太阳能电池教程

绪论（ introduction ）第一章 阳光的特性1.1 波粒二象性1.2 黑体辐射1.3 太阳和它的辐射1.4 地表的日光辐射1.5 直射和散射1.6 温室效应1.7 太阳的外表运动1.8 日射率的度量1.8.1 全球的等通量1.8.2 直射和散射特性1.8.3 日照时间资料1.8.4 数据的卫星云图1.9 太阳能和光伏发电第二章 半导体和 P-N 结2.1 半导体2.1.1 键矩2.1.2 能带模型2.1.3 掺杂（半导体的掺杂）2.2 半导体的类型2.2.1 单晶硅2.2.2 多晶硅2.2.3 无定形硅2.3 光吸收2.4 再结合2.5 P-N 结第三章 太阳能电池的性质3.1 光的作用3.2 光谱响应3.3 温度的影响3.4 串联电阻的作用第四章 电池的特性和构造4.1 效率4.2 光损耗4.3 重组损耗4.4 表面接触设计4.4.1 基体体及表面电阻率4.4.2 栅线距离4.4.3 其它损耗4.5 实验电池 VS工业需求4.6 激光凹槽隐匿接触电池第五章 PV 电池的交互联系以及组成部件的加工5.1 组件和电路的设计5.2 单体电池5.3 多个电池5.4 多个组件5.5 热斑效应5.6 组件的结构5.7 环境保护5.8 热量考虑5.9 电绝缘5.10 机械保护5.11 衰减因素绪论光伏学是一门利用太阳能电池将太阳光直接转化为电能的一种艺术。早在1839 年，法国小伙子埃德蒙 贝克勒尔 19 岁时，在他父亲的实验室里第一次论证（证实了）了光电池的设计。然而，对于这种效用的理解和开发依赖于一些20 世纪的重要的科学和技术的发展。一个是量子力学的发展，它是 20 世纪最主要的智力成就之一。 另一个是半导体技术的发展， 它对电子学革命以及微芯片的扩散起着重要的作用。 在 （ loferski,1993 ） 中有现代光伏电池有趣的发展历史。幸运的是， 由于它的来由和发展背景， 太阳能电池利用的简易性和可靠性是技术优点之一。 这本书在开始几章中， 我们讲述了在这个过程中的两个最重要的要素的特性，一是阳光，它是最基础的能量来源，二是太阳能电池，通过完美地内在过程将阳光转化为电能。 在检查一套光伏系统之前， 我们先从特定目的的应用来看看电池的生产和组件， 比如说通过家庭独立的能量供给的太阳能汽车或者water pumping to 大的与发电所连接的输电线路。这本书的目标是为这个领域的工作者提供最基本的信息， 这些信息在理解光伏电池的操作规则，确定正确的应用和进行简单的光伏电池系统的设计是必需的。 它基于应用于 N.S.W大学电子工程系的课程资料 , 它将继续被用作基础课程。随着熟悉光伏电池的概念及其应用的大学毕业生数量的增长， 我们希望在澳大利亚以及全世界增加光伏电池的应用。第一章 阳光的特性1.1 波粒二象性在过去的几个世纪中， 人们对光的理解在两个明显冲突的观点之间来回反复的改变（在 Gribben 1984 有大量的可读性强的量子理论的发展过程） 。在 17 世纪晚期，牛顿的光是由粒子组成的理学观点是非常流行的。直到 19 世纪早期，杨和菲涅耳通过实验表明光束具有干涉作用，这表明光是由波构成的。直到 19世纪 60 年代，麦克斯韦的电磁场理论被接受，光被理解为不同波长的电磁波频谱的一部分。 在 1905 年， 爱因斯坦提出光是由离散的粒子流或者量子能量组成，并且用这种理论解释了光电效应。 光的这种本性现在完全被接受了。 光被认作具有波粒二象性，用公式可以表达如下：E hf hcf ：光束的频率； ：光束的波长； E ：光子的能量； h ：普朗克常量，其值为346.625 10 Js ； c：光速（ 83.00 10 m s ） 。在定义光伏电池或太阳电池的过程中， 光有时候被看作波， 有时候被看作粒子或是光子。1.2 黑体辐射黑体是一个能吸收全部入射辐射的理想物体和理想的辐射发射源。 当黑体受热的时候，它开始发光 , 也就是说，它开始发出电磁辐射。给金属加热就是一个最常见的例子。 金属得到的热量越多， 他发出的光的波长越短， 由最开始的红色逐渐的变为了白色。传统的物理学不能够解释从被加热物体辐射出来的光的波长分配。 然而， 在1900 年，麦克斯韦得出一个描述这种分配数学表达式。这个表达式直到五年以后—爱因斯坦的量子理论出现—才被基础的物理学理解。 