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2太阳能电池原理及结构.doc

2太阳能电池原理及结构

Chloe晓萌
2017-09-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《2太阳能电池原理及结构doc》,可适用于高等教育领域

太阳能电池原理及结构太阳能电池基本原理如图所示为典型太阳能电池的简单示意图。该电池受光面为高浓度掺杂的狭窄N区。耗尽层(宽度W)一直延伸到P区并在耗尽层形成一内建电场E。把连接N区的电极做成栅形或指形以提高光的吸收率和减小电池的表面电阻在电池表面镀一层减反射膜以提高太阳光的利用率。当光照射在电池上时由于N区(宽度L)比较狭窄能量大于禁带宽度Eng的大部分光子在耗尽层和P区(宽度L)被吸收产生光生电子一空穴对(EHP)。ps在耗尽层的光生EHP立即被内建电场所分离电子漂移到达N区形成负极性区s域同时空穴漂移到达P区形成正极性区域于是通过接线在PN结两端形成了开路电压V。。如果连接了负载那么N区的大量电子经过外电路工作然后oc到达P区与大量空穴复合。其中内建电场对分离光生EHP在N区积累大量s电子在P区积累大量空穴起了关键作用。因为没有电场的缘故在P区被吸收的长波长光子激发的EHPs只能扩散到一定的区域。则电子的平均扩散长度L可由()表示其中D为电子在P区的ee扩散系数。L,D,eee()离耗尽层的距离在L范围内的那些电子能扩散到内建电场并在内建电场e的作用下漂移到N区因此在P区产生的光生EHPs中只有那些离耗尽层距离在L范围内的的少数e图太阳能电池工作原理载流子(电子)才对光伏效应起作用。一旦电子被扩散到耗尽区域它将被E扫到oN区增加该区的负电荷空穴留在P区增加该区的正电荷。而那些离耗尽层的长度大于L的光生EHPs都被复合损失掉了。正因为此少数载流子的扩散长度eL要尽可能的长又由于在半导体硅中电子的扩散长度要比空穴长所以这里选e择了以P区产生的电子为少数载流子的硅PN结。同样在N区由短波长光子激发产生的EHPS中只有那些离耗尽层距离小于扩散长度L的少数载流子(空穴)h能到达耗尽层并被内建电场分离到P区。因此对光伏效应起作用的EHPs的产生发生在这样一个区域:LW十L。如图所示在N区大量的电子通过外he电路流到P区与空穴中和这种由光生载流子的流动产生的电流叫光电流I。ph要注意的是在PN两端形成光生电动势后相当于在PN结两端加上了正向电压V具有普通PN结的二极管特性正向电流为I因此通过电池的总电流:d()I,I,Idph图光电流产生区域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他们应该满足以下三个条件:()半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数a即要求入射光子的能量hv大于或等于半导体材料的禁带宽度E使该入射光子能被半导g体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。()图为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(la)只有um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um)才能充分吸收对于短波长的光只在入射表面附近um区域内就己充分吸收了。()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区积累了非平衡空穴而在N区积累了非平衡电子。产生了一个与平衡PN结内建电场相反的光生电场于是在P区和N区间建立了光生电动势(或称光生电压)。图不同半导体材料的吸收系数与入射波长的关系太阳能电池基本结构典型的太阳能电池的结构如图所示。硅的PN接合处被夹在上、下两个金属接触层之间。上金属接触层是栅格状的以容许光线射到PN接合之上。PN接合的顶部有一层防反射薄层以减少从光亮的硅表面反射出来的光线。这就是太阳能板的表面看起来很暗淡的原因。图太阳能电池结构图太阳能电池主要特性太阳能电池的特性可大致分为:光伏器件特性如光谱特性、照度特性半导体器件特性特性曲线如输出特性、温度特性、二极管特性等。太阳能电池的输出特性通常是指伏安(包括开路电压、短路电流、填充因子)。以下就太阳能电池的光谱响应特性、温度特性及主要参数作简单介绍。光谱响应特性光谱响应表示不同波长的光子产生电子一空穴对的能力。也就是说在阳光照射激发作用下太阳能电池所收集到的光生电流与到电池表面上的入射波长有着直接的关系。