补充太阳能电池原理.pptx

太阳能电池分类太阳能电池分类第1页/共93页1.硅太阳能电池单晶硅太阳电池：采用单晶硅片制造制造，性能稳定，转换效率高。目前转换效率已达到16%-18%。第2页/共93页多晶硅太阳电池：作为原料的高纯硅不是拉成单晶，而是熔化后浇铸成正方形硅锭，然后使用切割机切成薄片，再加工成电池。由于硅片是由多个不同大小、不同取向的晶粒构成，因而转换效率低。目前转换效率达到15%-17%。第3页/共93页多晶硅太阳电池生产流程第4页/共93页第5页/共93页直拉法拉制单晶示意图及单晶炉 第6页/共93页非晶硅太阳电池：一般采用高频辉光放电等方法使硅烷气体分解沉积而成。一般在P层与N层之间加入较厚的I层。非晶硅太阳电池的厚度不到1m，不足晶体硅太阳电池厚度的1/100，降低制造成本。目前转换效率 为 5%-8%，最 高 效 率 达14.6%，层叠的最高效率可达21.0%。第7页/共93页微晶硅太阳电池：在接近室温的低温下制备，特别是使用大量氢气稀释的硅烷，可以生成晶粒尺寸10nm的微晶硅薄膜，薄膜厚度一般在2-3m，目前转换效率为10%以上。第8页/共93页2.化合物太阳能电池单晶化合物太阳电池：主要有砷化镓太阳电池（如图）。砷化镓的能隙为1.4eV，是单结电池中效率最高的电池，但价格昂贵，且砷有毒，所以极少使用。第9页/共93页多晶化合物太阳电池：主要有碲化镉太阳电池（如图），铜铟镓硒太阳电池等。碲化镉太阳电池是最早发展的太阳电池之一，工艺过程简单，制造成本低，转换效率超过16%，不过镉元素可能造成环境污染。铜铟镓硒太阳电池在基地上成绩铜铟镓硒薄膜，基地一般采用玻璃，也可用不锈钢作为柔性衬底。实验室最高效率接近20%，成品组件达到13%，是目前薄膜电池中效率最高的电池之一。第10页/共93页1 太阳能电池的原理太阳能电池的原理第11页/共93页 P区 N区内建电场 耗尽区P区 空间电荷区 N区 当入射辐射作用在当入射辐射作用在PN结区时，本征吸收产生光生电子与空穴在内结区时，本征吸收产生光生电子与空穴在内建电场的作用下做漂移运动，电子被内建电场拉到建电场的作用下做漂移运动，电子被内建电场拉到N区，空穴被拉到区，空穴被拉到P区。区。结果结果P区带正电，区带正电，N区带负电，形成伏特电压。区带负电，形成伏特电压。第12页/共93页I I光 P N 将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。第13页/共93页2 太阳能电池的结构太阳能电池的结构第14页/共93页第15页/共93页1.3 阳光的物理来源阳光的物理来源太阳实质上是一个由其中心发生的核聚变反应所加热的太阳实质上是一个由其中心发生的核聚变反应所加热的气体球气体球。热物体发出电磁辐射，其波长或光谱分布由该物体的热物体发出电磁辐射，其波长或光谱分布由该物体的温度温度所决定。所决定。例例如如：铁铁块块燃燃烧烧时时，温温度度升升高高过过程程：从从看看不不出出发发光光到到暗暗红红到到橙橙色色到到黄白色。黄白色。第16页/共93页黑体所发出的辐射的光谱分布由普朗克辐射定律决定。黑体所发出的辐射的光谱分布由普朗克辐射定律决定。0 1 2 3 6瑞利-金斯公式2 4普朗克公式的理论曲线普朗克公式的理论曲线实验值实验值*T=2 000 K第17页/共93页每条曲线都有一个最大值，最大值的位置随温度升高向短波方向移动。每条曲线都有一个最大值，最大值的位置随温度升高向短波方向移动。第18页/共93页太阳的核心温度高太阳的核心温度高达达2107K光光球球层层的的温温度度为为6000K。在在此此温温度度下下与与黑黑体体辐辐射射光光谱谱很接近。很接近。第19页/共93页1.4 太阳常数太阳常数 在在地地球球大大气气层层之之外外，地地球球-太太阳阳平平均均距距离离处处，垂垂直直于于太太阳阳光光方方向向的的单单位位面面积积上上的的辐辐射射功功率率基基本本上上为为一一常常数数，这这个个辐辐射射强强度度称称为为太太阳阳常常数，或称此辐射为大气光学质量为零（数，或称此辐射为大气光学质量为零（AM0）的辐射。）的辐射。太阳常数太阳常数 1.353kW/m2第20页/共93页1.5 地球表面的日照强度地球表面的日照强度阳光穿过地球大气层时至少衰减了阳光穿过地球大气层时至少衰减了30%。