Part2光伏材料与器件2017秋季-太阳能光伏器件的基本原理(6).ppt

光伏材料与器件2017.9上次课回顾第一节 人类能源的希望所在太阳能第二节 太阳和太阳辐射第三节 太阳能资源的分布特点第四节 光伏发电历史与现状人类能源利用历史与展望http:/ x 105 TW太阳能是目前可以使用的能源中最经济、最清洁、最环保的可持续能源。风能14TW 风能是太阳辐射下流动所形成的。蕴藏量大，风力发电是当代人利用风能最常见的形式，但是风力断续分散；生物质能5-7TW 生物质能来源于生物质，也是太阳能以化学能形式贮存于生物中的一种能量形式，它直接或间接地来源于植物的光合作用，农村的沼气池就属于生物质能的利用，应用规模不大；水电1.2TW指水体的动能、势能和压力能等能量资源，水利发电较为常用；地热能1.9 TW 地热能资源指陆地下5000米深度内的岩石和水体的总含热量，分布相对来说比较分散，开发难度大；潮汐/海洋能0.7 TW 海洋能指蕴藏于海水中的各种可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐度差能等，限于技术水平，现尚处于小规模研究阶段；太阳和太阳能辐射光球光球色球色球第二章 太阳能光伏器件的基本原理第一节 半导体的基本性质第二节 半导体p-n结第三节 太阳电池基础第四节 影响效率的关键因素2.1 半导体的基本性质2.1.1 半导体的结构半导体的结构 自自然然界界物物质质存存在在的的状状态态分分为为液液态态、气气态态、固固态态。固固态态物物质质根根据据它它们们的的质质点点（原原子子、离离子子和和分分子子）排排列列规规则则的的不不同同，分分为为晶晶体体和和非非晶晶体体两两大大类类。具具有有确确定定熔熔点点的的固固态态物物质质称称为为晶晶体体，如如硅硅、砷砷化化镓镓、冰冰及及一一般般金金属属等等；没没有有确确定定的的熔熔点点，加加热热时时在在某某以以温温度度范范围围内内就就逐逐渐渐软软化化的的固固态态物物质质称称为为非非晶晶体体，如玻璃、松香等。，如玻璃、松香等。晶晶体体又又分分为为单单晶晶体体和和多多晶晶体体。整整块块材材料料从从头头到到尾尾都都按按同同以以规规则则作作周周期期性性排排列列的的晶晶体体，称称为为单单晶晶体体。整整个个晶晶体体由由多多个个同同样样成成分分、同同样样晶晶体体结结构构的的小晶体（即晶粒）组成的晶体，称为多晶体。小晶体（即晶粒）组成的晶体，称为多晶体。硅材料硅材料有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶：单晶：原子在整个晶体中排列有序原子在整个晶体中排列有序原子在微米数量级排列有序原子在微米数量级排列有序多晶：多晶：短程序包含：短程序包含：1 1、近邻原子的种类和数目；、近邻原子的种类和数目；2 2、近邻原子之间的距离（键长）；、近邻原子之间的距离（键长）；3 3、近邻原子的几何方位（键角）；、近邻原子的几何方位（键角）；原子在原子尺度上排列有序原子在原子尺度上排列有序非晶：非晶：单晶、多晶和非晶体原子单晶、多晶和非晶体原子排列排列:晶体的微观结构晶体的微观结构:晶体是原子在三维空间周期性重复排列拓展而成的。原胞为晶体的最小重复单元，按原胞结构的不同构成不同类型的晶体。以立方晶系的原胞为例，有如下种类：金刚石结构（与金刚石结构（与硅硅、锗等半导体类似）、锗等半导体类似）金刚石金刚石10928共价键共价键硅晶体的微观结构硅晶体的微观结构:ABBBBAAA晶胞晶胞同种原子形成的两类格点相互套构同种原子形成的两类格点相互套构顶角、面心顶角、面心体对角线体对角线1/41/4处处1、通过晶格的格点可做许多间距相同而相互平行的平面，为晶面。2、垂直于晶面的法线方向为晶向。3、密勒指数（h k l）表示晶面的方向 选晶格的三条棱边作为坐标系的坐标轴，求出晶面在每一坐标轴的截距，将这三个截距分别化为晶格常数的倍数，并把它们化成互质的整数，加上圆括号（h k l）即为一个晶面或一族晶面的密勒指数。