光谱特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳能电池测量此时的短路电流I。然后依次改变单色光的波长再重新测量电流。光谱响应曲sc线有时候称为量子效率(外量子效率)曲线也可以用收集效率(内量子效率)曲线来表示。二者并不一致一般来说量子效率(外量子效率)是指入射多少光子数产生多少电子的比率即入射到电池上的每个光子产生的电子一空穴对或少数载流子的数目而收集效率(内量子效率)是指吸收多少光子产生多少电子的比率即在电池中被吸收的每个光子产生的电子空穴对或少数载流子的数目。能量转换效率是输入多少的光能够产生多少电能的比率数。由于入射的光子不一定都被吸收产生的电子不一定都产生电能因此一般而言内量子效率最高而能量转换效率最低但它们都是可以测量或计算的。在太阳能电池中只有那些能量大于其材料禁带宽度的光子才能在被吸收时产生电子一空穴对而那些能量小于禁带宽度的光子即使被吸收也不能产生电子一空穴对(它们只是使材料变热)。这就是说材料对光的吸收存在一个截止频率(长波限)。并且当禁带宽度增加时被材料吸收的总太阳能就越来越少。对太阳辐射光线来说能得到最好工作性能的半导体材料其截止波长应在um以上包括从红色到紫色全部可见光。每种太阳能电池对太阳光线都有其自己的光谱响应曲线它表示电池对不同波长的光的灵敏度(光电转换能力)。太阳能电池的光谱响应特性在很大程度上依赖于太阳能电池的设计、结构、材料的特性、结的深度和光学涂层。使用滤光膜和玻璃盖片可以进一步改善光谱响应。太阳能电池的光谱响应随着温度和辐照度损失而变化。温度特性太阳能电池的开路电压V。随着温度的上升而下降大体上温度每上升oc电压下降mV短路电流I。则随着温度的上升而微微地上升电池的输出功sc率P则随着温度的上升而下降每升高约损失,。温度对太阳能电池的影响:载流子的扩散系数随温度的增高而增大所以少数载流子的扩散长度也随着温度的升高稍有增大因此光生电流也随着温度的升高有所提高。但是I随温度的升高指数增大而V随温度的升高急剧下降。当温度升高时ocIU曲线形状改变填充因子下降故转换效率随温度的增加而降低。效率随着照度的上升而上升因此可以通过提高电池单位面积上的照度来提高电池效率即使用聚光技术。效率又随着温度的上升而下降即太阳能电池转换率具有负的温度系数。所以在应用时如果使用聚光器则聚光器的聚光倍数不能过大以免造成结温过高使电池转换率下降甚至损害电池此外在聚光电池系统中应加有相应的电池冷却装置。影响太阳能电池转换效率的因素前面所叙述的太阳能电池转换效率的理论值都是在理想状况下得到的。而太阳能电池在光电转换过程中由于存在各种附加的能量损失实际效率比理论极限效率要低。以PN结硅电池为例下面我们来分析影响太阳能电池转换效率的主要因素。()光生电流的光学损失太阳能电池的效率损失中有三种是属于光学损失其主要影响是降低了光生电流值。反射损失就是从空气(或真空)入射到半导体材料的光的反射。以硅为例在工作范围内的太阳能光谱中超过的光能被裸露的硅表面反射掉了因而硅电池表面一般会涂上减反射膜SiN。栅指电极遮光损失就是定义为栅指电极遮光面积在太阳能总面积中所占的百分比。对一般电池来说c约为~。透射损失就是如果电池厚度不足够大某些能量合适能被吸收的光子可能从电池背面穿出。这决定了半导体材料之最小厚度。间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。()光生载流子的收集效率由于材料的缺陷等原因所产生的电子及空穴等载流子发生再结合作用使部分载流子消失掉。光照射PN结激发出来的电子一空穴对不一定会全部被PN结的自建电场所分离。我们把受激产生的电子一空穴对数目与被PN结势垒所分离的电子一空穴对数目之比叫做收集效率。半导体中电场产生的偏移效应和电荷浓度梯度产生的扩散效应导致电子空穴的移动。过剩载流子是超过热平衡状态存在的载流子通常在某个时间常数下具有返回平衡状态的倾向。人们把这个时间常数叫做过剩载流子寿命。因此在电子一空穴对从产生的地方分别向PN两层移动所需要的时间比过剩载流子寿命还要长的情况下电荷将不会被PN结势垒所分离对光生电压的产生没有贡献。这样收集效率就由过剩载流子的寿命和PN结的位置来决定。()影响开路电压的实际因素V决定开路电压大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越OCV高少子扩散长度越短也就越低。体复合和表面复合都很重要。在衬OC底中影响非平衡少子总复合率的三种复合机理是:复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合。