第21页/共93页造成衰减的原因：造成衰减的原因：1.瑞利散射或大气中的分子引起的散射。瑞利散射或大气中的分子引起的散射。2.悬浮微粒和灰尘引起的散射。悬浮微粒和灰尘引起的散射。3.大气及其组成气体，特别是氧气、臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。大气及其组成气体，特别是氧气、臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。第22页/共93页输入输入100%100%臭氧臭氧2040km2040km高层尘埃高层尘埃1525km1525km大气分子大气分子030km030km水蒸汽水蒸汽03km03km低层尘埃低层尘埃03km03km2%2%1%1%8%8%6%6%1%1%18%18%吸收吸收0.5%0.5%1.0%1.0%0.5%0.5%1.0%1.0%1%1%4%4%1%1%1%1%7%7%散射到地表散射到地表70%70%直达地表直达地表3%3%散射到太空散射到太空第23页/共93页 决决定定总总入入射射功功率率最最重重要要的的参参数数是是光光线线通通过过大大气气层层的的路路程程。太太阳阳在在头头顶顶正正上上方方时时，路路程程最最短短。实实际际路路程程和和此此最最短短路路程程之之比比称称为为大大气气光光学学质量（质量（AM）。）。1.太太阳阳在在头头顶顶正正上上方方时时，大大气气光光学学质质量量为为1，这这时时的的辐辐射射称称为为大大气气光光学质量学质量1（AM1）的辐射。）的辐射。2.当太阳和头顶正上方成一个角度当太阳和头顶正上方成一个角度时，大气光学质量为：时，大气光学质量为：AM=1/cos 例：例：当当=60时，时，AM=1/cos60=2第24页/共93页EarthAM0AM1AM1.5大气层大气层45o第25页/共93页在无法知道在无法知道值的情况下，如何估算大气光学质量值的情况下，如何估算大气光学质量AM？hSh：物体的高度s：竖直物体投影的阴影长度第26页/共93页1.6 直接辐射和漫射辐射直接辐射和漫射辐射 到达地面的太阳光，除了直接由太阳辐射来的分量之外，还包括大气层散射引起的相当可观的间接辐射或漫射辐射分量。第27页/共93页1.直接辐射直接辐射太阳高度角增大，直接辐射增强。太阳高度角增大，直接辐射增强。大气透明系数增加，直接辐射增强。大气透明系数增加，直接辐射增强。海拔高度升高，直接辐射增强。海拔高度升高，直接辐射增强。纬度高，直接辐射增强。纬度高，直接辐射增强。2.散射辐射散射辐射 太太阳阳辐辐射射在在大大气气中中 遇遇到到空空气气分分子子或或微微小小的的质质点点时时，当当这这些些质质点点的的直直径径小小于于组组成成太太阳阳辐辐射射的的电电磁磁波波长长时时，太太阳阳辐辐射射中中的的一一部部分分能能量量就就以以电电磁磁波波的的形形式式从从该该质质点点向向四四面面八八方方传传播播出出去去。通通过过散散射射形形式式传传播播的的能能量量称称为为散散射射辐辐射射。散散射射只只改改变变辐辐射射的的传传播播方方向向，不不吸吸收收太太阳阳辐辐射射。波波长长越越短短，散散射射越越强强。可见光中，紫光和蓝光波长最短，散射最强。可见光中，紫光和蓝光波长最短，散射最强。大气层大气层第28页/共93页 当日照特别少的天气，大部分辐射是漫射辐射。漫射阳光的光谱成分通常不同于直射阳光的光谱成分。一般而言，漫射阳光中含有丰富的较短波长的光或“蓝”波长的光，这使太阳能电池系统接收到光的光谱成分产生了变化。聚聚光光式式光光伏伏系系统统只只能能在在一一定定角角度度内内接接收收太太阳阳光光。为为了了利利用用太太阳阳光光的的直直接接辐辐射射分分量量，系系统必须随时跟踪太阳。统必须随时跟踪太阳。第29页/共93页二二 半导体的特性半导体的特性1 引言引言 自然界物质存在的状态分为液态、气态、固态。固态物质根据它们的质点（原子、离子和分子）排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。