在 AM1.5 大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电 流为 46mA/cm2 。实验室测得的数据已经达到 42mA/cm2 ，而商 业用太阳能电池的短路电流在28到35mA/cm2之间。
confidential
开路电压 VOC是太阳能电池能输出的最大电压，此时输出电流 为零。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的正向偏 压。开路电压如下图伏安曲线所示。
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ΔE n=3 n=2
禁带
N条能级 原子能级 能带
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满带：排满电子的能带 空带：未排电子的能带 未满带：排了电子但未排满的能带 禁带：不能排电子的区域 [1]满带不导电 [2]未满能带才有导电性 导带：最高的满带 价带：最低的空带 电子可以从价带激发到导带，价带中产生空穴，导带中出现电子， 空穴和电子都参与导电成为载流子
confidential
填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路 VOC和ISC的乘积的 比值。 短路电流和开路电压分别是太阳能电池能输出的最大电流和最大 电压。然而，当电池输出状态在这两点时，电池的输出功率都为 零。“填充因子”，通常使用它的简写“ FF”，是由开路电压
VOC和短路电流ISC共同决定的参数，它决定了太阳能电池的输出
confidential
导体，在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体 定向流动形成电流。 绝缘体：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量 ，所以形不成电流。从能级图上来看，是因为满带与空带之间有 一个较宽的禁带（Eg 约3～6 eV），共有化电子很难从低能级（ 满带）跃迁到高能级（空带）上去。 半导体：的能带结构,满带与空带之间也是禁带， 但是禁带很窄 （Eg 约3 eV以下 )。
+4
+4
+4
空穴
+4
+4
B
负离子
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3.2.5
PN结
半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。
载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动. 在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差， 载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种 运动称为扩散运动。
将一块半导体的一侧掺杂成 P 型半导体，另一侧掺杂成 N
太阳能电池的伏安曲线
M
Im
电池产生 的电能
0
confidential
vm
最大功率点
Pm = IUm = Pmax
M点为改太阳电池的最佳工作点
太阳能电池的伏安曲线
M
Im
电池产生 的电能
0
confidential
vm
短路电流是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流（或者 说电池被短路时的电流）。通常记作ISC。 短路电流源于光生载流子的产生和收集。对于电阻阻抗最小的 理想太阳能电池来说，短路电流就等于光生电流。因此短路电 流是电池能输出的最大电流。
合金：GaxAl1-xAs(x为0-1之间的任意数)
有机半导体 confidential
+4
硅是四价元素，每个原子的 最外层上有4个电子。 这4个电子又被称为价电子 硅晶体中，每个原子有4个 相邻原子，并和每一个相邻 原子共有2个价电子，形成 稳定的8原子壳层。
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
confidential
3.3.1
confidential
3.3.2
太阳电池等效电路
晶体硅太阳电池的等效电路
Rse表示来自电极接触、基体材料等欧姆损耗的串联电阻 Rsh表示来自泄漏电流的旁路电阻 RL表示负载电阻 ID表示二极管电流 confidential IL表示光生电流
根据等效电路
V + IRse IL = I + ID + Rsh
+4
+4
+4
电子是多数载流子，简 称多子; 空穴是少数载流子，简 称少子。 施主杂质 半导体整体呈电中性
多出一 个电子
+4
+4
+4
出现了一个 正离子
+4
+4
confidential
P
掺入少量三价杂质元素硼
+4
+4
+4
空穴是多数载流子， 简称多子; 电子是少数载流子， 简称少子。 受主杂质 半导体整体呈电中性
第三章
晶体硅太阳能电池的基本原理
3.1 太阳电池的分类
按基体材料分 单晶硅太阳电池 多晶硅太阳电池 1. 硅太阳电池 非晶硅太阳电池 微晶硅太阳电池 砷化镓太阳能电池 2. 化合物太阳电池 碲化镉太阳能电池 铜铟镓硒太阳能电池
confidential
3.2 太阳电池的分类工作原理
3.2.1 半导体 太阳电池基本构造：半导体的PN结 导体：铜（106/(Ω· cm)） 绝缘体: 石英（SiO2(10-16/(Ω· cm))） 半导体: 10-4——104/(Ω· cm) 元素：硅（SiO2）、锗（Ge）、硒（Se）等 化合物：硫化镉（CdS）、砷化镓（GaAs）等 半导体
confidential
3.2.7