当温度 T 给定， 黑体辐射的能量密度，取决于辐射频率及其范围，即 f 和 df ，由普朗克辐射法则给出：338( )[exp( ) 1]hf dff dfc hf kT( )f ：每单位面积上单位波长的能量； k ：玻尔兹曼常量。图 1.1 阐明了， 黑体辐射能量的分配随温度的变化。 图中最低的曲线是黑体的温度为 3000K 时，大约为白炽灯中钨丝的温度。大约在波长为 1 处辐射能量达到的最大值，此波长处于红外线波段。在这种情况下，辐射的能量中，处于可见光波段（ 0.4 ～ 0.8 m）的只占很少的一部分，这就说明了这些灯为什么效率这么低。超过大多数金属熔点的温度能够在这个范围（ 0.4 － 0.8 m）内改变峰值能量。图 1.1 1.3 太阳和它的辐射太阳是一个气体高温球体， 它的热量来源于内部的核聚变反应。 它的内部温度高达 20， 000， 000K。图 1.2 表明，来自于太阳内部的剧烈辐射的能量被接近于它表面的氢离子层吸收。 能量的转移是通过这种方式进行的， 首先能量通过光学屏障（氢离子）转移，然后在太阳最外层表面再辐射，这就是我们看到的光球了。图 1.3 这种辐射能近似于从一个 6000K的黑体辐射的能量，见图 1.3 。1.4 地球表面的太阳光辐照度尽管太阳表面的光是连续的，但是由于地球上大气层的吸收和散射 ,到达地球表面的光是不同的。天气晴朗时， 太阳光直射通过大气层的距离最短， 到达地球表面的辐照度是最大的。太阳在头正上方 φ 角时，光程大约是 1/cosφ 。这光程通常称做大气质量。因此大气质量 =1/cosφ 。当 φ =0 时，大气质量等于 1 或 AM1 的辐照度。当 φ =60 时，大气质量等于 2 或 AM2 的辐照度。 AM1.5 是光伏行业的标准辐照度（相当于太阳光的角度 48.2o）在任何地方大气质量都可以通过下面公式估算出来：21 ( / )AM s h（ 1.4）式中 h 是垂直物体的高度， s 是物体阴影的长度， 如图 1.5 所示。附录Ｂ中的 1.5AM 光谱，例如整个波长段的能量总和，总的能量密度接近970W/m2。 这个光谱或 1000W/m2 的归一化光谱是目前用于光伏行业的标准光谱。后者接近于地球表面获得的最大能量值。 相当于归一化光谱的能量和光通量通过乘以 1000/970 获得。为了在一个真实的系统中获得太阳电池或组件的特性， 以上讨论的标准光谱必须与系统安装地的实际太阳日射能量相联系。图 1.11 说明了全球和季节不同日射能量。1.5 直接辐射和漫散射由于下列因素太阳通过大气层到达地球表面时大约减少 30%。1.大气中分子的瑞利散射 ,尤其是对短波长的光（～ λ -4dependence） 。2.通过大气中的悬浮颗粒和灰尘颗粒散射。3.通过大气中的气体如 O2、臭氧、 H2O 和 CO2 吸收。后者在图 1.6 中明显出现吸收带，波长小于 0.3μ m 的被臭氧强烈吸收。大气中臭氧的耗尽使得更多的这类短波长光到达地球，对生物系统带来危害。大约 1μm 的带隙是由水蒸气吸收、 CO2 在长波段的吸收产生的。再一次，改变大气中CO2 的成分对地球上的气候和生物系统都有重要意义。图 1.7 显示大气散射如何导致来自各个方向的太阳光的漫射成分。 由于在短波更有效的散射，漫反射主要在光谱末端的蓝光。因此，天空呈蓝色。AM1 的辐照（太阳在头正上方的辐照）在天气晴朗时大约有 10%的散射成分。这一百分比随着大气质量的增加而增加，多云天气也会增加。当然，云的覆盖是辐照度消减和散射的一个重要原因。积云，也就是大块的，低海拔的云， 对阻挡太阳光非常有效。 然而， 大约一半被积云阻挡的直射光以散射的形式补偿。卷云，小块的、高海拔的云，不会阻挡太阳光，但是把 2/3 的直射光转换成散射光。 在完全的阴天， 没有阳光， 到达地球上的光绝大部分是散射光。1.6 温室效应为了保持地球上的温度，从太阳到达地球的能量必须与从地球散发出的能量相等。 大气层干预光的进出。 水蒸气主要吸收 4-7μ m 波长的光， CO2 主要吸收 13-19μ m 波长的光，大部分逃逸出去的光（ 70%）在 7-13μ m 之间。如果像月亮一样没有大气层，地球表面的平均温度将大约是 -18oC。然而，大气层中 270ppmCO2 的自然本底水平使地球的平均温度到达 15oC，高出月球 33oC。图 1.9 显示如果地球没有大气层并且地球和太阳都是理想的“黑体” ，吸收和散发的能量的波长分配。