具有确定熔点的固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没有确定的熔点，加热时在某以温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶体，如玻璃、松香等。晶体又分为单晶体和多晶体。整块材料从头到尾都按同以规则作周期性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体（即晶粒）组成的晶体，称为多晶体。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。第30页/共93页单晶硅：单晶硅：原子在整个晶体中排列有序原子在整个晶体中排列有序第31页/共93页多晶硅：多晶硅：原子在微米数量级排列有序原子在微米数量级排列有序第32页/共93页非晶硅：非晶硅：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第33页/共93页单晶、多晶和非晶体原子排列 第34页/共93页金刚石结构（与硅、锗等半导体类似）金刚石10928共价键共价键第35页/共93页2 禁带宽度禁带宽度 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。原子的壳层模型认为，原子的中心是一个带正电荷的核，核外存在着一系列不连续的、由电子运动轨道构成的壳层，电子只能在壳层里绕核转动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具有一定的能量状态，所以一个壳层相当于一个能量等级，称为能级。+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。第36页/共93页+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 在孤立原子中，电子只能在各允许轨道上运动。晶体中，原子之间距离很近，相邻原子的电子轨道相互重叠、互相影响。与轨道相对应的能级分裂成为能量非常接近但又大小不同的许多电子能级，称为能带。每层轨道都有一个对应的能带。第37页/共93页 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 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。第38页/共93页3 允许能态的占有几率允许能态的占有几率 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)为零。为零。第39页/共93页允许能态被电子占据的方式允许能态被电子占据的方式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第40页/共93页4 电子和空穴电子和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。第41页/共93页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。第42页/共93页第43页/共93页第44页/共93页第45页/共93页第46页/共93页5 电子和空穴的动力学电子和空穴的动力学对于晶体导带内的电子，牛顿定律变为：对于晶体导带内的电子，牛顿定律变为：导带中能量接近最小能值的电子：导带中能量接近最小能值的电子：价带中能量接近最大值的空穴：价带中能量接近最大值的空穴：第47页/共93页OECEV能量能量OECEV能量能量能量动量能量动量能量动量能量动量直接带隙情况直接带隙情况间接带隙情况间接带隙情况第48页/共93页6 电子和空穴的密度电子和空穴的密度1 1、单位体积晶体中，在导带内的电子数、单位体积晶体中，在导带内的电子数2 2、单位体积晶体中，在价带内的空穴数、单位体积晶体中，在价带内的空穴数表示导带底表示导带底E Ec c处的能处的能态为电子占据的几率态为电子占据的几率表示价带顶表示价带顶E Ev v处的能处的能态为空穴占据的几率态为空穴占据的几率第49页/共93页本征型本征型导导带带中中只只有有很很少少的的电电子子，价价带带中中电电子子很很多多，只只有有很很少少空空穴穴，费费米米分分布布函函数数对对于于能能级级E EF F是对称的。