【正文】 ? 在太陽光譜的可見光范圍內(nèi)，非晶硅的吸收系數(shù)比晶體硅大將近一個(gè)數(shù)量級(jí)，其本征吸收系數(shù)高達(dá) 105cm1。 ? 非晶硅摻 C, 可得到 aSiC, 禁帶寬度 ? eV（寬帶隙） 。 ? 擴(kuò)散制結(jié) 用橫向石英管 或鏈?zhǔn)?擴(kuò)散爐 ,一般用 p型硅片進(jìn)行磷擴(kuò)散形成 n 型 層 。而熱載流從理論上也是可以顯著提高太陽電池效率的途徑之一。 ? 然而，多結(jié)電池解決不了載流子的能帶間的能量釋放（ interband energy relaxation ）即載流子復(fù)合過程：有三種可能：光發(fā)射、聲子發(fā)射和俄歇（ Auger）過程，俄歇過程是載流子之間的能量交換。光子能量大于帶隙的多余部分能量就會(huì)產(chǎn)生使所產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)處于高能態(tài)，后又通過釋放聲子（晶格振動(dòng)）的方式回到能隙附近，即光子能量多余能隙的部分以釋放聲子能量的方式，這樣將使器件產(chǎn)生熱量，從而影響性能。不同的結(jié)之間通過隧道二極管聯(lián)結(jié)（ tunnel diode）起來，這樣，開路電壓就等于多個(gè)不同能隙的電子－空穴的 Fermi 能級(jí)之差的總和，這也是多能隙的太陽電池有相當(dāng)高的開路電壓的原因。 ? 多結(jié)太陽電池 ：以材料的能隙由小到大的順序，從太陽電池的受光面依次排列。 ? 單結(jié)太陽電池 ：對(duì)于太陽光譜的具體情況，從材料角度要得到最高的轉(zhuǎn)換效率，其能隙的寬度為 eV 最為合適，此時(shí)可達(dá)到最高的效率為 31％。 ? 串聯(lián)電阻的增加和并聯(lián)電阻的減少都會(huì)減少填充系數(shù)。國際標(biāo)準(zhǔn)采用人造光源，并規(guī)定三個(gè)基本測試條件 : 1. 即光源的能量 1000 W/m2， 2. 光源光譜分布為 和 3. 太陽電池的溫度保持在 25℃ 。這樣就可用定義一個(gè)參數(shù)即填充系數(shù)（ fill factor : FF）來描述太陽電池的性能： ? FF ＝ Pmax / ISC VOC＝ Vmax I max / ISC VOC ? 事實(shí)上，填充系數(shù) FF 即可反映串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻對(duì)太陽電池的所產(chǎn)生的影響。 理想的太陽電池的并聯(lián)電阻為無窮大，實(shí)際的太陽電池的并聯(lián)電阻為幾十－幾百 Ωcm以上。 ? 并聯(lián)電阻（ shunt resistance ： Rsh）： ? 太陽電池的正負(fù)極之間存在不經(jīng)過 pn 結(jié)的其它導(dǎo)電通道，這樣將造成形成漏電流（ leakage current），如太陽電池中的產(chǎn)生－復(fù)合（generation rebination）電流、表面復(fù)合（ surface rebination）電流、電池邊緣隔離不完全以及金屬電極穿透 pn 結(jié)等都將產(chǎn)生漏電流。 理想的太陽電池的串連電阻為 0。 27 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 太陽電池電流 電壓特性曲線 28 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池 IV特性曲線分析 ? 特征點(diǎn)分析： １－電路負(fù)載為０，即太陽電池短路，電壓為０，但電流達(dá) 到最大，稱為短路電流，此時(shí)太陽電池?zé)o輸出 ２－負(fù)載電阻慢慢調(diào)大，電壓明顯增加，電流略小于短路電流，不是太陽電池最佳工作點(diǎn) ３－負(fù)載電阻調(diào)到曲線拐點(diǎn)，此時(shí)電流和電壓值乘積構(gòu)成曲線下最大矩形面積，此點(diǎn)為最大功率點(diǎn)，為太陽電池最佳工作點(diǎn) ４－電壓略有增加，但電流明顯減小，不是太陽電池最佳工作點(diǎn) ５－負(fù)載電阻無窮大，相當(dāng)于電路開路，電流為０，電壓達(dá)到最大，為開路電壓，此時(shí)太陽電池?zé)o輸出 29 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 ? 太陽電池的輸出功率就是電流和電壓的乘積： ? P = I V = Is V ( e V/VT – 1 ) – IL V ? 對(duì)于確定的太陽輻射，在太陽電池的電流－電壓特性曲線上存在一個(gè)最大功率點(diǎn)。 ? 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)于二極管的電流－電壓關(guān)系曲線，太陽電池的電流－電壓關(guān)系曲線向下移動(dòng) IL 距離，即從第一象限移動(dòng)到第四象限。 Is是二極管飽和電流， RL是負(fù)載電阻。 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。 其中： I－ 電流， V－ 電壓， Is－ 飽和電流（ saturation current）， VT = kB T/q0 ，其中 kB 為 Boltzmann常數(shù) , q0 – 電子電荷， T－ 絕對(duì)溫度， 在室溫下 VT = V。 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。 ? 綜上所述，在太陽光照射下， 以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的太陽電池的光電流主要來自以下三個(gè)部分： 1. 空間電荷區(qū)的電子和空穴在內(nèi)建電場作用下形成的漂移電流； 2. nSi 區(qū)的少數(shù)載流子－空穴所形成的擴(kuò)散電流； 3. pSi 區(qū)的少數(shù)載流子－電子所形成的擴(kuò)散電流。 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。