人类的行为逐渐增加释放到大气层的“人为气体” ，尤其是 CO2、甲烷、臭氧、氮的氧化物和氟氯化气体 （ CFC s） ， 吸收 7-13μ m 波长范围的光。 这些气体阻止能量的散发， 将会导致温度严重升高。 目前证据显示 CO2 效应到 2030 年将会增加一倍，导致全球温度升高 1-4oC。这将会导致风的种类和降雨量的改变。大陆内部可能会变干，海洋将升高 30cm。当然，进一步增加人为气体的排放，会产生更严重的后果。显然， 人类的行为现在已经到达对行星自身维持系统产生影响的程度。 副作用应当减少， 低的环境影响和没有温室效应气体排放的技术在未来的几十年将会越来越重要。 因为能量部分是温室效应气体的主要产生者， 通过化石燃料的燃烧。 例如光伏产品能取代石化燃料，这一技术的应用将会增加。1.7 太阳的明显运动太阳的运动和它在子午线的位置与纬度 35oN 的固定观察者的关系如图 1.10 所示。 太阳的路径在一年中是不同的它的极限位置出现在夏至、 冬至、 春分和秋分。在春分和秋分（ 3 月 21 和 9 月 23） ，太阳由东边升起西边落下。在子午线，高度等于 90o减去这个纬度。在冬至和夏至（ 6 月 21 和 12 月 22）分别对南半球和北半球，在子午线的高度根据地球的偏差（ 23o27 ）增加或减少。附录 A 给出了计算太阳在天空的任何时间任何点的公式。1.8、日射测量有许多测量日射的仪器， 最简单的是日光仪， 它通过用聚焦光在旋转的图上烧一个洞来测量太阳光的小时数。 硅电池本身形成下一组精密仪器的基础。 热电效应（电压通过不同材料的结的不同的热量产生） 形成了更准确的仪器的基础 （高温计、 太阳热量计） 因为这个效应对光的波长不敏感。 用合适的方法获取准确的日射量对光伏系统的设计非常重要。1.8.1、全球的日射量计算最广泛可用的数据是每天、 每月或每季落在地平线的表面的全球辐照度 （包括直射和散射） 。 图 1.11显示了每一季每一天的季节性的全球日照量的例子 （ MJ/m2） 。应当找出每一个具体位置的更准确的数据， 更好的是找出直射和散射的组成成分的形式而不仅仅是总的日照量。1.8.2、直射和散射的日照数据下面的方法可以确定入射在相对水平位置的倾斜角 β 的太阳电池板的的相对日射量：首先，我们假定散射成分 D 独立于倾斜角（理论上接近不大于 45 度的倾斜角的值）第二，在水平面的直射部分 S 可转换成入射在倾斜角度 β 的直射部分 Sβ ，如图1.12 接下来，我们得到：Ssin ( + )Ssin（ 1.5）式中 β α 是正午时间太阳的高度，给定o90（ 1.6）式中 φ 南半球纬度， δ 是按下式给定的太阳的偏差角o23.45 sin d 81 360/ 365（ 1.7）其中 d 是天数，从 1 月 1 日开始， 1 月 1 日 d=1。上面的式子适用于 在 南半球 朝 北放置 的 组件（如 果在北 半球朝南放 置用90 式中 现在是北半球纬度） 。公式 1.5 严格来说仅在中午是正确的， 然而经常用在 角的组件中平均每天在水平面的直接辐照的太阳光的强度，因此产生一个小错误。然而如果直射和散射光各自的成分不知道， 用全球每月总的辐照度和理论计算的大约许多的晴天和阴天的总辐照度等同起来作为两者的一个合理的近似值 （适用于大多数地方）理论计算过程如下：（ 1） “晴天” -每天直射光的密度是由基于实验的大气质量的一个函数所决定。I=1.353*[0.7Air Mass] 0.678KW/m 2 （ 1.8）式中 I 是产生在垂直于太阳光线的平面的直射光的密度。大气质量值是一个纬度函数，一年的时间和一天的时间，可以用附录 A 中的算法进行计算。通过确定具体一整天的 I 值， 就可以计算出每天的直射度。 然后这个值增加 10% 来解决散射成分，它的原始值在 1.3 图中可以看到。然后给出一个给定的时间和地点的晴天的每天日照的期望值。（ 2） “阴天” -所有产生的光假定是散射光，由 1.8 式所确定的 20%的水平表面的密度。接着，对于阴天的每天日照度的近似值可以计算出来。通过假定由方法 1 和方法 2 所给出的晴天和阴天的一个大概数描述了已知的全球平均日照度数据，然后直射和散射部分被确定。然后由（ 1.5)-(1.8）概述的方法用于确定照在与水平面成 角的平面上的日照度。图 1.14 给出了典型的晴天和阴天的日常阳光密度曲线图。