是对称的。导导带带和和价价带带中中的的电电子子能能态态数数相相同同，导导带带中中的的电电子子数数和和价价带带中中的的空穴数也相同，即空穴数也相同，即E EF F必定位于禁带中线必定位于禁带中线0.51EFE Ec cE EF FE Ev v第50页/共93页N N型型0.51EFEcEFEv导导带带电电子子浓浓度度比比本本征征情情况况要要大大得得多多，而而导导带带中中能能态态的的密密度度与与本本征征情情况况是是一一样样的的，因因此此N N型型半半导导体体的的费费米米能能级级连连同同整整个个费费米米分分布布函函数数将将一一起起在在能能带带图上向上移动。图上向上移动。第51页/共93页P P型型0.51EFEcEFEvP P型型半半导导体体的的费费米米能能级级连连同同整整个个费费米米分分布布函函数数将将一一起起在在能能带带图图上向下移动。上向下移动。第52页/共93页注：注：温温度度升升高高时时，费费米米能能级级向向本本征征费费米米能能级级靠靠近近，电电子子和和空空穴穴浓浓度度不不断断增增加加，不不论论是是P P还还是是N N，在在温温度度很很高高时时都都会会变变成成本征硅。本征硅。第53页/共93页7 族半导体的键模型族半导体的键模型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：第54页/共93页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第55页/共93页8 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第56页/共93页空穴空穴 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第57页/共93页9 载流子浓度（载流子浓度（单位体积的载流子数目单位体积的载流子数目）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。第58页/共93页（2）、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。第59页/共93页小结：在电场作用下，任何载流子都要作漂移运动。一般少子数目少于多在电场作用下，任何载流子都要作漂移运动。一般少子数目少于多子数目，因此漂移电流主要是多子贡献。子数目，因此漂移电流主要是多子贡献。扩散运动中，只有注入的少子存在很大的浓度梯度，因此扩散电流扩散运动中，只有注入的少子存在很大的浓度梯度，因此扩散电流主要是少子贡献。主要是少子贡献。第60页/共93页三、三、产生、复合及器件物理学的基本方程产生、复合及器件物理学的基本方程 在半导体中，载流子包括导带中的电子和价带中的空穴。由于晶格的在半导体中，载流子包括导带中的电子和价带中的空穴。由于晶格的热运动，电子不断从价带被激发到导带，形成一对电子和空穴，这就是热运动，电子不断从价带被激发到导带，形成一对电子和空穴，这就是载流子载流子产生的过程产生的过程。在不存在外电场时，由于电子和空穴在晶格中的运动是没有规则的，在不存在外电场时，由于电子和空穴在晶格中的运动是没有规则的，所以在运动中电子和空穴常常碰在一起，即电子跳到空穴位置把空穴填所以在运动中电子和空穴常常碰在一起，即电子跳到空穴位置把空穴填补掉，这时，电子和空穴就随之消失。这种半导体的电子和空穴在运动补掉，这时，电子和空穴就随之消失。这种半导体的电子和空穴在运动中相遇而造成的消失，并释放出多余能量的现象，称为中相遇而造成的消失，并释放出多余能量的现象，称为载流子复合载流子复合。第61页/共93页 在一定温度下，半导体内不断产生电子和空穴，电子和空穴不断复合，在一定温度下，半导体内不断产生电子和空穴，电子和空穴不断复合，如果没有外表的光和电的影响，那么单位时间内产生和复合的电子与空如果没有外表的光和电的影响，那么单位时间内产生和复合的电子与空穴即达到相对平衡，称为穴即达到相对平衡，称为平衡载流子平衡载流子。这种半导体的总载流子浓度保持。这种半导体的总载流子浓度保持不变的状态，称为不变的状态，称为热平衡状态热平衡状态。