這樣在三個(gè)區(qū)域就形成了從 nSi 到 pSi 的一致方向的光電流。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。 ? 當(dāng)入射光照上太陽電池上時(shí)，在發(fā)射區(qū)、空間電荷區(qū)和基區(qū)同時(shí)都將產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。 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。 ? 在光照條件下，如果將太陽電池正負(fù)級(jí)直接連接，即短路，即可都到短路電流（ shortcircuit current）即光電流；如將太陽電池兩端不連接任何負(fù)載，即開路，即可測得開路電壓（ opencircuit voltage）。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。實(shí)現(xiàn)太陽光到電流轉(zhuǎn)換的核心結(jié)構(gòu)是晶體 Si 的 pn 結(jié)。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）。這主要是存在物理限制：即一般金屬的功函數(shù)大部分都在 3－ 5 eV之間，如此只有紫外線的光子才能產(chǎn)生光電流，但太陽光中紫外線僅占很少一部分，因此，利用金屬的光電效應(yīng)制作太陽電池?zé)o法進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。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)。 19 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 ? 太陽能輻射可以等同于一個(gè)表面溫度為 5800 K的黑體輻射，輻射的能量的波長基本上分布在 250－ 2500 nm范圍，其中紫外線占約 6－ 7％，可見光占約 46％和紅外線占約 47％。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)。 ? pn結(jié)的形成和特性： 將 p型半導(dǎo)體與 n型半導(dǎo)體接觸，就形成 pn結(jié)(junction)。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。 18 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 pn結(jié)的形成與特性 ? 半導(dǎo)體中的導(dǎo)電類型： n型硅晶體是指在硅晶體中加入 V族元素（如磷）作為施主 (donor)， 提供導(dǎo)帶電子。 ? 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)。 ? 一般的半導(dǎo)體的能隙寬度為 1－ 2 eV，其可吸收可見光到紅外線。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。 ? 第三，當(dāng)一個(gè)光子被吸收時(shí)，全部能量就立即被吸收，不需要積累能量的時(shí)間，這就說明了光電效應(yīng)的瞬時(shí)發(fā)生的問題。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。 15 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 16 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 愛因斯坦的光電效應(yīng)理論 ? 光電效應(yīng)方程說明三個(gè)問題 : ? 第一，光電子的初動(dòng)能與入射光頻率之間的線性關(guān)系，即入射光的強(qiáng)度增加時(shí)，光子數(shù)也增多，因而單位時(shí)間內(nèi)光電子數(shù)目也隨之增加，這即可說明飽和電流或光電子數(shù)與光的強(qiáng)度之間的正比關(guān)系。 ? 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。光子的能量 ε = hν （普朗克常數(shù) h= ，光子頻率 ν ）。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)。 ? Dember效應(yīng)：也稱 photodiffusion效應(yīng)，光照射在半導(dǎo)體表面，光子被吸收產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，則半導(dǎo)體表面的載流子濃度增加而向半導(dǎo)體內(nèi)部擴(kuò)散，但由于電子與空穴的擴(kuò)散系數(shù)不同，電子與空穴在空間的分布就不同，因此產(chǎn)生內(nèi)建電場形成實(shí)驗(yàn)可測量到的 Dember電壓。 ? 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。非晶硅電池占市場份額 %,降為 1999年的 1/3，CdTe占 %。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%。1995年納米 TiO2染料敏化電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 10%。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。 ? 1974 日本推出光伏發(fā)電的 “ 陽光計(jì)劃 ” ； Tyco實(shí)驗(yàn)室生長第一塊 EFG晶體硅帶， 25 mm寬， 457 mm長（ EFG： Edge defined Film FedGrowth,定邊喂膜生長）； ? 1977 世界光伏電池超過 500 KW； 1975年控制 pn結(jié)的工作基礎(chǔ)上制成世界上第一個(gè)非晶硅（ aSi）太陽電池； ? 1977年 D. L. Staebler 和 C. R. Wronski 在 aSi:H樣品中發(fā)現(xiàn)，隨光照其光電