶硅太阳电池在荧光灯下（室内）具有优良的特性太阳电池的照度特性p太阳电池的性能随照度（光的强度）而变化。p 改变改变
8、入射光的强度入射光的强度将将改变所有改变所有太阳能电池的太阳能电池的参数参数，包括短路电流、开路电，包括短路电流、开路电压、填充因子压、填充因子FF、转换效率以及并联电阻和串联电阻对电池的影响。、转换效率以及并联电阻和串联电阻对电池的影响。p 通常用多少个太阳来形容光强，比如通常用多少个太阳来形容光强，比如一个太阳就相当于一个太阳就相当于AM1.5大气质量大气质量下的标准光强，即下的标准光强，即1KW/m2。如果太阳能电池在功率为。如果太阳能电池在功率为10KW/m2的光照的光照下工作，也可以说是在下工作，也可以说是在10个太阳下工作，或个太阳下工作，或10X。p 被设计在一个太阳下工作的电池
9、板叫被设计在一个太阳下工作的电池板叫“平板电池平板电池”，而那些使用聚光器的，而那些使用聚光器的电池叫电池叫“聚光太阳能电池聚光太阳能电池”。2022-12-22UNSW新南威尔士大学37光强效应光强效应光强效应光强效应聚光对太阳能电池的伏安特性的影响。聚光对太阳能电池的伏安特性的影响。短路电流短路电流ISC随着随着聚光呈线性上升聚光呈线性上升FF可能会因串联可能会因串联电阻的上升而下降电阻的上升而下降开路电压随光强呈开路电压随光强呈对数上升对数上升 聚光太阳能电池聚光太阳能电池 聚光太阳能电池聚光太阳能电池是一种在是一种在光强大于一个太阳光强大于一个太阳的光照下工作的太阳能电池。的光照下工作
10、的太阳能电池。入射太阳光被聚焦或透过光学器件形成高强度的光束射到小面积的太阳能电池中。入射太阳光被聚焦或透过光学器件形成高强度的光束射到小面积的太阳能电池中。聚光太阳能电池有几个聚光太阳能电池有几个潜在的优势潜在的优势，包括比平板太阳能电池，包括比平板太阳能电池更高的转换效率和更低更高的转换效率和更低的成本的成本。电池的短路电流大小与光的强度成线性关系，因此在。电池的短路电流大小与光的强度成线性关系，因此在10个太阳照射下的电个太阳照射下的电池短路电流是在一个太阳照射下的十倍。然而，这种改变并没有带来转换效率的提池短路电流是在一个太阳照射下的十倍。然而，这种改变并没有带来转换效率的提升，因为入
11、射功率也随光强呈线性提高。相反，由于升，因为入射功率也随光强呈线性提高。相反，由于开路电压与短路电流呈对数关开路电压与短路电流呈对数关系系，转换效率得以提升。因此，在聚光条件下，转换效率得以提升。因此，在聚光条件下，VOC随着光强上升呈对数形式增加，随着光强上升呈对数形式增加，如下式所示：如下式所示：00SCSCOCOCXIInkTnkTnkTVlnlnlnXVlnXqIqIq2022-12-22UNSW新南威尔士大学39式中式中X代表入射光的强度。代表入射光的强度。光强效应光强效应太阳电池的温度特性p太阳电池的性能随温度的变化而变化p太阳电池的温度特性一般用温度系数表示。温度系数小，影响小。
12、p温度上升，转换效率降低。温度效应温度效应 在太阳能电池中，在太阳能电池中，受温度影响最大的参数是开受温度影响最大的参数是开路电压路电压。温度的改变对伏安曲线的影响如下图所示。温度的改变对伏安曲线的影响如下图所示。短路电流短路电流ISC提高幅提高幅度很小度很小温 度 较 高温 度 较 高的电池的电池开路电压开路电压Voc下降幅度大下降幅度大太阳电池的光谱响应太阳电池的光谱响应p在本征半导体中，能量小于禁带宽度的光子不能激发电子空穴对，只会在半导体中产生吸收和反射。p只有能量大于或等于禁带宽度的光子才能激发电子空穴对。p能量不同的光子具有不同的激发电子空穴对的转换能力p一般用光谱响应表示不同波长
13、的光子产生电子空穴对的能力。太阳电池的光谱响应太阳电池的光谱响应p定量的说，太阳电池的光谱响应就是当某一波长的光照射在P-N结表面上时，每一光子平均所能收集到的载流子数。p在太阳电池中，光谱响应实际上指的是“内光谱响应”，即在短路情况下，在电池两端收集到的载流子数与射入材料的光子之比：相对光谱响应p在实际工作中，采用“相对光谱响应”的概念比较方便。p所谓相对光谱响应就是将某一频率处测得的最大光谱响应标定为1，以此作基准，来量度其他波长的光谱响应所获得的相对值。p光子能量从1.1eV开始，产生光谱响应，而到1.5eV左右，光谱响应最大。p随着光子能量继续上升，吸收系数也随之增大，因此大部分光生载
14、流子集中产生在顶区表面。p但顶区中少子寿命极低，表面复合速度极大，因而高能光谱响应也随着衰减。而且光子能量越大，吸收也越大，表面区域载流子损失也越多，因此光谱响应衰减也越迅速。精品课件精品课件！精品课件精品课件！测量太阳能电池性能最常用最基本的方式是，在精确控制的光源照射下测测量太阳能电池性能最常用最基本的方式是，在精确控制的光源照射下测量电池的伏安曲线，并严格控制电池的温度。下图展示了测量伏安曲线的装置。量电池的伏安曲线，并严格控制电池的温度。下图展示了测量伏安曲线的装置。2022-12-22UNSW新南威尔士大学50测试测试IV曲线的装置原理图曲线的装置原理图 因为太阳能电池对光强和温度都
15、很敏感，所以在测试的时候这种条件因为太阳能电池对光强和温度都很敏感，所以在测试的时候这种条件都需要仔细控制。对于光源，光谱和光强这两个数据都要知道，并且要控都需要仔细控制。对于光源，光谱和光强这两个数据都要知道，并且要控制在标准制在标准AM1.5光谱上。世界上有几个实验室专门从事对太阳能电池的测量，光谱上。世界上有几个实验室专门从事对太阳能电池的测量，只有从这些实验室测量出的结果才能被认为是官方的结果。只有从这些实验室测量出的结果才能被认为是官方的结果。光源接近光源接近AM1.5光源由计算机控制光源由计算机控制温度控制试验台把电池温度控制在温度控制试验台把电池温度控制在25太阳能电池的测量太阳能电池的测量/测试测试