阴天阳光密度仅为晴天的 10% ， 由于直射部分相对于水平面倾斜 60o 方阵的散射部分增加了。 图 1.15 显示在南纬 23.5o的地方倾斜的方阵在日常太阳光能量收集的效果。注意尽管公式 1.8 独立于日照波长，事实上，不同波长的光按照下面表达被不同程度的削弱：AM0 AM1AMKAM0I III **K **0.678 （ 1.9）式中 K 是大气质量值 是光的波长。改变光谱分布对太阳电池的输出有重要的影响。然而这一影响经常被忽略，因为硅太阳电池吸收的光的波长不超过 1.1 微米并且组件的反射随入射光倾斜角增加，相应的长波长的光和大气质量的增加。1.8.3 太阳日照时数太阳日照数据的另一形式被普遍的用作太阳“日照时数” （ SSH） 。这一术语指出在一个给定的时间内太阳照射产生亮度的时间， 但是它不是绝对的数值， 只能指出太阳的组成成分。关于太阳时数的测量法被用于生产一种坎贝尔日照时间工具， 通过将光线集中照射到一个移动带上， 如果阳光足够亮它将燃烧。 用同样的方法不能将分散的光线聚集到一起，因为符合日照时间的长短不一。对于 PV系统的设计，难点在于如何将 SSH转换成便于使用的形式。有一种技术被澳大利亚电信业使用，用 SSH数据去测量全球辐射，使用衰退公式如下：R/Ro= α +β n/N (1.10) 其中：R=每天地球辐射的测量值Ro=每天地球以外的辐射值N=SSH值（一天中可见太阳的时间）α ， β =实验得出的衰退常数被用在衰退公式中的测量值的精确性， 已在不同的地点与实际值进行核对过， 大体上在 10%以内。电信的研究证实衰减常数应为：α =0.24 ， β =0.48 尽管许多依赖纬度已被发现。这些数据应该适合澳大利亚地区，尽管有更复杂的公式：α ＝ 0.10+0.24 （ n/N） （ 1.11 ）β =0.38+0.08 （ n/N） （ 1.12 ）已经从世界各地使用的数据中得出。从 SSH数据中测量地球辐射的一个更好的办法是使用 n/N 的数据作为晴天百分率的估测值，而将 (N-n)/N 作为多云天的百分率的估测值。每天那些特殊纬度的空气质量数据被用于去精确地估测日射 via Eqn. （ 1.8) 的成分。扩散成分可以通过假定晴天有 10%的日射是扩散的来估测， 在多云天气的平均太阳强度是晴天的20%。1.8.4 卫星云图覆盖数据每三小时，在澳大利亚气象局的卫星云图都会被更新。符合图 1.16 所示的数据都是可利用的， 在 2.5 公里处测得。 这样的数据能直接通过计算机进行分析和处理帮助我们更精确的去估测多云天与晴天的百分率。 卫星数据收集了好多年， 现被用于连接 Eqn.（ 1.8 ）和附录 A去使与日射等级相关的估计更加精确。来自气象局的可利用的云图分析图表，如图 1.17 所示。通过标准符号和以往习惯来描绘云图分布， 说明云的类型， 数量和大小， 以及云之间的距离和各种类型云的长度和宽度。覆盖等级通过地面与卫星连接所拍摄的图片来决定。云图分析将云分为层云状， 积云状， 卷云状和积雨状几种类型， 每种类型都有自身的特点，都会影响日照。1.9 太阳能和光电效应光电技术与量子技术的发展有着密不可分的关系。 太阳能电池与光子和量子相符合，在电池的设计中不能忽略光的波粒二象性。在大气层以外， 日照本身接近理想的黑体辐射。 无能者用古典理论解释黑体辐射本身是造成量子技术发展的原因， 并依此去理解太阳能电池的生产。 太阳的反射光，地球本身放射的类似于黑体，但由于越低的温度越能集中一些更长的波长。通过地球的大气层减少亮度来吸收和分散光，光的波长分布能够到达地球表面。它也能干扰地表向外辐射的能量， 导致地球温度比月球温度高， 另外温室效应气体也导致地球温度变高。 由于照射到地球上的波长的可变性， 一个标准太阳光谱被用在光电产品上。 目前最标准的地球应用工具是全球 1.5 频谱扫描系统， 表格在附录 B 中。光电系统的设计主要依赖于日射数据有效性和准确性。 不幸的是， 精确的日射数据很少被用于光电系统的远程定位。 尽管如此， 人们想出了很多根据日照时数和卫星云图覆盖数据去估测日射级别的方法。第二章 半导体 p-n 结2.1 半导体1839 年贝克勒尔利用一些材料受光照而产生了电流。这就是众所周知的光生伏特效应，它是研制光电元件和太阳能电池的基础。太阳能电池由半导体材料加工制造而成， 就是说， 这种材料在低温下相当于一个绝缘体， 但当有能量和热量时它会成为一个有用的导体。 