太陽能電池的原理與特性

1、簡述太陽能電池的原理與特性一、太陽能電池的基本工作原理太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉換器才能變換成為電能。這個把太陽能（或其他光能）變換成電能的能量轉換器，就叫做太陽能電池。太陽能電池工作原理的基礎，是半導體p-n結的“光生伏打”效應。所謂光生伏打效應，簡單地說，就是當物體受到光照時，其體內的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產生電動勢和電流的一種效應。在氣體、液體和固體中均可產生這種效應，但在固體尤其是在半導體中，光能轉換為電能的效率特別高。因此半導體中的光電效應引起人們的格外關注，研究得最多，并發(fā)明制造出了半導體太陽能電池?？蓪雽w太陽能電池的發(fā)電過程概括成如下4點：（1）首先是收集太陽光和

2、其他光使之照射到太陽能電池表面上。（2）太陽能電池吸收具有一定能量的光子，激發(fā)出非平衡載流子（光生載流子）一電子-空穴對。這些電子和空穴應有足夠的壽命，在它們被分離之前不會復合消失。（3）這些電性符號相反的光生載流子在太陽能電池p-n結內建電場的作用下，電子-空穴對被分離，電子集中在一邊，空穴集中在另一邊，在p-n結兩邊產生異性電荷的積累，從而產生光生電動勢，即光生電壓。（4）在太陽能電池p-n結的兩側引出電極，并接上負載，則在外電路中即有光生電流通過，從而獲得功率輸出，這樣太陽能電池就把太陽能（或其他光能）直接轉換成了電能。下面以單晶硅太陽能電池為例，對太陽能電池的基本工作原理進行具體闡述。

3、眾所周知，物質的原子是由原子核和電子組成的。原子核帶正電，電子帶負電。電子就像行星圍繞太陽轉動一樣，按照一定的軌道繞著原子核旋轉。單晶硅的原子是按照一定的規(guī)律排列的。硅原子的外層電子殼層中有4個電子。每個原子的外殼電子都有固定的位置，并受原子核的約束。它們在外來能量的激發(fā)下，如在太陽光輻射時，就會擺脫原子核的束縛而成為自由電子，并同時在原來的地方留出一個空位，即空穴。由于電子帶負電，空穴就表現為帶正電。電子和空穴就是單晶硅中可以運動的電荷。在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數目是相等的。如果在硅晶體中摻入能夠俘獲電子的硼、鋁、錮或錢等雜質元素，它就成了空穴型半導體，簡稱p型半導體。如果在硅晶體

4、中摻入能夠釋放電子的磷、碑或錦等雜質元素，它就成了電子型的半導體，簡稱n型半導體。若把這兩種半導體結合在一起，由于電子和空穴的擴散，在交界面處便會形成p-n結，并在結的兩邊形成內建電場，又稱勢壘電場。由于此處的電阻特別高，所以也稱為阻擋層。當太陽光（或其他光）照射p-n結時，在半導體內的電子由于獲得了光能而釋放電子，相應地便產生了電子一空穴對，并在勢壘電場的作用下，電子被驅向n型區(qū)，空穴被驅向p型區(qū)，從而使n區(qū)有過剩的電子，p區(qū)有過剩的空穴；于是就在p-n結的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。光生電場的一部分抵消勢壘電場，其余部分使p型區(qū)帶正電、n型區(qū)帶負電；于是就使得n區(qū)與p區(qū)之間的薄

5、層產生了電動勢，即“光生伏打”電動勢。當接通外電路時，便有電能輸出。這就是p-n結接觸型硅太陽能電池發(fā)電的基本原理（見圖2）。若把幾十個、數百個太陽能電池單體串聯、并聯起來封定功率輸出的電能。二、太陽能電池的基本特性1,太陽能電池的極性太陽能電池的電性能與制造電池所用半導體材料的特性有關。在太陽光或其他光照射時，太陽能電池輸出電壓的極性，p型一側電極為正，n型一側電極為負。當太陽能電池作為電源與外電路連接時，太陽能電池在正向狀態(tài)下工作。當太陽能電池與其他電源聯合使用時，如果外電路的正極與電池的p電極連接，負極與電池的n電極連接，則外電源向太陽能電池提供正向偏壓；如果外電源的正極與電池的n電極連

