第3章太阳能电池的特性.ppt

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1、第三章：第三章：太阳能电池的特性太阳能电池的特性2023-11-151 3.1 理想太阳能电池理想太阳能电池 3.2 太阳能电池的太阳能电池的 参数参数 3.3 电阻效应电阻效应 3.4 其他效应其他效应 3.5 对太阳能电池对太阳能电池 的测量的测量 3.1.1 理想太阳能电池理想太阳能电池太阳能电池的结构太阳能电池的结构 太阳能电池是一种能太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电直接把太阳光转化为电的电的电子器件。入射到电池的太阳光通过子器件。入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电同时产生电流和电压压的形式来产生电能。这个过程的发生需要的形式来产生电能。这个过程的发生需要两个条件两个条件，首

2、先，被吸收的光要能在材料中把一个首先，被吸收的光要能在材料中把一个电子激发到高电子激发到高能级能级，第二，第二，处于高能级的电子处于高能级的电子能从电池中能从电池中移动到外移动到外部部电路。在外部电路的电子消耗了能量然后回到电池电路。在外部电路的电子消耗了能量然后回到电池中。许多不同的材料和工艺都基本上能满足太阳能转中。许多不同的材料和工艺都基本上能满足太阳能转化的需求，但实际上，几乎所有的光伏电池转化过程化的需求，但实际上，几乎所有的光伏电池转化过程都是使用都是使用组成组成 pn结形式结形式的半导体材料来完成的。的半导体材料来完成的。2023-11-152 3.1.1 理想太阳能电池理想太阳

3、能电池太阳能电池的结构太阳能电池的结构太阳能电池的横截面太阳能电池的横截面减反射膜减反射膜前端接触电极前端接触电极发射区发射区基区基区背接触电极背接触电极电子空穴对电子空穴对 太阳能电池运行的基本步骤：太阳能电池运行的基本步骤：光生载流子的产生光生载流子的产生 光生载流子聚集成电流光生载流子聚集成电流 产生跨越太阳能电池的高电压产生跨越太阳能电池的高电压 能量在电路和外接电阻中消耗能量在电路和外接电阻中消耗2023-11-154 3.1.1 理想太阳能电池理想太阳能电池太阳能电池的结构太阳能电池的结构 3.1.2 理想太阳能电池理想太阳能电池光生电流光生电流 在太阳能电池中产生的电流叫做在太阳

4、能电池中产生的电流叫做“光生电流光生电流”，它的产生包括了它的产生包括了两个主要的过程两个主要的过程。第一个过程是吸收入射第一个过程是吸收入射光子光子并产生电子空穴对并产生电子空穴对。电子空穴对只能由能量大于太阳能电池的禁带宽度的光电子空穴对只能由能量大于太阳能电池的禁带宽度的光子产生。然而，子产生。然而，电子（在电子（在p型材料中）和空穴（在型材料中）和空穴（在n型型材料中）材料中）是处在亚稳定状态的，在复合之前其平均生存是处在亚稳定状态的，在复合之前其平均生存时间等于少数载流子的寿命。如果载流子被复合了，光时间等于少数载流子的寿命。如果载流子被复合了，光生电子空穴对将消失，也产生不了电流或

5、电能了。生电子空穴对将消失，也产生不了电流或电能了。2023-11-155 3.1.2 理想太阳能电池理想太阳能电池光生电流光生电流 第二第二个过程是个过程是pn结通过对这些光生载流子的结通过对这些光生载流子的收集收集，即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。pn结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光生少数载流子到达生少数载流子到达pn结，将会被内建电场移到另一个区，结，将会被内建电场移到另一个区，然后它便成了然后它便成了多数多数载流子。如果用一根导线把发射区跟载流子。如果用一根导

6、线把发射区跟基区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外基区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外部电路。部电路。2023-11-157 动画展示了短动画展示了短路情况下的理想电路情况下的理想电流。流。理想短路情况理想短路情况下电子和空穴在下电子和空穴在pn结的流动。少数载结的流动。少数载流子不能穿过半导流子不能穿过半导体和金属之间的界体和金属之间的界限，如果要阻止复限，如果要阻止复合并对电流有贡献合并对电流有贡献的话，必须通过的话，必须通过pn结的结的收集收集。3.1.2 理想太阳能电池理想太阳能电池光生电流光生电流 “收集概率收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生的描述了光照

7、射到电池的某个区域产生的载流子被载流子被pn结收集并参与到电流流动的概率，它的结收集并参与到电流流动的概率，它的大小取大小取决于决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。在耗光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为在这散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。在原来电场的个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。在原来电场的区域，其收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大于区域，其收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域产生时，那么它的收集概率是相当低的。扩散长度的区域产生时，那么

8、它的收集概率是相当低的。相似的，相似的，如果载流子是在靠近电池表面这样的高复合区的如果载流子是在靠近电池表面这样的高复合区的区域产生，那么它将会被复合区域产生，那么它将会被复合。下面的图描述了表面钝化。下面的图描述了表面钝化和扩散长度对收集概率的影响。和扩散长度对收集概率的影响。3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 对收集概率的计算，红线代表发射区的扩散长度，蓝对收集概率的计算，红线代表发射区的扩散长度，蓝线代表基区的发射长度。线代表基区的发射长度。前端表面前端表面在高复合率的情况下，在高复合率的情况下，其表面的收集

9、概率很低。其表面的收集概率很低。低扩散长度的太阳低扩散长度的太阳能电池。能电池。电池中距离表面的距离电池中距离表面的距离弱钝化的太阳弱钝化的太阳能电池能电池强钝化的太阳能强钝化的太阳能电池电池在耗散区的收集概在耗散区的收集概率相同率相同背表面背表面收集概率收集概率 收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小。光。光生电流大小等于电池各处的载流子生成速率乘以该处的收集概率。生电流大小等于电池各处的载流子生成速率乘以该处的收集概率。下面是硅在光照为下面是硅在光照为AM1.5下光生电流的方程，包括了生成率和收集下光生电流的方程，包括了生成率和

