【正文】 ar Energy Systems 2023/3/4 并聯(lián)電阻對(duì)太陽電池參數(shù)的影響 34 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的效率理論分析 ? 太陽電池 的效率（ efficiency） ? 是指太陽電池將入射的太陽光的功率轉(zhuǎn)換成最大的電功率的比例?？捎貌⒙?lián)電阻來表示太陽電池的漏電流的大小。為了求出最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的最大工作電壓和最大工作電流值，可對(duì)上式進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，即通過 dP / dV = 0 即可得出最大工作電壓： ? Vmax = VT In (（ IL ＋ 1/（ I max / VT ＝ 1） )，由此導(dǎo)出最大工作電流： ? I max ＝ Is Vmax e Vmax/VT / VT ? 而太陽電池的最大功率即 Pmax ＝ Vmax I max 30 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的等效電路 ? 串連電阻與并聯(lián)電阻 ? 串聯(lián)電阻（ series resistance: Rs）： 半導(dǎo)體材料本身、或半導(dǎo)體與金屬之間都不可避免存在的電阻。 26 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的等效電路 ? 相對(duì)與二極管，太陽電池在光照情況下產(chǎn)生的光電流 IL 為負(fù)值，即 ? I = Is ( e V/VT – 1 ) – IL ? 如無光照 IL ＝ 0，太陽電池就是一個(gè)普通的二極管 ? 當(dāng)太陽電池短路，即 V = 0 ，則 I ＝ – IL = Isc ，即光電流就等于短路電流。 ? 正常的二極管的 pSi 端 為正極， nSi 端 為負(fù)極，二極管內(nèi)電流從在 pSi 端 到 nSi 端 ，但太陽電池中的電流方向是從 nSi 端 到 pSi 端 ，這正好與二極管相反。 ? 一般而論，太陽電池（ solar cell）是指任何能將太陽光直接轉(zhuǎn)換為電力（ electric power）的器件，這里要強(qiáng)調(diào)的直接轉(zhuǎn)換。這就是太陽電池的工作原理。由于發(fā)射區(qū)和基區(qū)為準(zhǔn)電中性區(qū)域，所形成的光電流為擴(kuò)散電流，這由少數(shù)載流子決定，而多數(shù)載流子并不參與導(dǎo)電。開路電壓也被稱為光電壓（ photovoltage），這也是光伏（photovoltaics）一詞的由來。在光照下條件下，由于內(nèi)建（ builtin）電場的作用，在 pn 結(jié)附近產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)被分離，電子向 nSi 區(qū)漂移，空穴向 pSi 區(qū)漂移，從而產(chǎn)生從 nSi 區(qū)到 pSi 區(qū)的漂移電流，即所謂的光電流。 ? 至今為止，實(shí)際使用的太陽電池主要是利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)制作的。 ? 一般來說，利用光電效應(yīng)也可以制作太陽電池。 在 pn結(jié)附近，電子會(huì)從濃度高的 n型區(qū)向濃度低的 p型區(qū)擴(kuò)散，與此同時(shí)，空穴會(huì)從濃度高的 p型區(qū)向濃度低的 n型區(qū)擴(kuò)散。 p型硅晶體是指硅晶體中加入III族元素作為受體 (acceptor)， 提供價(jià)帶空穴。另外，在半導(dǎo)體中可以傳導(dǎo)的除了帶負(fù)電的電子外，還有帶正電的空穴，這種雙極性的導(dǎo)電機(jī)制是金屬所不具有的。 ? 由于愛因斯坦發(fā)展了普朗克的能量子思想，提出了光子假說，所提出的光電效應(yīng)方程成功地說明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，從而榮獲 1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 ? 第二，假定 1/2(mvm2)＝ 0，則 ν 0=A/h,這表明頻率為 ν 0的光子具有發(fā)射光電子的最小能量。當(dāng)光照射在金屬表面上，金屬表面的一個(gè)自由電子從入射光中吸收一個(gè)光子后，就會(huì)得到能量 hν ，如果 hν 大于電子從金屬表面逸出時(shí)所需的逸出功 A，這個(gè)電子就可從金屬表面逸出，逸出的電子可被稱為光電子。一般來說，半導(dǎo)體的 Dember效應(yīng)不是很明顯。 而 CIS占 %； 11 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池發(fā)明人 :（ 1954, Bell Lab) Daryl M. Chapin, Calvin S. Fuller, Gerald L. Pearson 12 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的基本理論 ? 