在外界因素的作用下，例如在外界因素的作用下，例如 n 型硅受到光照时，价带中的电子吸收光型硅受到光照时，价带中的电子吸收光子能量跳入导带（光生电子），在价带中留下等量空穴（光激发），电子能量跳入导带（光生电子），在价带中留下等量空穴（光激发），电子和空穴的产生率就大于复合率。这些多余平衡浓度的光生电子和空穴，子和空穴的产生率就大于复合率。这些多余平衡浓度的光生电子和空穴，称为称为非平衡载流子非平衡载流子或或过剩载流子过剩载流子。第62页/共93页 由于外界条件的改变而使半导体产生非平衡载流子的过程，称为由于外界条件的改变而使半导体产生非平衡载流子的过程，称为载流载流子注入子注入。载流子注入的方法有多种。用适当波长的光照射半导体使之产。载流子注入的方法有多种。用适当波长的光照射半导体使之产生非平衡载流子，叫生非平衡载流子，叫光注入光注入。用电学方法使半导体产生非平衡载流子，。用电学方法使半导体产生非平衡载流子，叫叫电注入电注入。半导体中非平衡少数载流子从产生到复合的平均时间间隔称为半导体中非平衡少数载流子从产生到复合的平均时间间隔称为寿命寿命。在在n型半导体中出现非平衡的电子和空穴时，电子是非平衡多子，空型半导体中出现非平衡的电子和空穴时，电子是非平衡多子，空穴是非平衡少子。穴是非平衡少子。P型半导体中，空穴是非平衡多子，电子是非平衡少型半导体中，空穴是非平衡多子，电子是非平衡少子。在低注入条件下，非平衡多子和少子之间是子。在低注入条件下，非平衡多子和少子之间是少子处于主导地位少子处于主导地位，少，少子寿命就是非平衡少子产生、复合又消失的时间。子寿命就是非平衡少子产生、复合又消失的时间。第63页/共93页 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。第64页/共93页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。第65页/共93页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表面表面陷阱陷阱第66页/共93页四、四、p-n结二极管结二极管导电能力最终决定于：1.载流子的多少；2.载流子的性质；3.载流子的运动速度。一.本征半导体 指“纯净”的半导体单晶体。在常温下，它有微弱的导电能力，其中载流子是由本征热激发产生的。激发使“电子空穴对”增加，复合使“电子空穴对”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“本征载流子浓度”ni。1 PN静电学静电学第67页/共93页ni=n0=p0式中，n0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T=300K时，Si的ni=1.51010/cm3,Ge的ni=2.41013/cm3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。注意：ni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，所以本征半导体的导电能力是很差的。第68页/共93页2.杂质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106倍！第69页/共93页即在一定温度下，杂质半导体中，多数载流子浓度与少数载流子浓度的乘积即在一定温度下，杂质半导体中，多数载流子浓度与少数载流子浓度的乘积是一个常数是一个常数.例例1 为了获得为了获得N型硅单晶，掺入五价元素磷，磷的含量为型硅单晶，掺入五价元素磷，磷的含量为0.0000003，试求：，试求：解：解：（1）由于硅原子密度为）由于硅原子密度为故施主杂质浓度（磷）故施主杂质浓度（磷）(2)掺杂前后空穴浓度的变化。已知T=300K。(1)掺杂前后电子浓度的变化；N型半导体中电子浓度型半导体中电子浓度第70页/共93页显然，杂质电离产生的电子浓度就是杂质（磷）的浓度显然，杂质电离产生的电子浓度就是杂质（磷）的浓度ND。