自从这种技术成熟以后，大多数太阳能电池的生产都以硅为原料， 尽管如此， 从长远的观点来看， 经过研究其它材料可能会取代硅。根据半导体的电学特性， 可将它分为两种类型， 联结模型和能带模型， 下面简要的介绍一下这两种模型。2.1.1 联结模型联结模型是通过共价健连接各个硅原子来描述半导体特性，图 2.1 说明了在一个硅晶格中电子的联结和移动过程。e 图 2.1 ：单晶硅晶格中价带上的电子示意图在低温下，晶体不发生变化，相当于绝缘体。高温时，晶体内部结构被破坏，通过两种方法进行导电：电子通过破坏的共价健发生移动；电子从邻健移动到空穴产生破坏的共价一个可移动的空穴类似于液体中的气泡。 虽然实际上是液体在移动 , 也能很容易的辨别出气泡是朝反方向运动的 . 2.1.2 能带模型能带模型是指半导体在价带和导带之间的能量变化。如图 2.2 所示 . 导带电 Eg 子 禁带能量价带图 2.2 电子在费米能级中的示意图在价带上的电子被共价键束缚着、 而在导带上的电子是自由的 , 在外电场作用下电子从价带越迁到导带就会产生电流。空穴在价带朝反方向导电 . 2.1.3 掺杂掺杂后的其他一些原子可能会打破硅晶格内电子和空穴原有的平衡 , 杂质原子与硅形成共价键后还空余一个电子时为 n 型半导体材料。杂质原子与硅形成共价键后稍一个电子时为 p 型。如图 2.3 所示 . N 型 P 型e Ⅴ族原子 Ⅲ族原子例如 : 磷 例如 : 硼图 2.3: 单晶硅掺杂后成为 N型和 P型示意图2.2 半导体类型硅或其它一些半导体材料、 被用于生产单晶的、 多晶的、 无结晶状的太阳能电池、不同材料具有不同的类型 , 如图 2.4 所示 . 2.2.1 单晶硅单晶硅的内部硅原子都按一定的周期排列、 晶面均一、 电性能稳定、 由于谨慎和缓慢的制造过程导致这种类型的硅料很昂贵、 所以人们开始使用相对便宜的多晶硅或无结晶状硅材料制造太阳能电池 , 尽管质量不太理想 . 2.2.2 多晶硅多晶硅或多晶硅的制造技术是很少鉴定的， 因此， 比那些必需的单晶硅材料要便宜， 晶粒间界的存在阻止部分电子的移动而降低了电池的性能， 禁带上多余的能级将促使电子与空穴的复合，产生电流。单晶硅（ c-Si ）多晶硅（ poly-Si ）为了避免晶粒间接处有效复合的损失， 有必要将晶粒按毫米阿顺序分开。 也可以使电池从前到后的晶粒伸展开， 使电子移动降低电阻和减少电池每个单元内晶粒间界的长度。像这样的多晶硅材料多被用于生产商业用的太阳能电池。2.2.3 非结晶硅非晶硅的生产大体比多晶硅还要便宜。 内部原子不能长期按一个顺序排列 , 导致某一处没有原子或只有悬挂健。 使禁带宽度变宽， 这样就不可能给纯净的半导体掺杂或者使太阳能电池结构中得到合理的电流。在非晶硅已经发现了氢原子，通过在饱和悬挂健的同一水平面上加入 5-10% 的氢原子来改善材料的质量。它也可以将禁带宽度从单晶硅的 1.1 个电子伏增大到 1.7 个电子伏，这样前者比后者更能吸收电子能量。材料的厚度主要根据太阳能电池的作用来定，越小越好。在硅氢合金中最小的带电体扩散长度比 1 微米还短。在损耗区域被激活的电子被发射区所吸收。 在单晶硅的基础上通过不同的设计， 非晶硅也被应用了。 图 2.5 说明了一个 Si:H 太阳能电池的总体设计。P 未掺杂（自身的） 高损耗区N 图 2.5 ：一个 Si:H 太阳能电池的示意图硅和其它一些薄膜技术被用于生产太阳能电池， 而另外一些被沉积在玻璃或其它一些底层上的薄膜半导体被用于一些小型消费产品， 比如计算器， 手表和一些不重要的户外应用产品上。 将薄膜用于生产太阳能电池能够节省很多成本。 尽管到此为止， 它的性能和寿命并没有高到可以保证大批量生产。 在未来十年里的目标是研究薄膜和其它一些潜在的用于生产低成本太阳能电池的材料。2.3 光的吸收当光照射到半导体材料上时，光子带有的能量 Eph 小于费米能级 Eg，对半导体的影响很小，会穿过它。然而光子的能量 Eph>Eg时，价带上的电子受其影响会耗尽能量冲破键的束缚形成电子 - 空穴对，自由移动。如图 2.6 所示。hf 图 2.6 当 Eph>Eg,Eph=hf 时，电子空穴对形成。