光電效應(yīng)現(xiàn)象 ? 愛因斯坦的光電效應(yīng)理論 ? 光伏效應(yīng) ? pn 結(jié)形成和特性 ? 太陽電池原理 ? 太陽電池等效電路 ? 太陽電池效率分析 ? 太陽電池的類型 ? 太陽電池的發(fā)展 13 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 光電效應(yīng)現(xiàn)象 ? 光電效應(yīng) (photoelectric effect) 現(xiàn)象最早在 1887年由 Heinrich Hertz在從事電磁波實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，即金屬表面在光的照射下發(fā)射電子。 9 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的發(fā)展歷史 ? 1995 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 MW；光伏電池安裝總量達(dá)到 500 MW； ? 1998 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 MW；多晶 澆鑄 硅 太陽 電池產(chǎn)量首次超過單晶硅； ? 1999 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 MW； 美國 NREL的 等報(bào)道銅銦錫（ CIS）電池效率達(dá)到 %； 非晶硅電池占市場份額%； ? 2023 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 MW，安裝超過 1000 MW，標(biāo)志太陽能時(shí)代到來； ? 2023 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 399 MW。 ? 1981 名為 Solar Challenger 的光伏動(dòng)力飛機(jī)飛行成功； 8 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的發(fā)展歷史 ? 1983 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 MW；名為 Solar Trek的 1 kW光伏動(dòng)力汽車穿越澳大利亞， 20天內(nèi)行程達(dá)到 4000公里； ? 1984 面積為 1平方英尺（ 929 cm2）的商品化非晶硅太陽電池組件問世； ? 1985,單晶硅太陽電池 用于地面供電電源 , 太陽電池售價(jià) 1W10USD, 2023年 , 1W , 2023年美國目標(biāo) : 1W1USD。 ? 1954年雷諾慈發(fā)現(xiàn) CdS具有光伏效應(yīng) , 1960年采用蒸鍍法制得 CdS太陽電池 , 效率為 %, 1964年美國將效率提高 46%, 歐洲提高到 9%。柏克勒爾 (Alexander E. Becquerel 18201891）首次在稀釋的酸液體中發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng) ,即觀察到插在電解液中兩電極間的電壓隨光照強(qiáng)度變化的現(xiàn)象。 （ Alexander E. Becquerel 是 Henri A. Becquerel (18521908)的祖父。 ? 1955 西部電工 (Western Electric) 開始出售硅光伏技術(shù)商業(yè)專利； ? 在亞利桑那大學(xué)召開國際太陽能會(huì)議， Hoffman電子推出效率為 2%的商業(yè)太陽電池產(chǎn)品，電池為 14毫瓦 /片， 25美元 /片，相當(dāng)于 1785 USD/W； ? 1956 , 和 發(fā)表 “ 鍺和硅 pn結(jié)電子電流效應(yīng) ” 的文章； ? 1957 Hoffman電子的單晶硅電池效率達(dá)到 8%； ， “ 太陽能轉(zhuǎn)換器件 ” 專利權(quán)； 6 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的發(fā)展歷史 ? 1958 美國信號(hào)部隊(duì)的 T. Mandelkorn制成 n /p型單晶硅光伏電池，這種電池抗輻射能力強(qiáng)，這對(duì)太空電池很重要； Hoffman電子的單晶硅電池效率達(dá)到 9%； 第一個(gè)光伏電池供電的衛(wèi)星先鋒 1號(hào)發(fā)射， 光伏電池 100平方厘米， W，為一備用的 5毫瓦的話筒供電； ? 1958年開始 , 單晶硅太陽電池在人造衛(wèi)星 \宇宙飛船 \航天飛機(jī)等空間飛行器作為供電電源的應(yīng)用 , 推動(dòng)了太陽電池的發(fā)展 , 形成小型產(chǎn)業(yè)規(guī)模, 單晶硅太陽電池市場價(jià)格 1W100 USD。澳大利亞新南威爾士大學(xué) Martin Green 研制單晶硅的太陽電池效率達(dá)到 20%； ? 