太阳电池的基本工作原理
光电转换的物理过程： （1）光子被吸收，使PN结的P侧和N侧两边产生电子-空穴对 （2）在离开PN结一个扩散长度以内产生的电子和空穴通过扩散到达空 间电荷区 （ 3 ）电子 - 空穴对被电场分离， P 侧的电子从高电位滑落至 N 侧，空穴 沿着相反的方向移动 （4）若PN结开路，则在结两边积累的电子和空穴产生开路电压
qV nkT I D = I0 e - 1
将p-n结二极管电流方程
+ IRse ) q(VnkT V + IRse - 1 代入上式的输出电流 I = I L - I0 e Rsh
式中q 为电子电量， k 为波尔兹曼常数，T 为绝对温度， n为二极管质量因子。
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17
②
内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移
空间电荷区变窄 内电场EIN削弱 空间电荷区加宽内 电场EIN增强 阻止 促使
多子扩散
少子漂移
扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结
EIN
EIN
confidential
3.2.6

光生伏特效应
当光照射p-n结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区激 发电子-空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电 场运动，电子逆着电场运动，最后在 n 区边界积累光生电子，在 p 区边 界积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场，即在p区 和 n 区之间产生了光生电压 UOC ，这就是 p-n 结的光生伏特效应。只要光 照不停止，这个光生电压将永远存在。
开路电压是太阳能电池的 最大电压，即净电流为零 时的电压。
confidential
通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路电压方程：
VOC
nkT I L ln 1 q I0
上述方程显示了 VOC 取决于太阳能电池的饱和电流和光生电流。 由于短路电流的变化很小，而饱和电流的大小可以改变几个数 量级，所以主要影响是饱和电流。饱和电流 I0 主要取决于电池 的复合效应。即可以通过测量开路电压来算出电池的复合效应。 实验室测得的硅太阳能电池在 AM1.5光谱下的最大开路电压能 达到720mV，而商业用太阳能电池通常为600mV。
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3.3.4
影响太阳电池转换效率的因素
1. 禁带宽度 VOC随Eg的增大而增大，但另一方面，ISC随Eg的增大而减小。结果 是可期望在某一个确定的Eg随处出现太阳电池效率的峰值。
2. 温度
随温度的增加，效率 η 下降。 ISC 对温度 T 不很敏感，温度主要对 VOC起作用。 对于Si，温度每增加10C，VOC下降室温值的0.4%，也因而降低约同 样的百分数。例如，一个硅电池在 200C时的效率为20%，当温度升 到 1200C 时，效率仅为 12 ％。又如 GaAs 电池，温度每升高 10C ， VOC 降低1.7mv 或降低0.2%。
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导带 导带 Eg 价带 部分 填充 能带 价带 最高的满带 最低的空带
满带
导体
半导体
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绝缘体
3.2.3
1
杂质半导体
本征半导体
无杂质，无缺陷的半导体 本证载流子：电子、空穴均参与导电
本征半导体中正负载流子数目相等，数目很少
2 掺杂半导体
在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成 的半导体
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3.2.8
晶硅太阳电池的结构
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由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中
流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属， 阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p－n 结（如图栅状电极），以增加入射光的面积。 另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。
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N型半导体 根据掺杂的不同，杂质半导体分为 P型半导体
N型半导体：掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体
P型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。
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ED 空带
空带
施主能级
Eg
受主能级
Eg
满带
满带
Ea
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