2010新能源技术_2.2.3_光伏发电原理2(学时2)

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1、1太阳能光电转换技术（光伏发电）新能源技术教学2outline第一节太阳电池发展概述第二节太阳电池用硅材料制备技术第三节太阳能电池的基本原理第四节晶体硅太阳电池第五节非晶硅太阳电池3第三节太阳能电池的基本原理一、半导体与P-N结二、太阳能电池的基本特性1光伏发电原理和影响因素2太阳电池效率和结构设计41光伏发电原理和影响因素1.1光的吸收与载流子复合1.2光照的影响1.3光谱响应1.4温度的影响1.5寄生电阻的影响51.1光的吸收与载流子复合当光照射到半导体材料时，拥有比禁带宽（Eg）还小的能量（Eph）的光子与半导体的相互左右极弱，于是顺利地穿透半导体，就如半导体是透明的一样。然而，能量

2、比带隙能量大的光子（Egh>Eg）会与形成共价键的电子相作用，用它自身所具有的能量去破坏共价键，形成可以自有流动的电子-空穴对。光照时电子-空穴对的产生Eg导带(禁带宽)价带6光子的能量越高，被吸收的位置就越接近半导体表面，较低能量的光子则在距半导体表面较深处被吸收。光的能量与电子-空穴对产生的位置间的联系7ResourceCharacteristics——地面附近太阳辐射光谱图8Theabsorptiondepthsofsilicon9单位体积内电子-空穴对的产生率可用下式表示：N为光子的流量（每秒流过单位面积的光子数量），α是吸收系数，x是到表面的距离。α物理意义α相当于某波长的光在媒质

3、中传播1/α距离时能量减弱到原来能量的1/e。一般用吸收系数的倒数1/α来表征该波长的光在材料中的透入深度。10在300K时，对于硅材料，α和波长的函数关系1112Thegenerationrateinsiliconforseveralwavelengthsoflight131.1光的吸收与载流子复合当光源被关掉后，系统势必会回到一个平衡状态。在没有外界能量来源的情况下，电子和空穴会无规则运动直到他们相遇并复合。任何表面或内部的缺陷、杂质都会促进复合的产生。材料的载流子寿命可以定义为电子空穴对从产生到复合的平均存在时间。对于硅，典型的载流子寿命约为1μs。14类似的，载流子的扩散长度就是载流

4、子从产生到复合所能移动的平均距离。对于硅，扩散长度一般是100~300μm。这两个参数为太阳能电池应用的材料提出参考。如果没有一个使电子定向移动的方法，半导体就无法输出能量。因此，一个功能完善的太阳能电池，通常需要增加一个整流P-N结来实现。151.2光照的影响照射到电池上的光可呈现多种不同的情形。为了使太阳能电池的能量转换效率最大化，必须设计使之得到最大的直接吸收以及反射后的吸收。1-顶电极上的反射与吸收；2-在电池表面的反射；3-可用的吸收；4-电池底部的反射（仅对吸收较弱的光线有效）；5-反射后的吸收；6-背电极处的吸收16在P-N结电场E的作用下，电子受力向N型一侧移动，空穴受力向P

5、型一侧移动。短路时，在外电路产生光电流。理想短路情况下P-N结区域电子与空穴的流动（电子、空穴产生、定向移动、被收集、外电路流动）17尽管如此，一部分电子和空穴在被收集之前就已经消失了。电子空穴对复合的一些可能模式，以及未复合的载流子被收集的情况18总体来说，在P-N结越近的地方产生的电子空穴对越容易被收集。当V=0时，那些被收集的载流子将会产生一定大小的电流。如果电子空穴对在P-N结附近小于一个扩散长度的范围内产生，收集的几率就比较大。19在无光照的情况下，描述二极管电流I和电压V间函数关系的特征曲线（I-V曲线）为：光线的照射对太阳电池的作用，可以认为是在原有的二极管暗电流基础之上叠加了

6、一个电流增量，于是二极管公式变为：1.2光照的影响20光的照射对P-N结电流-电压间函数特性的影响电压电流方向？21VIPoweriseithergeneratedordissipated,dependingonthequadrantyouarein.1STQuadrant:Dissipation3DQuadrant:Dissipation2NDQuadrant:Generation4THQuadrant:Generation22IVDarkCharacteristicLightCharacteristicIVPowerGeneratingRegionPowerDissipatingRegi

7、onPowerDissipatingRegion23光照能使电池的I-V曲线向下平移到第四象限，于是二极管的电能可以被获取。为便于讨论，太阳电池的I-V特性曲线通常被上下翻转，将输出曲线置于第一象限，并用下式表示：24TheVIcharacteristicofasolarcellisusuallydisplayedlikethis:VIVIThecoordinatesystemisflippedaroundt