6、接，負極與p電極連接，則外電源向太陽能電池提供反向偏壓。2 .太陽能電池的電流一電壓特性太陽能電池的電路及等效電路如圖4所示。其中，R為電池的外負載電阻。當R=0時，所測的電流為電池的短路電流。所謂短總電流Isc,就是將太陽能電置于標準光源的照射下，在輸出端短路時，流過太陽能電池兩端的電流。測量短路電流的方法，是用內阻小lQ的電流表接在太陽能電池的兩端。Isc值與太陽能電池的面積大小有關，面積越大，Isc值越大。一般來說，1cm2硅太陽能電池的Isc值約1630mA同一塊太陽能電池，其Isc與入射光的輻照度成正比；當環(huán)境溫度升高時，Isc值略有上升，一般溫度每升高1C,Isc值約上升78“A。

7、當R-8時，所測得的電壓為電池的開路電壓。所謂開H電壓Uoc,就是將太陽能電池置于100mW/cmq光源照射下，在兩端開路時，太陽能電池的輸出電壓值?？捎酶邇茸璧闹绷骱练嫓y量電池的開路電壓。太陽能電池的開路電壓，與光譜輻照度有關，與電池面積的大小無關。在100mW/cm的光譜輻照度下，硅太陽能電池的開路電壓為450600mV最高可達690mV當入射光譜輻照度變化時，太陽能電池的開路電壓與入射光譜輻照度的對數成正比。當環(huán)境溫度升高時，太陽能電池的開路電壓值將下降，一力溫度每上升lC,UOc值約下降23mVID（二極管電流）為通過p-n結的總擴散電流，其方向與Isc相反。R為串聯電阻，它主要由電

8、池的體電阻、表面電阻、電極導體電阻和電極與硅表面間接觸電阻所組成。Rh為旁漏電阻，它是由硅片的邊緣不清潔或體內的缺陷引起的。一個理想的太陽能電池，串聯電阻R很小，而并聯電阻Rsh很大。由于Q和Rsh是分別串聯和并聯在電路中的，所以在進行理想的電路計算時，它們可以忽略不計。止匕時，流過負載的電流Il為：IL=Isc-Id理想的p-n結特性曲線方程為：IL=Isc-ID（eqUAKT-1）式中Id太陽能電池在無光照時的飽和電流，A;q電子電荷，C;K玻爾茲曼常數；T熱力學溫度；A常數因子（正偏電壓大時A值為1,正偏電壓小時A值為2）;e自然對數的底。當IL=0時，電壓U;該點的功率，則稱為最大功率

9、Pn%太陽能電池（組件）的輸出功率取決于太陽輻照度、太陽光譜分布和太陽能電池（組件）的工作溫度，因此太陽能電池（組件）的測量須在標準條件（STQ下進行，測量標準被歐洲委員會定義為101號標準，其條件是：光譜輻照度，1000W/m；光譜，AM1.5;電池溫度，25C。在該條件下，太陽能電池（組件）所輸出的最大功率被稱為峰值功率，在以瓦為計算單位時稱為峰瓦，用符號VP表示。III!4（a）光照時太陽能電池的電路（b）光照時太陽能電池的等效電路圖4太陽能電池的電路及等效電路圖3 .太陽能電池的填充因子又稱曲線因子。系指太陽能電池最大功率與開路電壓和短路電流乘積的比值，用符號FF表示。是評價太陽能電池

10、輸出特性好壞的一個重要參數，它的值越高，表明太陽能電池輸出特性越趨近于矩形，電池的光轉換效率越高。它與太陽能電池開路電壓、短路電流和負載電壓、負載電流的關系式為：FF=UrnF）-ImpUOc-Isc=Pma>UocIsc串并聯電阻對填充因子有較大影響，如圖7所示。串聯電阻越大，短路電流下降越多，填充因子也隨之減少得越多；并聯電阻越小，這部分電流就越大，開路電壓就下降得越多，填充因子隨之也下降得越多。60UN(a)串聯電阻的影響(b)5040<£30q201000OJ0.2030.40.5圖7串、并聯電阻對填充因子的影響曲線圖4,太陽能電池的光譜響應太陽光譜中，不同波長的