光子能量越高，光的吸收就越快，如图 2.7 所示蓝 红x e-h 半导体 e-h 图 2.7 ：电子 - 空穴对的产生每单位体积的电子 - 空穴对的产生速度 G能通过以下公式计算出来：G= α N exp(- α x) (2.1) 其中： N=光子流量（光子 / 单位面积 / 秒） ， α =吸收系数， x=吸收以前的距离，硅在 300K时的 α 作为一个光的波长函数如图 2.8 所示。2.4 再结合当光源关闭后， 系统恢复到平衡状态， 电子 - 空穴对会因为光的再次照射而产生。在没有外界能量时， 电子和空穴会在四周漂移直到它们相遇再结合。 任何一个缺陷和杂质在里面或在半导体的表面都会促使它们再结合。一种物质的带电体寿命可以定义为产生电子 - 空穴对后再复合的平均时间。对于硅是 1 微秒。 同理， 带电体扩散长度是这个带电体从产生点移动到再结合的平均距离。 硅是 100-300 微米。 这两项参数能够指出物质的质量和是否适合生产太阳能电池。 尽管如此， 半导体中没有定向移动的自由电子， 也不能产生能量。 所以，想要将半导体材料做成一个功能的太阳能电池还需要添加一个可调整得 p-n 结。2.5 p-n 结p-n 结就是将 p 型和 n 型半导体材料连接起来，如图 2.9 所示大量空穴； 大量电子；少量电子 少量空穴；空穴电子E 图 2.9： p-n 结的形成当 p 型半导体和 n 型半导体结合到一起时， 在 p 型半导体中空穴在扩散作用下流向 n 型半导体中， 同时电子在扩散作用下由 n 型半导体流向 p 型半导体作为两边载流子浓度的差别结果。 于是在两边掺杂区形成带电电荷。 在耗尽区建立起电场E 阻挡扩散电流。内建电势 Vbi 取决于 E。如果 PN 结外加电压，如图 2.10,E 将变小。h e 图 2.10： p-n 结加电过程一旦 E 减小不足以阻止电子和空穴移动， 将产生电流。 内建电势减小到 （ Vbi-V ）电流将随电压增加成指数级增加，这种现象用理想二极管法则表达为：I=Io[exp （ qv/kT） -1] （ 2.2）P N P N P N V 其中：Io = “暗电流” ，二极管在无光照时的漏电流V = 供给电压q = 绝对电荷电流k = 波尔茨曼常数T = 绝对温度注意：Io 随 T 增加而增加。Io 随物质质量增加减小。在 300K， kT/q=25.85mV，在实际二极管中表达式变为：I=Io[exp （ qv/nkT） -1] （ 2.3）其中：n = 理想因子，数值介于 1-2。随电流减小而增加。图 2.11描述了硅二极管定律图 2.11：硅二极管定律 -电流随电压和温度改变。在电压一定的条件下曲线随温度偏移大约是 2mv/℃。第三章太阳能电池的特性3.1 光照效果硅太阳能电池是一个二极管，由 p 型硅（一般为硼掺杂）和 n 型硅（一般为磷掺杂）结合形成。当光照射电池时有很多种情形，如图 3.1 所表现的那样。为了获得最大功率的电池，电池必须设计成最大吸收（ 3）和反射后最大吸收（ 5） 。在 p-n 结中空间电荷区 E 将电子吸引到 n 区同时将空穴吸引到 p 区一边。 图 3.2描述了短路情况下理想的电荷流动。 实际上一些电子空穴对如图 3.3 所示在被收集前会消失。T2 T1 Si T1>T2 V 0.6V I 通常情况下，电子空穴对的产生越靠近 p-n 结，越容易收集。 “收集载流子”是那些当 V=0 时产生的电流。电子空穴对在结扩散长度内被收集的概率比较大就像在第二章讨论的那样。在图 2.11二极管 IV 曲线电流 Io 取的是在没有光落到电池上时的典型的描绘电流随电压变化曲线。光照射在电池上时对于二极管来说只是增加了一个暗电流，因此二极管定律变成：I=Io[exp （ qV/nkT ） -1]-I L （ (3.1)其中 IL=光生电流。图 3.1：光在电池中的吸收特性1、 光在顶部电极的反射与吸收2、 电池表面反射3、 理想吸收4、 从电池底部反射 -仅微弱吸收光5、 反射后的吸收6、 在底部电极的吸收P 2 1 4 N 6 5 3 R R R hf e-h e-h e-h 接触电极吸收图 3.2：理想电子空穴短路电流通过 p-n 结。图 3.3：可能的电子空穴对复合，没有复合的载流子收集。e e E N P e-h e-h 电子通过主电极遇上空穴形成电流e h e e e h h h N P e h h e 体复合表面复合收集图 3.4:光对 p-n 结电流 -电压特性的影响在图 3.4 中可以看到光影响 IV 曲线使曲线偏移下降到第四象限在那二极管功率被减小 . 