10、收集概率。概率。0WLJqG x CP x dx 00wxqH edCP x dx 2023-11-1510收集概率收集概率生成率生成率在电池中的距离在电池中的距离 3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率2023-11-1511 在在1.5光谱下硅的生成速率。注意，光谱下硅的生成速率。注意，电池表面电池表面的生成率是的生成率是最高最高的，因此电池对表面特性是很敏感的。的，因此电池对表面特性是很敏感的。3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 收集概率的不一致产生了光生电流的光谱效应。收集概率的不一致产生

11、了光生电流的光谱效应。例如，例如，表面的收集概率低于其他部分的收集概率表面的收集概率低于其他部分的收集概率。比。比较下图的蓝光、红光和红外光，蓝光在硅表面的零点较下图的蓝光、红光和红外光，蓝光在硅表面的零点几微米处几乎被全部吸收。因此，如果顶端表面的收几微米处几乎被全部吸收。因此，如果顶端表面的收集概率非常低的话，入射光中蓝光将不对光生电池做集概率非常低的话，入射光中蓝光将不对光生电池做出贡出贡献。献。上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长0.45m的蓝光拥有高吸收率，为的蓝光拥有高吸收率，为105cm-1，也因此它在非常靠近顶

12、端，也因此它在非常靠近顶端表面处被吸收。波长表面处被吸收。波长0.8m的红光的吸收率的红光的吸收率103cm-1，因此其吸收长，因此其吸收长度更深一些。度更深一些。1.1m红外光的吸收率为红外光的吸收率为103cm-1，但是它几乎不被吸，但是它几乎不被吸收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率归一化的归一化的E-H对生成率对生成率 所谓所谓“量子效率量子效率”，即太阳能电池所，即太阳能电池所收集的载流收集的载流子的数量与入射光子的数量的比例子的数量与入射光子的数量的比例。量子效率即可以与。量子效率即可以

13、与波长相对应又可以与光子能量相对应。如果某个特定波波长相对应又可以与光子能量相对应。如果某个特定波长的所有光子都被吸收，并且其所产生的少数载流子都长的所有光子都被吸收，并且其所产生的少数载流子都能被收集，则这个特定波长的所有光子的量子效率都是能被收集，则这个特定波长的所有光子的量子效率都是相同的。而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。相同的。而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。下图将描述理想太阳能电池的量子效率曲线。下图将描述理想太阳能电池的量子效率曲线。2023-11-1514 3.1.4 理想太阳能电池理想太阳能电池量子效率量子效率 3.1.4 理想太阳能电池理想太阳能电池量子效率量

14、子效率总量子效率的减小是由反射效应和总量子效率的减小是由反射效应和过短的扩散长度引起的。过短的扩散长度引起的。理想量子理想量子效率曲线效率曲线能量低于禁带宽度的光能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以长波不能被吸收，所以长波长的量子效率为零。长的量子效率为零。量子效率量子效率前端表面复合导致蓝光响应的减小。前端表面复合导致蓝光响应的减小。红光响应的降低是由于背表红光响应的降低是由于背表面反射、对长波光的吸收的面反射、对长波光的吸收的减少和短扩散长度减少和短扩散长度 下图为硅太阳能电池的量子效率。通常，波长小于下图为硅太阳能电池的量子效率。通常，波长小于350nm的光子的量子效率不予测量，因为在的

15、光子的量子效率不予测量，因为在1.5大气质量光谱大气质量光谱中，这些短波的光所包含能量很小。中，这些短波的光所包含能量很小。尽管理想的量子效率曲线是矩形的（如上图），但是实际上几尽管理想的量子效率曲线是矩形的（如上图），但是实际上几乎所有的太阳能电池的都会因为复合效应而减小。影响收集效率的乎所有的太阳能电池的都会因为复合效应而减小。影响收集效率的因素同样影响着量子效率。例如，顶端表面钝化会影响靠近表面的因素同样影响着量子效率。例如，顶端表面钝化会影响靠近表面的载流子的生成，而又因为蓝光是在非常靠近表面处被吸收的，所以载流子的生成，而又因为蓝光是在非常靠近表面处被吸收的，所以顶端表面的高复合效应

16、会强烈地影响蓝光部分量子效率。相似的，顶端表面的高复合效应会强烈地影响蓝光部分量子效率。相似的，绿光能在电池体内的大部分被吸收，但是电池内过低的扩散长度将绿光能在电池体内的大部分被吸收，但是电池内过低的扩散长度将影响收集概率并减小光谱中绿光部分的量子效率。影响收集概率并减小光谱中绿光部分的量子效率。硅太阳能电池中，硅太阳能电池中，“外部外部”量子效率量子效率包括光的损失，如透射和包括光的损失，如透射和反射。然而，测量经反射和透射损失后剩下的光的量子效率还是非反射。然而，测量经反射和透射损失后剩下的光的量子效率还是非常有用的。常有用的。“内部内部”量子效率量子效率指的是那些没有被反射和透射且能够指的是那些没有被反射和透射且能够产生可收集的载流子的光的量子效率。通过测量电池的反射和透射，产生可收集的载流子的光的量子效率。通过测量电池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲线并得到内部量子效率。可以修正外部量子效率曲线并得到内部量子效率。2023-11-1516 3.1.4 理想太阳能电池理想太阳能电池量子效率量子效率 “光谱响应光谱响应”在概念上类似于量子效率。量子效率描述的在概念上类似于量子