acboacboacbo（100）（110）（111）晶体的晶面晶体的晶面:2.1.2 半导体的能带半导体的能带 真空中的电子得到的能量值基本是连续的，但在晶体中情况不同。真空中的电子得到的能量值基本是连续的，但在晶体中情况不同。原原子子的的壳壳层层模模型型认认为为，原原子子的的中中心心是是一一个个带带正正电电荷荷的的核核，核核外外存存在在着着一一系系列列不不连连续续的的、由由电电子子运运动动轨轨道道构构成成的的壳壳层层，电电子子只只能能在在壳壳层层里里绕绕核核转转动动。在在稳稳定定状状态态，每每个个壳壳层层里里运运动动的的电电子子具具有有一一定定的的能能量量状状态态，所所以一个壳层相当于一个能量等级，称为以一个壳层相当于一个能量等级，称为能级能级。+14E5E4E3(4)E2(8)E1(2)一一个个能能级级也也表表示示电电子子的的一一种种运运动动状状态态，所所以以能能态态、状状态态与与能能级级的的含含义义相相同同。图图为为硅原子的电子能级图。硅原子的电子能级图。+14能级能级能级能级能级能级能带能带能带能带能带能带禁带禁带禁带禁带电子轨道对应的能带电子轨道对应的能带 在在孤孤立立原原子子中中，电电子子只只能能在在各各允允许许轨轨道道上上运运动动。晶晶体体中中，原原子子之之间间距距离离很很近近，相相邻邻原原子子的的电电子子轨轨道道相相互互重重叠叠、互互相相影影响响。与与轨轨道道相相对对应应的的能能级级分分裂裂成成为为能能量量非非常常接接近近但但又又大大小小不不同同的的许许多多电电子子能能级级，称称为为能能带带。每层轨道都有一个对应的能带。每层轨道都有一个对应的能带。电电子子在在每每个个能能带带中中的的分分布布，一一般般是是先先填填满满能能量量较较低低的的能能级级，然然后后逐逐步步填填充充能能量量较较高高的的能能级级，并并且且每每条条能能级级只只允允许许填填充充两两个个具具有有同同样样能能量的电子。量的电子。能级能级能带能带电子电子电子在价带上的分布电子在价带上的分布 内内层层电电子子能能级级所所对对应应的的能能带带，都都是是被被电电子子填填满满的的。最最外外层层价价电电子子能能级级所所对对应应的的能能带带，有有的的被被电电子子填填满满，有有的的未未被被填填满满，主主要要取取决决于于晶晶体种类。硅、锗等半导体晶体的价电子能带全部被电子填满。体种类。硅、锗等半导体晶体的价电子能带全部被电子填满。允许允许能态的占有能态的占有几率几率:费米能级费米能级 低低温温下下（0K），晶晶体体的的某某一一能能级级以以下下的的所所有有可可能能能能态态都都被被两两个个电电子子占据，该能级称为占据，该能级称为费米能级费米能级（EF）。）。10ET0T=00.5EF 接接近近于于0K时时，能能量量低低于于EF，f(E)基基本本上上是是1，能能量量高高于于EF，f(E)为为零零。温温度度为为T时时，电电子子子子占占据费米能级几率据费米能级几率为为50%的能级的能级EFEFEF(a)在金属中在金属中(b)在绝缘体中在绝缘体中(c)在半导体中在半导体中导体、绝缘体以及半导体：导体、绝缘体以及半导体：电子电子和和空穴：空穴：底层完全被汽车占满，而顶层完全空着，因此没任何可供汽车移动的余地。底层完全被汽车占满，而顶层完全空着，因此没任何可供汽车移动的余地。其中一辆车从第一层移动到第二层，那么第二层的汽车就能任意自由移动。其中一辆车从第一层移动到第二层，那么第二层的汽车就能任意自由移动。2.1.3 半导体的光吸收半导体的光吸收31电磁波谱的范围吸 收 光 谱待待测测样样品品吸收系数：光在介质中传播时有衰减，说明介质对光有吸收。用透射法测定光在介质中传播的衰减情况时，发现介质中光的衰减率与光的强度成正比，引入比例系数，即：其中x是介质的厚度，比例系数的大小和光的强度无关，称为光的吸收系数。对上式积分反映出吸收系数的物理含义是：当光在介质中传播1/距离时，其能量减弱到原来的1/e。