在电池 IV 曲线中，电池功率输出相当于图 3.4（ a）下方右边第四象限区域矩形面积。电池 IV 曲线被反向表示如图 3.5，输出在第一象限公式变为：I=I L-Io[exp(qV/nkT)-1] (3.2) 图 3.5：典型 IV 曲线描述方式，标示了短路电流（ Isc）和开路电压（ Voc）点，和最大功率点（ Vmp， Imp） 。两个限定参数通常用来描述太阳能电池在给定光照，温度和面积条件下，他们I V I LI LIL(a) V I IL(b) I， P 0 Pm Vmp， Imp P Isc Voc V 是 : 短路电流， Isc，最大电流，在电压为零处。理想情况下，如果 V=0， Isc=IL。注意 Isc 和光照强度成比例关系。开路电压， Voc，最大电压，在电流为零处。 Voc 随光强增加呈对数增长。这种特性使得太阳能电池和修电池相适应。注意在 I=0 时：Loc0nkT IV = ln 1q I （ 3.3）对于 IV 曲线上的每一个点，电流和电压的乘积表示在此条件下的功率输出。太阳能电池也可以用他的最大功率点描述当 Vmp*Imp 是他的最大值时。太阳能电池的最大输出功率在 IV 曲线图上是一个最大的矩形，例如：d(IV)/dV=0 给定m p o cnkTV =V - ln 1q ( / )mpVnkT q （ 3.4）如果难 n=1.3,Voc=600mV,对于典型硅电池， Vmp 大约是 93mV 小于 Voc。最大输出点功率在光强（ 1kW/m2)叫做电池的峰值电压。因此光伏组件中经常用峰值瓦数 Wp 用来认定。填充因子， FF， 用来确定电池的结质量和串联电阻。 他被定义为最大功率 /IscVoc，也就是：mIm p po c s cVFFV I （ 3.5）( )m oc scP V I FF (3.6) 显然，填充因子越一致，电池质量越高。理想情况下，开路电压能被近似计算出来利用经验公式l n( 0. 7 2)1o c o cocV VFFV （ 3.7）其中 Voc 定义为规格化开路电压：( / )ococVVnkT q （ 3.8）以上公式只能用于理想情况下，没有关联电阻损失， 可以精确到 1 位小数在这些情况下。3.2 光谱响应太阳能电池吸收入射光光子可以产生电子空穴对，只要光子能量 Eph 大于能带能量 EG。光子能量超过 EG 马上转换为热，如图 3.6。图 3.6 ：电子孔穴对的产生和超过 EG 能量散失太阳能电池量子功效（ Q.E.)定义为一入射光中从价带移动到导带的电子子数量。最大波长被能带限定。入射太阳光可以被最大利用如果能带在 1.0-1.6eV 范围内。这导致电池最大效率只能到 44%（ Shockley and Queisser,1961).硅能带在1.1eV，接近理想，然而砷化镓在 1.4eV，在理论上更理想。图 3.7 描述了理想量子能效和能带关系。图 3.7 在硅太阳能电池中能带限制和量子能效关系同时也影响太阳能电池光谱响应， 每瓦入射光产生电流。 理想情况下， 随波长增加。然而在短波中，电池不能利用所有能量光子，然而在长波中，吸收减弱意味着被有效利用前光子要经过较长的路程， 所以限定扩散长度在电池材料中也就限制了电池的响应。hf（ red）导带价带hf（ blue）1.0 λ G=hc/EG =1.24/E G （ EG 为 eV,λ 为 um）电子/光子量子能效0 波长， λ响应（A/W图 3.8：量子光谱响应随波长变化光谱响应可以被以下公式计算：/. .q elctron fluxA Whc photon fluxq Q Ehc （ 3.9）其中 A/W - 0 当 λ -0 时，因为这只有少量的光子在每瓦入射光中。波长响应能力使得电池性能很大程度上依赖于太阳光的光谱分布。 另外注意光和复合的损失意味着实际的电池只能接近于理想状况。3.3 温度影响太阳能电池使用温度主要取决于周围环境温度，组建封装状况（见 5.8 节） ，光照射在组件上的强度，和其他因素如风速。Io 随温度增加公式为：0 expGoEI BTkT （ 3.10）其中 B 不依赖于温度变化； EGO 是线性外推零度时制作电池半导体的带宽（ Green 1992） ， γ 包含温度和余下的参数决定 Io. 短路电流， I sc，随温度增加，因为带宽， EG, 减小和更多的光子获得能量产生电子空穴对。