11、光具有的能量是不同的，所含的光子的數目也是不同的。因此，太陽能電池接受光照射所產生的光子數目也就不同。為反映太陽能電池的這一特性，引入了光譜響應這一參量。太陽能電池在入射光中每一種波長的光的作用下，所收集到的光電流與相對于入射到電池表面的該波長光子數之比，稱為太陽能電池的光譜響應，又稱為光譜靈敏度。光譜響應有絕對光譜響應和相對光譜響應之分。絕對光譜響應是指某一波長下太陽能電池的短路電流除以入射光功率所得的商，其單位是mA/mWtmA/mWcm2。由于測量與每個波長單色光相對應的光譜靈敏度的絕對值較為困難，所以常把光譜響應曲線的最大值定為1,并求出其他靈敏度對這一最大值的相對值，這樣得到的曲線則

12、稱為相對光譜響應曲線，即相對光譜響應。圖8為硅太陽能電池的相對光譜響應曲線。一般來說，硅太陽能電池對于波長小于約0.35“m的紫外光和波長大于約1.15gm的紅外光沒有反應，響應的峰值在0.80.9“m范圍內。由太陽能電池制造工藝和材料電阻率決定，電阻率較低時的光譜響應峰值約在0.9re在太陽能電池的光譜響應范圍內，通常把波長較長的區(qū)域稱為長波光譜響應或紅光響應，把波長較短的區(qū)域稱為短波光譜響應或藍光響應。從本質上說，長波光譜響應主要取決于基體中少子的壽命和擴散長度，短波光譜響應主要取決于少子在擴散層中01一一1:的壽命和前表面復合速度0.4050.605080,91.01.1波長加m圖8硅太

13、陽能電池的相對光普響應曲線圖5 .太陽能電池的光電轉換效率太陽能電池的光/電轉換效率是指電池受光照時的最大輸出功率與照射到電池上的入射光的功率Pin的比值，用符號表示，即：=ImpUmpPin=PmaxPin太陽能電池的光/電轉換效率是衡量電池質量和技術水平的重要參數，它與電池的結構、結特性、材料性質、工作溫度、放射性粒子輻射損傷和環(huán)境變化等有關。其中與制造電池半導體材料禁帶寬度的關系最為直接。首先，禁帶寬度直接影響最大光生電流即短路電流的大小。由于太陽光中光子能量有大有小，只有那些能量比禁帶寬度大的光子才能在半導體中產生光生電子一空穴對，從而形成光生電流。所以，材料禁帶寬度小，小于它的光子數

14、量就多，獲得的短路電流就大；反之，禁帶寬度大，大于它的光子數量就少，獲得的短路電流就小。但禁帶寬度太小也不合適，因為能量大于禁帶寬度的光子在激發(fā)出電子一空穴對后剩余的能量轉變?yōu)闊崮?，從而降低了光子能量的利用率。其次，禁帶寬度又直接影響開路電壓的大小。開路電壓的大小和p-n結反向飽和電流的大小成反比。禁帶寬度越大，反向飽和電流越小，開路電壓越高。計算表明，在大氣質量為AM1.5的條件下測試，目前硅太陽能電池的理論光電轉換效率的上限值為33%左右；目前商品硅太陽能電池的光/電轉換效率一般為12%15%,高效硅太陽能電池的光/電轉換效率可達18%20%。6 .溫度對太陽能電池輸出性能的影響溫度的變化會顯著改變太陽能電池的輸出性能由半導體物理理論可知，載流子的擴散系數隨溫度的升高而稍有增大，因此，光生電流Il也隨溫度的升高有所增加。但Io隨溫度的升高是指數增大，因而UOC1溫度的升高急劇下降。當溫度升高時，I-U曲線形態(tài)改變，填充因子下降，故光/電轉換效率隨溫度的增加而下降。研究和試驗表