于是于是而本征半导体硅的本征载流子浓度，在而本征半导体硅的本征载流子浓度，在T=300K时为时为掺杂前后电子浓度的变化倍数为掺杂前后电子浓度的变化倍数为电子浓度的增加意味着杂质半导体导电能力远大于本征半导体。电子浓度的增加意味着杂质半导体导电能力远大于本征半导体。第71页/共93页掺杂后掺杂后:故故:表明，在表明，在N型半导体中热激发产生的空穴浓度比本征载流子浓度还要低，本例中型半导体中热激发产生的空穴浓度比本征载流子浓度还要低，本例中仅为本征载流子浓度的万分之一。仅为本征载流子浓度的万分之一。在该在该N型半导体中多数载流子与少数载流子的浓度比为型半导体中多数载流子与少数载流子的浓度比为第72页/共93页如果在一块半导体单晶中同时掺入三价元素与如果在一块半导体单晶中同时掺入三价元素与五价元素，其杂质浓度如图五价元素，其杂质浓度如图7（b）所示，在）所示，在x0处施主杂质浓度与受主杂质浓度相等，该中性处施主杂质浓度与受主杂质浓度相等，该中性边界便是边界便是PN结所在位置。结所在位置。PN结最重要的特性是单向导电性。第73页/共93页 PN结内建电场PN结边界两边既然分布有数量相等的正负空间电荷，必定形成一个电场，称结边界两边既然分布有数量相等的正负空间电荷，必定形成一个电场，称为内建电场为内建电场E。内建电场的出现，引起两个后果：内建电场的出现，引起两个后果：阻止多数载流子的继续扩散（故空间电荷区又称为阻层）阻止多数载流子的继续扩散（故空间电荷区又称为阻层）引起少数载流子的漂移。第74页/共93页流过PN结的电流PN结空间电荷区形成后，流过结空间电荷区形成后，流过PN结的电结的电流有两种：流有两种：多数载流子形成的扩散电流。多数载流子形成的扩散电流。少数载流子形成的漂移电流。这两种电流方向相反，如图（这两种电流方向相反，如图（a）所示，）所示，流过流过PN结的净电流结的净电流（b)扩散运动与漂移运动达到平衡：扩散运动与漂移运动达到平衡：1多数载流子扩散运动的方向；多数载流子扩散运动的方向；2少数载流子漂移运动的方向少数载流子漂移运动的方向第75页/共93页起初，内建电场较弱，起初，内建电场较弱，随着内建电场逐渐增强，随着内建电场逐渐增强，I扩扩减小，而减小，而I漂漂增加，直至增加，直至扩散运动与漂移运动达到动态平衡，如图（扩散运动与漂移运动达到动态平衡，如图（b）所示。）所示。动态平衡情况下动态平衡情况下流过流过PN结的净电流为零，即结的净电流为零，即 I=0第76页/共93页 PN结边界载流子分布结边界载流子分布动态平衡状态下，动态平衡状态下，PN结边界两边载流子分布结边界两边载流子分布如图所示。如图所示。PN PN 结两边载流子浓度结两边载流子浓度图中符号说明：图中符号说明：N型半导体热平衡状态下的型半导体热平衡状态下的电子浓度。P型半导体热平衡状态下的型半导体热平衡状态下的 空穴浓度。N型半导体热平衡状态下的型半导体热平衡状态下的 空穴浓度。P型半导体热平衡状态下的型半导体热平衡状态下的 电子浓度。第77页/共93页内建电位差内建电位差内建电场内建电场E在在PN结中产生的电位差称为内建电位差结中产生的电位差称为内建电位差VB。该电位差实际上就是两种不同类型半导体材料之间的接触电位差。该电位差实际上就是两种不同类型半导体材料之间的接触电位差。如图所示，内建电位差的存在对多数载流子而言，相当于是一个如图所示，内建电位差的存在对多数载流子而言，相当于是一个“势垒势垒”，阻止其扩散，故空间电荷区又称为势垒区。，阻止其扩散，故空间电荷区又称为势垒区。可以证明可以证明k是玻尔兹曼常数是玻尔兹曼常数第78页/共93页q是电子电荷，是电子电荷，ln是以是以e为底的对数，为底的对数，是是PN结两边空穴浓度的比。结两边空穴浓度的比。又可写成又可写成由于由于故故令令称为称为“热电压热电压”。第79页/共93页2 结电容结电容一 势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。VVOCB+势垒电容示意图势垒电容示意图PN第80页/共93页二 扩散电容CD 扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图所示。