然而，这些效果很小：1 0.0006 /SCSCdII dT ℃ for si （ 3.11）温度增加对硅太阳能电池主要的影响是减小了 Voc， 填充因子和电池输出也因此减小。温度影响 Voc 和 FF 可以用下面公式近似的表示 : ( / ) 2 /GO ococ V V kT qdV mVdT Tγ ℃(3.12) 1 0.003/ococdVV dT ℃ for Si (3.13) 1 ( ) 1 1 /6 0.0015/d FF dVocFF dT Voc dT T ℃ for Si (3.14) 温度对最大输出功率 Pm 的影响是：1 (0.004 0.005)/mmdPP dT ℃ for Si （ 3.15）应该注意温度对 Voc 影响很大。在图 3.9 中对这种效果进行了描述。3.4 寄生电阻对电池的影响太阳能电池有寄生串联和并联电阻伴随，如图 3.10。两种寄生电阻都减小填充因子。串联电阻 Rs 主要是半导体材料的体电阻， 金属体电阻及连接电阻和金属和半导体连接产生的电阻。串联电阻的影响如图 3.11 V I T2 T1 T2>T1 图 3.9：在太阳能电池中温度对 IV 曲线的影响。图 3.10：太阳能电池电路中的串并联电阻图 3.11：串联电阻对填充因子的影响并联电阻， Rsh 主要由于 p-n 结不理想或在结附近有杂质，这些都能导致结短路，尤其是在电池边缘处。因为填充因子决定着电池输出功率， 因此最大输出功率受串联电阻影响， 可以近似表示为：I V RSHRs I LI V 大 Rs 中 Rs Rs=0 △ V=IRs △ V m mmI II11m mp p ppmp smpscmp socP V RsP RVIP RV （ 3.16）如果太阳能电池电阻定义为：RCH=Voc/Isc （ 3.17）那么可以设定 Rs 为：rs=Rs/RCH (3.18) 因此FF=FFo（ 1-rs) (3.19) 或者利用经验公式但是更准确：FF=FFo（ 1-1.1rs） +rs2/5.4 (3.20) 公式在 rs10 是可以使用。类似的并联电阻，可以定义为：/s h S H C Hr R R (3.21) 那么，像前面一样：0 1 1 /shFF FF r (3.22) 或者更准确些：000. 71 o cshoc shv FFFF FFv r (3.23) 上式在 rsh〉 0.4 时可用。并联电阻对填充因子的影响如图 3.12 所示。I V RSH—〉∞小 RSH中 RSH△ I △ I=V/R SH图 3.12：太阳能电池中并联电阻对填充因子的影响在串联和并联电阻都存在情况下，太阳能电池 IV 曲线可以用下式表示：0 e x p 1/sLSHV IRsV IRI I InkT q R (3.24) 综合考虑串联和并联电阻的影响， 上式 FFsh中利用 FFs代替 FF0（ Green,1992） 。电池的特性与设计4.1 功率在实验室条件下 ,随着当前技术的发展水平 ,做到单晶硅太阳电池的效率超过23%是有可能的 .然而 ,作为商业生产的代表效率只有 13%-14%.造成这种现象的因素有很多 ,但最重要的一点是 ,制造高效率电池是实验室主要的目标 ,并不考虑其成本 ,工艺的复杂性及生产能力 ,通常来说 ,实验室的技术是不适合工业化生产的 . 太阳能电池的研究是如何继续提高电池的转换效率 ,在当前理论的指导下研究方向是如何突破转换效率 30%的限制 .商业生产落后于实验室技术许多年 ,但是我们能够预见的是在未来的几年中组件的效率会突破 20%.电池组件的价值随着电能的转换效率而不同 ,所以电池组件要必须给定一个输出功率 .一个简单的关于光 伏 系 统 价 值 的 计 算 方 法 同 时 是 一 个 重 要 的 关 于 效 率 的 阐 述 公 式(Benner/DeMeo;1991)如下 : 此处： COE=每千瓦时电能的价格Cm=单位面积光伏组件的价格Cb=单位面积系统的额外价格（蓄电池，逆变器，控制系统等）I=间接资本价值因素FCR=安装费用S=年鉴附加费Efficiency=系统电力模块 ,包含热损耗 ,配线与失配0.016=环境 ,操作与维护的费用 . 增加效率或降低硅片的价格都能够在一定程度上降低组件的价格 ,随着当前单晶硅与多晶硅的发展技术 ,在产量每年 10MW 的生产水平下 ,硅片的价值占每瓦特组件的价值的一半 (Darkazalli,1991).工厂电池效率仍在讨