总复合率主要取决于三种复合中复合率最大的一个。对于高质量,的单晶硅当掺杂浓度高于时则俄歇复合产生影响使少子寿命降低。cmV通常电池表面还存在表面复合也会降低值。OC()辐射效应应用在卫星上的太阳能电池受到太空中高能离子辐射产生缺陷使电池输出功率下降影响其使用寿命。()电极接触不良或设计不合理使串联电阻增加不能有效地收集载流子。提高太阳能电池转换效率的各种技术针对节分析的影响太阳能电池转换效率的因素研究总结了相应的几种提高其转换效率的方法见表。表太阳能损失原因及防止技术()减少反射损失技术为了减少太阳光的反射损失一般采用下面两种技术:采用减反射膜。常用减反射膜有含氧量为的硅氧化物()与钦氧化物()等。单独采用一层反射膜效果不好为此大多采用二层减反射膜如由TiO和MgF所组成的减反射膜或由和SiO所组成的减反射膜等。经减反射处理过的太阳膜或由和SiO所组成的减反射膜等。经减反射处理过的太阳能电池表面有很好的减反射效果。采用凹凸结构。如表面用腐蚀等方法处理成具有很多金字塔型的绒面状结构或具有倒金字塔型的沟槽结构或具有V型的沟槽结构。把太阳表面处理成凹凸结构时的光的入射路径示于图。由该图可见各种方向入射的太阳光经过多次反射后都能进入到太阳能电池中去从而增加入射的太阳光量。采用这种结构其光反射损失有的甚至可减到左右。未经过处理的光滑硅表面反射率一般高达左右。()减少载流子损失技术减少载流子损失主要是防止载流子的再结合损失。通常采用以下三种方法:加一层钝化层控制杂质浓度在底层上加一个背面电场。加有钝化层、杂质控制层、背面电场的高效太阳能电池的结构中钝化层可以使电池表面的缺陷结构钝化从而减少载流子的再结合中心。电池底层上采用高浓度掺杂法形成一背面电场可加速载流子的输运过程减少载流子的再结合。背面电场电池指在基区底部即电池背面附近具有基体杂质浓度梯度的太阳能电池。杂质浓度梯度可以通过蒸铝烧结或硼扩散的方法建立。目前高效率电池一般都具有背面电场。图太阳能电池的结构以及减反射原理()减少光透射损失在太阳能电池中波长较长的入射光一般都能透射到电池的深层底电极要充分利用这种长波长的光最好在底电极处再加一层反射率高的金属层。用ITO作底电极上的反射层效果很好。过去常规电池使用的铝电极是用ITO胶烧结法制成的。这时可形成铝的扩散层这种铝扩散对提高太阳能电池转换效率很有利在保留原铝扩散层的条件下去掉合金层换成ITO电极层结果它不仅能起电极作用还能起反射层的作用使转换效率在原来的基础上又提高了。()减少串联电阻损失合理设计和精细制作电极是减少电池内部电阻、提高太阳能电池转换效率的另一个有效途径。一般认为电池表面所占的面积越小太阳光利用率越高。但电极的表面积越小电极内部的电阻越大使电池的转换效率反而降低。过去认为电池表面的电流密度是均匀的所以单纯从电阻与转换效率的关系中优化电极形状没有考虑到太阳能电池表面的电流密度大小与电极形状之间的关系。夏普公司采用计算机模拟方法求出了电极表面上的电流密度分布发现电池表面各处的电流密度分布是不均匀的。为此根据其电流密度分布设计了有利于收集载流子的电极形状并采用激光加工技术使电极面积细微化既增加入射光面积又提高载流子收集效率并使电池转换效率在原有的基础上进一步提高。()多层结构太阳能电池把多个具有不同光谱灵敏度特性的太阳能电池堆集起来所组成的太阳能电池叫作多层结构太阳能电池。这种太阳能电池把禁带宽度宽的材料所制成的太阳能电池放在入射光的一侧先让它吸收短波长的光然后再制成用禁带宽度较窄的材料所组成的太阳能电池让它吸收由前半部透射出来的长波长的光这样可以充分地利用入射太阳光提高其转换效率。多层结构太阳能电池能更有效地利用各种波长的太阳光从而提高电池转换效率。目前面积为cm的三层结构无定形硅太阳能电池效率已达到面积为cm的电池效率已达到。多层结构太阳能电池除了上述的无定形硅太阳能电池以外还有由单晶硅和无定形硅或由单晶硅和砷化稼太阳能电池所组成的多层结构太阳能电池其实验室最高转换效率已达到。()充电连接方法的改进传统的充电连接方法把太阳能电池与蓄电池全部串联起来如图所示。而改进后的连接方法上把太阳能电池及蓄电池分成若干个小组先串联各个小组后再并联改进后的这种联接方法的好处是可降低充电回路的内阻提高充电效率如图所示。图传统充电连接方法图改进的充电连接方法提高太阳能电池转换效率的技术很多。除上述五种方法外还可通过提高原材料的纯度和质量或采用聚光等方法。但无论哪种技术若单独采用所提高的转换效率幅度都是很有限的。所以要想较大幅度地提高太阳能电池的转换效率必须同时采用多种技术。

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