积分得 光在导电介质中传播时具有衰减现象，即产生光的吸收，半导体材料通常能强烈的吸收光能，具有105cm-1的吸收系数。对于半导体材料，自由电子和束缚电子的吸收都很重要。价带电子吸收足够的能量从价带跃迁入导带，是半导体研究中最重要的吸收过程。与原子吸收的分立谱线不同，半导体材料的能带是连续分布的，光吸收表现为连续的吸收带。光吸收的种类：本征吸收激子吸收晶格振动吸收杂质吸收自由载流子吸收参与光吸收跃迁的电子可涉及以下几类：价电子内壳层电子杂质或缺陷中的束缚电子 价带电子吸收能量大于或等于禁带宽度的光子使电子从价带跃迁入导带的过程被称为本征吸收。当半导体被光照射后，如果光子的能量等于禁带宽度(即h=Eg)，则半导体会吸收光子而产生电子-空穴对，如(a)所示。若h大于Eg，则除了会产生电子-空穴对之外，多余的能量(h-Eg)将以热的形式耗散，如(b)所示。本征吸收 以 上(a)与(b)的过程皆称为本征跃迁，或称为能带至能带的跃迁。另一方面，若h小于Eg，则只有在禁带中存在由化学杂质或物理缺陷所造成的能态时，光子才会被吸收，如(c)所示，这种过程称为非本征跃迁。CEVEgE)(a)(b)(cuhtECEVEgE)(a)(b)(cuhtE（2）直接跃迁和直接带隙半导体 参照右图所示的一维E(k)曲线可见，为了满足选择定则，吸收光子只能使处在价带中状态A的电子跃迁到导带中k相同的状态B。A与B在E(k)曲线上位于同一竖直线上，这种跃迁称为直接跃迁。在A到B的直接跃迁中所吸收的光子能量h与图中垂直距离相对应。就是说，和任何一个k值相对应的导带与价带之间的能量差相当的光子都有可能被吸收，而能量最小的光子对应于电子从价带顶到导带底的跃迁，其能量等于禁带宽度Eg。本征吸收形成一个连续吸收带，并具有一长波吸收限0Egh。因而，从光吸收谱的测量可以求出禁带宽度Eg。在常用半导体中，III-族的GaAs、InSb及-族等材料，导带极小值和价带极大值对应于相同的波矢，常称为直接禁带半导体。这种半导体在本征吸收过程中发生电子的直接跃迁。由理论计算可知，在直接跃迁中，如果对于任何k值的跃迁都是允许的，则吸收系数与光子能量的关系为：（3）间接跃迁与间接带隙半导体：诸如硅和锗的一些半导体材料，导带底和价带顶并不像直接带隙半导体那样具有相同的波矢k。这类半导体称为间接带隙半导体，对这类半导体，任何直接跃迁所吸收的光子能量都应该比其禁带宽度Eg大得多。因此，若只有直接跃迁，这类半导体应不存在与禁带宽度相当的光子吸收。这与实际情况不符。这就意味着在本征吸收中除了有符合选择定则的直接跃迁外，还存在另外一种形式的跃迁，如右图中的OS跃迁。在这种跃迁过程中，电子不仅吸收光子，同时还和晶格振动交换一定的能量，即放出或吸收一个或多个声子。这时，准能量守恒不再是电子和光子之间所能满足的关系，更主要的参与者应该是声子。这种跃迁被称为非直接跃迁，或称间接跃迁。总之，半导体材料的光吸收过程中，如果只考虑电子和光子的相互作用，则根据动量守恒要求，只可能发生直接跃迁；但如果还考虑电子与晶格的相互作用，则非直接跃迁也是可能的，这是由于依靠发射或吸收一个声子，使动量守恒原则仍然得到满足。由于间接跃迁的吸收过程一方面依赖于电子和光子的相互作用，另一方面还依赖于电子与晶格的相互作用，因此理论上这是一种二级过程。其发生概率要比直接跃迁小很多。因此，间接跃迁的光吸收系数比直接跃迁的光吸收系数小很多。前者一般为11103cm-1数量级，而后者一般为11041106cm-1。常规半导体的吸收谱线载流子的运动与传输载流子的运动与传输载流子的运动形式有两种：漂移运动与扩散运动。载流子的运动形式有两种：漂移运动与扩散运动。1.漂移运动漂移运动 载流子在外电场作用下的运动称为漂移运动，由此引起的电流称为载流子在外电场作用下的运动称为漂移运动，由此引起的电流称为漂移电流。漂移电流。2、扩散运动、扩散运动 半导体材料内部由于载流子的浓度差而引起载流子的移动称为载流子半导体材料内部由于载流子的浓度差而引起载流子的移动称为载流子的扩散运动。