1986 6月， ARCO Solar發(fā)布 G4000—世界首例商用薄膜電池 “ 動(dòng)力組件 ” ； ? 1987 11月，在 3100公里穿越澳大利亞的 Pentax World Solar Challenge PV動(dòng)力汽車競賽上， GM Sunraycer 獲勝，平均時(shí)速約為71 km/h； ? 1991 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 MW； 瑞士 Gr228。Wu X.,Dhere .,Aibin （ CdTe）電池效率達(dá)到 %； 單晶硅太陽電池售價(jià)約為 3 USD/W； 德國人制作 PVC太陽電池； ? 2023 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 540 MW；多晶硅太陽電池售價(jià)約為 USD/W； 10 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的發(fā)展歷史 ? 2023 太陽電池年產(chǎn)量超過 760 MW； 德國 Fraunhofer ISE的 LFC（Laser－ fired contact）晶體硅太陽電池效率達(dá)到 20%。 ? 光電效應(yīng)是指金屬表面在光的照射下能發(fā)射電子，即光電子。如器件的金屬接觸不是良好的歐姆接觸 (ohmic contact)， 則金屬－半導(dǎo)體形成的 Schottky接觸的光伏效應(yīng)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過純粹的半導(dǎo)體的 Dember效應(yīng)。 ? 根據(jù)能量守恒定律，愛因斯坦提出 光電效應(yīng)方程 : hν =1/2(mvm2)+ A ? 189。如果光子頻率低于 ν 0（紅限），不管光子數(shù)目多大，單個(gè)光子沒有足夠的能量去發(fā)射光電子。就對(duì)人類的貢獻(xiàn)而言，光電效應(yīng)大于相對(duì)論， 1921年授獎(jiǎng)只字不提相對(duì)論，看來諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)具有 “ 難得糊涂 ” 的先見之明。 ? 光電化學(xué)效應(yīng) (photoelectrochemical effect)也可通過光照產(chǎn)生電壓，一般會(huì)涉及到電介質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)。因此，半導(dǎo)體材料中具有四種帶電電荷：帶負(fù)電的電子，帶正電的空穴，帶負(fù)電的受主離子和帶正電的施主離子。結(jié)果在 pn結(jié)附近的區(qū)域電中性被打破，即靠近 n型區(qū)附近產(chǎn)生正電荷區(qū)，靠近 p型區(qū)附近產(chǎn)生負(fù)電荷區(qū)，兩者通稱為空間電荷區(qū) (space charge region)。在金屬的光電效應(yīng)中，光子的能量被吸收，電子從費(fèi)米能級(jí)（ Fermi energy）附近躍遷到真空能級(jí)。一般的半導(dǎo)體帶隙多在 1－ 2 eV之間，其可吸收太陽光中的紫外線、可見光到紅外線（對(duì)晶體硅來說從紫外到部分紅外線 250－ 1100 nm）。對(duì)于具有 n＋ / p 結(jié)構(gòu)的晶體硅太陽電池而言，產(chǎn)生的光電流方向是從 nSi 區(qū)到 pSi 區(qū)，這正好與一般pn結(jié)二極管的正向電流相反。 22 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的基本原理 ? 太陽電池的最核心部分是 pn 結(jié)，主要有發(fā)射區(qū)、空間電荷區(qū)和基區(qū)組成組成。在內(nèi)建電場的作用下，空間電荷區(qū)的電子和空穴對(duì)光電流都有貢獻(xiàn)，形成所謂的漂移電流。 23 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的基本原理 ? 除了空間電荷區(qū)的電子和空穴要受內(nèi)建電場的作用外，在發(fā)射區(qū)和基區(qū)的少子由于要穿過空間電荷區(qū)也將受到內(nèi)建電場的作用，在空間電荷區(qū)將被加速。 24 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的等效電路 ? 太陽電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)大面積的 pn 結(jié)，它的基本特性可借助一個(gè)理想二極管的電流－電壓關(guān)系來分析。 25 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的理想化等效電路模型 太陽電池的能量轉(zhuǎn)換可用理想化等效電路模型來說明。 ? 當(dāng)太陽電池開路，即 I ＝ 0， 則開路電壓為： ? VOC = VT ln ( IL / Is ＝ 1 ) ? 相對(duì)于二極管的