OxnPpnPNR扩散电容示意图扩散电容示意图第81页/共93页 当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当于电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。第82页/共93页3 太阳能电池的输出参数太阳能电池的输出参数 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ImpVmpVOCIscVIO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第83页/共93页能量转换效率为：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%第84页/共93页3 效率损失效率损失一 短路电流的损失1.1.裸露的硅表面反射很大，减反射膜使此反射损失减少到约为10%10%。2.2.电池受光照一侧的栅线，会遮掉5%5%15%15%的入射光。3.3.若电池厚度不够，进入电池的一部分具有合适能量的光线将从电池背面直接穿出去。第85页/共93页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第86页/共93页太阳能电池存在寄生的串联电阻和分流电阻。太阳能电池存在寄生的串联电阻和分流电阻。IRSRSHV串串联联电电阻阻R RS S主主要要来来源源：制制造造电电池池的的半半导导体体材材料料的的体体电电阻阻、电电极极和和互互联金属的电阻，电极和半导体之间的接触电阻。联金属的电阻，电极和半导体之间的接触电阻。并并联联电电阻阻R RSHSH主主要要来来源源：p-np-n结结漏漏电电，包包括括绕绕过过电电池池边边缘缘的的漏漏电电及及由由于结区存在晶体缺陷和外来杂质的沉淀物所引起的内部漏电。于结区存在晶体缺陷和外来杂质的沉淀物所引起的内部漏电。第87页/共93页四探针测试法：四探针测试法：电位差计电位差计半导体半导体mA12341和和4是通电流的探针，是通电流的探针，2和和3是专用作测量半导体电压的探针。是专用作测量半导体电压的探针。第88页/共93页日照模拟器日照模拟器电电池池放放在在温温控控底底座座上上，测测试试太太阳阳能能电电池池的的标标准准温温度度25和和28两两种种。利利用用参参考考电电池池，将将灯灯光光强强度度调调整整到到所所需需的的数数值值，通通过过改改变变负负载载电电阻阻，可可以测得电池的特性。以测得电池的特性。第89页/共93页光源光源斩光器斩光器窄通带滤光器窄通带滤光器受测电池受测电池日照模拟器日照模拟器用用接接近近于于阳阳光光的的白白光光源源来来偏偏置置被被测测电电池池，在在此此基基础础上上叠叠加加一一个个小小量量的的单单色色光光成成分分，并测量增加的响应。并测量增加的响应。第90页/共93页1.太阳能电池组件的结构太阳能电池组件的结构EVATPT电池组钢化玻璃EVA互联条互联条第91页/共93页EVATPT电池组钢化玻璃EVA1.TPT（底底板板）：对对电电池池起起保保护护和和支支撑撑作作用用。具具有有良良好好的的耐耐气气候候性性，能能隔隔绝绝从从背背面面进进来来的的潮潮气气和和其其他他有有害害气气体体。在在层层压压温温度度下下不不器器任任何何变变化化。与与黏黏结结材材料料结结合合牢固。牢固。2.EVA2.EVA（黏黏结结剂剂）：固固定定电电池池和和保保证证上上、下下盖盖板板密密合合的的关关键键材材料料。在在可可见见光光内内有有高高透透光光性性，并并抗抗紫紫外外老老化化。具具有有一一定定的的弹弹性性，可可缓缓冲冲不不同同材材料料间间的的热热胀胀冷冷缩缩。具具有有良良好好的的电电绝绝缘缘性性和和化化学学稳稳定定性性，不不产产生生有有害害电电池池的的气气体体和和液液体体。具具有有优优良良的的气气密密性性，能能阻阻止止外外界界湿湿气气和和其他有害气体对电池的侵蚀。其他有害气体对电池的侵蚀。3.3.钢钢化化玻玻璃璃（上上盖盖板板）：覆覆盖盖在在电电池池的的正正面面，组组件件的的最最外外层层。既既要要透透光光率率高高，又又要要坚坚固固、耐耐风风霜霜雨雨雪雪，起起到到长长期保护电池的作用。期保护电池的作用。第92页/共93页感谢您的观看。第93页/共93页