的扩散运动。空空穴穴将将从从浓浓度度高高的的向向浓浓度度低低的的方方向向扩扩散散，形形成成扩扩散散电电流流I IP P，浓浓度度差差越越大大，扩扩散散电流越大。电流越大。载流子的复合载流子的复合导带导带价带价带EF1.直接复合直接复合导带电子直接跳回价带与空穴复合叫直接复合。导带电子直接跳回价带与空穴复合叫直接复合。2.间接复合间接复合 电电子子和和空空穴穴通通过过复复合合中中心心复复合合叫叫作作间间接接复复合合。由由于于半半导导体体中中晶晶体体的的不不完完整整性性和和存存在在有有害害杂杂质质，在在禁禁带带中中存存在在一一些些深深能能级级，这这些些能能级级能能俘俘获获自由电子和自由空穴，从而使它们复合，这种深能级称为自由电子和自由空穴，从而使它们复合，这种深能级称为复合中心复合中心。导带导带价带价带EF复合复合中心中心通通常常，在在自自由由载载流流子子密密度度较较低低时时，复复合合过过程程主主要要是是通通过过复复合合中中心心进进行行；在在自自由由载载流流子子密密度度较较高高时时，复复合过程则主要是直接复合。合过程则主要是直接复合。3.表面复合表面复合 复复合合过过程程可可发发生生在在半半导导体体内内，也也可可发发生生在在半半导导体体表表面面。电电子子和和空空穴穴发发生生于于半半导导体体内内的的复复合合叫叫体体内内复复合合；电电子子和和空空穴穴发发生生于于靠靠近近半半导导体体表表面面的一个非常薄的区域内的复合叫作表面复合。的一个非常薄的区域内的复合叫作表面复合。导带导带价带价带EF表面表面陷阱陷阱在在硅硅晶晶体体中中，原原子子按按四四角角形形系系统统组组成成晶晶体体点点阵阵，每每个个原原子子都都处处在在正正四四面面体体的的中中心心，而而四四个个其其它它原原子子位位于于四四面面体体的的顶顶点点，每每个个原子与其相临的原子之间形成原子与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。硅的晶体结构：硅的晶体结构：半导体的掺杂半导体的掺杂硅晶体中的正常键硅晶体中的正常键共价键共价键电子被激发，晶体中出现空穴电子被激发，晶体中出现空穴+4+4+4+4+4+4+4+4族和族和族掺杂剂族掺杂剂五价原子砷掺入四价硅中，多余的价电子环五价原子砷掺入四价硅中，多余的价电子环绕离子运动绕离子运动价带价带导带导带施主能级施主能级空穴空穴 三价原子硼掺入四价锗晶三价原子硼掺入四价锗晶 体中，空穴环绕体中，空穴环绕 离子运动离子运动价带价带导带导带受主能级受主能级导电能力最终决定于：导电能力最终决定于：1.载流子的多少载流子的多少；2.载流子的性质；载流子的性质；3.载流子的运动速度。载流子的运动速度。一一.本征半导体本征半导体 指指“纯净纯净”的半导体单晶体。在常温下，它有微弱的导电能力，其中载的半导体单晶体。在常温下，它有微弱的导电能力，其中载流子是由本征热激发产生的。流子是由本征热激发产生的。激发使激发使“电子电子空穴对空穴对”增加，复合使增加，复合使“电子电子空穴对空穴对”减少，一定温减少，一定温度下，这两种过程最终将达到动态平衡，在动态平衡状态下，单位时间内激发度下，这两种过程最终将达到动态平衡，在动态平衡状态下，单位时间内激发产生的载流子数目等于因复合消失的载流子数目，因而自由电子（或空穴）的产生的载流子数目等于因复合消失的载流子数目，因而自由电子（或空穴）的浓度不再发生变化，该浓度统称为浓度不再发生变化，该浓度统称为“本征载流子浓度本征载流子浓度”ni。2.2.1 PN静电学静电学2.2 半导体p-n结ni=n0=p0式中，式中，n0表示热平衡状态下的电子浓度，表示热平衡状态下的电子浓度，p0表示热平衡状态下的空穴浓度，在表示热平衡状态下的空穴浓度，在T=300K时，时，Si的的ni=1.51010/cm3,Ge的的ni=2.41013/cm3温度愈高，本征激发产生的载流子数目愈多，温度愈高，本征激发产生的载流子数目愈多，ni愈大，导电性能也就愈好。