太阳能电池原理与设计课件.ppt

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1、光伏组件技术太阳能电池如何把光子的能量转换成电能的？转换效率是哪些因素决定的？如何提高转换效率和电池的电压、电流、功率？3晶硅电池原理与设计3.1晶硅电池原理光伏发电的本质是“光--电转换”。简单讲，主要是以半导体材料为基础，利用光照产生电子-空穴对，在PN结上可以产生光电流和光电压的现象（光伏效应），从而实现太阳能光电转换的目的。1.外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。2.内光电效应内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。光电效应分为

2、：外光电效应和内光电效应。实现内光电效应的条件是所吸收的光子能量要大于等于半导体材料的禁带宽度，即太阳能电池能吸收所有的光吗？这表示光子的波长只有满足上式的要求，才能产生电子一空穴对。通常将该波长称为截止波长，用λg表示，波长大于λg的光子就不能产生载流子。结论：对于太阳电池而言，禁带宽度有着举足轻重的影响，禁带宽度决定了太阳能太阳电池所吸收光的波长范围。如何选择电池材料？本征材料能做电池吗？为什么需要杂质半导体？在杂质半导体中，尽管杂质含量很少，但提供的载流子数量远大于本征半导体中载流子的数量。例如：T=300k时，锗本征半导中若掺入的砷原子是锗原

3、子密度的万分之一，提供的载流子数量比ni大十万倍）在杂质型半导体中：多子浓度比本征半导体中载流子的浓度大得多；载流子的浓度主要取决于多子（即杂质浓度），使导电能力激增。结论在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体的浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓度小得多，但两者乘积保持不变，并等于ni2。ni本征半导体中载流子的数量PN结为什么需要PN结？太阳能电池正是利用了光激发少数载流子通过P-N结而发电的。PN13V内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V接触电位V决定于材料及掺杂浓度硅：V=0.7锗：V=0.2硅电池单体能否作为独

4、立的电源？对光的吸收即产生了多子又产生少子。在很多光伏应用中，光生载流子的数目要比由于掺杂而产生的多子的数目低几个数量级。因此，在被光照的半导体内部，多子的数量变化并不明显。但是对少子的数量来说情况则完全相反。由光产生的少子的数目要远高于原本无光照时的光子数目，也因此在有光照的太阳能电池内的少子数目几乎等于光产生的少子数目。光生载流子是少子？14一般希望有更多的光激发载流子中的少数载流子能运动到P-N结区，通过P-N结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域，对外形成与P-N结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外电路，即可有电能输出。满足条件的光子都

5、能被吸收吗？①是指在电池表面被反射回去的一部分光线；②是指刚进电池表面被吸收生成电子-空穴对的光线，其中大部分是吸收系数较大的短波光线。它们来不及达到P-N结就很快地被复合还原。所以它们对产生光生电动势没有贡献；①②③③④⑤⑥上电极P-N结下电极NP光伏电池受光照情况③是指在P-N结附近被吸收生成电子-空穴对的那部分光线，它们是使太阳能电池能够有效发电的有用光线。这些光生非平衡少数载流子在P-N结特有的漂移作用下产生光生电动势；④是指辐射到电池片深处，距离P-N结较远的地方才被吸收的光线，它们与光线②的情况相同，虽能产生电子-空穴对，在P-N较远处被

6、复合，只有极少部分能产生光生电动势；①②③③④⑤⑥上电极P-N结下电极NP光伏电池受光照情况⑤是指被电池吸收，但是由于能量较小不能产生电子-空穴对的那部分光线，它们的能量只能使光伏电池加热，温度上升；⑥是指没有被电池吸收而透射过去的少部分光线。①②③③④⑤⑥上电极P-N结下电极NP光伏电池受光照情况由此可见，能够产生光生电动势的主要是光线③。所以应该尽可能地增加它们的比例数量，才能提高光伏电池的光电转换效率。被收集的光生载流子怎么产生电能的？被收集的光生载流子并不是靠其本身来产生电能的。为了产生电能，必须同时产生电压和电流。在太阳能电池中，电压是由”

7、光伏效应”产生的。pn结对光生载流子的收集引起了电子穿过电场移向n型区，而空穴则移向p型区。如果有导线连接，就有光电流流出。如果光生载流子被阻止流出电池，那pn结对光生载流子的收集将引起n型区的电子数目增多，p型区的空穴数目增多。这样，电荷的分开将在电池两边产生一个与内建电场方向相反的电场。在电池开路的情况下，光生电流大小等于扩散电流大小，且方向相反，即总的电流为零。两个电流达到平衡时的电压叫做“开路电压”。22“光生电流”的产生包括了两个主要的过程。第一个过程是吸收入射光子并产生电子空穴对。然而，激发产生的电子空穴对是处在亚稳定状态的，在复合之前其

8、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，光生电子空穴对将消失，也没有电流和电能产生。第二个过程