太阳能电池基本工作原理

《太阳能电池基本工作原理》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、太阳能电池基本工作原理本文由zhao168325贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。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

2、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

3、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，pn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E

4、g，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1m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100300m）才能充分吸收；对于短波长的光，只在入射表面附近1m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，

5、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

6、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。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

7、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。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。光电流IL结正向电流IFpnIF=Is[exp(qV/kT)-1]I其中：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，通过结的正向电流为：负载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