愈大，导电性能也就愈好。注意：注意：ni的绝对数值似乎很大，但与原子密度相比，本征载的绝对数值似乎很大，但与原子密度相比，本征载 流子浓度仍然极小，流子浓度仍然极小，所以本征半导体的导电能力是很差的。所以本征半导体的导电能力是很差的。杂质杂质半导体半导体在本征半导体中，掺入即使是极微量的其他元素（统称为杂质），其导电在本征半导体中，掺入即使是极微量的其他元素（统称为杂质），其导电性能将大大增强。例如掺入性能将大大增强。例如掺入0.0001%杂质，半导体导电能力将提高杂质，半导体导电能力将提高106倍！倍！p-n结的形成吸收光，产生电子空穴对只有高于带隙能量的光能够被吸收产生的载流子须具有足够长的寿命在PN结的作用下，电子空穴分别被两个电极收集http:/www.pveducation.org/pvcdrom/light-generated-current2.3 太阳电池基础太阳电池的能带栅线栅线减反膜减反膜n n型掺杂层型掺杂层p p型衬底型衬底背电极背电极太阳光太阳光太阳电池的结构太阳电池的结构前面板（通常为玻璃）对光的高透过低反射（镀膜、绒面结构）良好的防水（汽）性能稳定（抗紫外辐射）足够的机械强度，支撑作用封装材料（常用EVA材料）使得电池片与前面板和后面板紧密贴合耐高温和耐紫外辐射太阳电池的组件后封装材料（有机材料或玻璃）防止水汽进入良好的导热性能接线盒框架（通常为铝合金）电池（片）电气上串并联连接尽量密布太阳电池的组件太阳能电池太阳能电池的输出参数的输出参数 1.短路电流短路电流ISC，理想情况下为光生电流，理想情况下为光生电流IL 2.开路电压开路电压VOCIL暗特性暗特性ImpVmpVOCIscVIO输出功率输出功率 3.填充因子填充因子FF是输出特性曲线是输出特性曲线“方形方形”程度的量度，一般在程度的量度，一般在0.70.85范围内。范围内。二极管饱和电流二极管饱和电流能量转换效率为：能量转换效率为：商用太阳能电池的能量转换效率通常为商用太阳能电池的能量转换效率通常为15%18%光生电流的评价光生电流的评价量子效率量子效率太阳电池收集到的载流子的数量与入射到太阳电池中的光子的数量的比值能量低于材料带隙的光子不被吸收理想太阳电池的量子效率曲线太阳电池直流等效电路模型太阳电池直流等效电路模型把光照下的p-n结看作一个理想二极管和恒流源并联，恒流源的电流即为光生电流IL，RL为外负载。IL的能力通过p-n结的结电流Ij用二极管表示由扩散理论，二极管结电流：代入上式：利用P/N结光生伏特效应做成的理想光电池的直流等效电路图太阳能电池光照后产生一定的光电流IL，其中一部分用来抵消结电流Ij，另一部分即为供给负载的电流IR。其端电压V、结电流Ij以及工作电流I的大小都与负载电阻R有关前面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。流经负载的电流，经过它们时，必然引起损耗，总效果用一个串联电阻RS来表示电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻RSH来等效实际太阳电池直流等效电路太阳电池的太阳电池的I-VI-V曲线与参数曲线与参数短路电流Isc的影响因素电池面积（短路电流密度Jsc）光子数量（光照强度）入射光光谱光学损失收集几率开路电压，饱和电流决定，与电池内的复合有关载流子浓度计算Voc：填充因子FF，太阳电池能够输出的最大功率经验公式：测量法：70The Shockley-Queisser limit2.4 影响效率的关键因素71Due to the S-Q limit,the efficiency of a single gap solar cell is limited to 34%with an appropriate band gap energy(1.34 eV).For silicon:29%.The Shockley-Queisser limit