第一讲太阳能电池和太阳光
RS = 0 ISC RSH = RLOAD
The ideal solar cell would have no internal losses at all! What would the VI characteristic of THIS cell look like? 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
I
I The coordinate system is flipped around the voltage axis. 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
V
第一讲太阳能电池和太阳光
• 用于衡量在一定照射强度、工作温度以及面积条件 下，太阳能电池电力输出的两个主要制约参数为： • 短路电流（Isc， Short circuit current ） 当电压为零时电池输出的最大电流，Isc=IL。Isc与 所接受到的光照强度成正比。 • 开路电压（Voc， Open circuit voltage ） 电流为零时，电池输出的最大电压。Voc的值随辐 照强度的增加成对数方式增长。
RS
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
Cell RS ISC
第一讲太阳能电池和太阳光
RSH
RLOAD
Cell Equivalent circuit for a solar cell with load. Internal resistances RS and RSH represent power loss mechanisms inside the cell. 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
电子空穴对复合的一些可能模式，以及未复合的载流子被收集的情况
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
• 总体来说，在P-N结越近的地方产生的电子空穴对 越容易被收集。当V=0时，那些被收集的载流子将 会产生一定大小的电流。如果电子空穴对在P-N结 附近小于一个扩散长度的范围内产生，收集的几 率就比较大。
所以：
P mp Voc I sc FF
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
ISC , PMAX , VOC
第一讲太阳能电池和太阳光
ISC
(0V, 150 mA) V I = 0 mW (0.43 V, 142 mA) V I = 61 mW
PMAX
Some typical values
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
光谱响应度
第一讲太阳能电池和太阳光
• 然而，在短波长辐射下，电池无法利用光子的全部能量 ，长波长辐射下，电池对光线的吸收作用较弱，导致大 部分光子在远离P-N结的区域被吸收。 • 半导体材料的有限扩散长度也限制了电池对光的响应。
典型的实际太阳电池的外部量子效率和光谱响应 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
恒定的电池温度下，不同的辐照度对光生电流密度 和电压输出特性曲线的影响 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
1.4 温度的影响
第一讲太阳能电池和太阳光
• 温度的影响包括：短路电流随温度上升而增加， 因为带隙能量下降了，更多的光子具有足够的能 量来产生电子空穴对，但是，这是一个比较微弱 的影响。 • 对硅电池来说，温度的上升主要致使开路电压和 填充因子下降，因而导致了输出电功率下降。 • 对硅电池而言，温度对最大输出功率的影响如下 1 dPmm (0.004 ~ 0.005)C1 Pmm dT
第一讲太阳能电池和太阳光
• 当单个光子的能量比半导体材料的禁带宽度大时 ，太阳电池就会吸收这个光子并产生一个电子空 穴对，在这种情况下，太阳能电池对入射光的光 子产生响应。光子能量超出禁带宽度的部分以热 量形式散失。
电子空穴对的产生与超过带隙部分能量的散失 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
• 然而，能量比带隙能量大的光子（Egh>Eg）会与形成 共价键的电子相作用，用它自身所具有的能量去破坏 共价键，形成可以自有流动的电子-空穴对。
导带 Eg
(禁带宽) 价带
光照时电子-空穴对的产生 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
• 光子的能量越高，被吸收的位置就越接近半导体表面 ，较低能量的光子则在距半导体表面较深处被吸收。
第一讲太阳能电池和太阳光
• 在P-N结电场E的作用下，电子受力向N型一侧移动，空穴 受力向P型一侧移动。短路时，在外电路产生光电流。
理想短路情况下P-N结区域电子与空穴的流动（电子、空穴产生、定向移 动、被收集、外电路流动） 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
• 尽管如此，一部分电子和空穴在被收集之前就已 经消失了。
第一讲太阳能电池和太阳光
• 单位体积内电子-空穴对的产生率可用下式表示：
G Ne
x
• N为光子的流量（每秒流过单位面积的光子数量 ），α是吸收系数，x是到表面的距离。
α物理意义 α相当于某波长的光在媒质中传播1/α距离时能量减弱到 原来能量的1/e。一般用吸收系数的倒数1/α来表征该波 长的光在材料中的透入深度。
光的能量与电子-空穴对产生的位置间的联系
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
Resource Characteristics ——地面附近太阳辐射光谱图 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
The absorption depths of silicon 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
Power Generating Region
Power Dissipating Region
V
Dark Characteristic
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
Light Characteristic
第一讲太阳能电池和太阳光
• 光照能使电池的I-V曲线向下平移到第四象限，于 是二极管的电能可以被获取。
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
• 类似的，载流子的扩散长度就是载流子从产生到 复合所能移动的平均距离。对于硅，扩散长度一 般是100~300μm。 • 这两个参数为太阳能电池应用的材料提出参考。 • 如果没有一个使电子定向移动的方法，半导体就 无法输出能量。因此，一个功能完善的太阳能电 池，通常需要增加一个整流P-N结来实现。
1.1 光的吸收与载流子复合
第一讲太阳能电池和太阳光
1.2 光照的影响
1.3 光谱响应
1.4 温度的影响
1.5 寄生电阻的影响
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
1.1 光的吸收与载流子复合
第一讲太阳能电池和太阳光
• 当光照射到半导体材料时，拥有比禁带宽（Eg）还小 的能量（Eph）的光子与半导体的相互左右极弱，于是 顺利地穿透半导体，就如半导体是透明的一样。
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
1.1 光的吸收与载流子复合
第一讲太阳能电池和太阳光
• 当光源被关掉后，系统势必会回到一个平衡状态 。在没有外界能量来源的情况下，电子和空穴会 无规则运动直到他们相遇并复合。 • 任何表面或内部的缺陷、杂质都会促进复合的产 生。 • 材料的载流子寿命可以定义为电子空穴对从产生 到复合的平均存在时间。对于硅，典型的载流子 寿命约为1μs。
• 为便于讨论，太阳电池的I-V特性曲线通常被上下 翻转，将输出曲线置于第一象限，并用下式表示 ：
qV I I L I 0 [exp( ) 1] nkT
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
The VI characteristic of a solar cell is usually displayed like this: V
qV I I 0 [exp( ) 1] I L nkT
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
电压电流 方向？
光的照射对P-N结电流-电压间函数特性的影响
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
I
Power Dissipating Region
I
V
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
VOC
第一讲太阳能电池和太阳光
• 对于I-V曲线上的每一点，都可取该点上电流与电 压的乘积，以反映此工作情形下的输出电功率。 • 填充因子（FF，Fill Factor）是衡量电池P-N结的质 量以及串联电阻的参数。 填充因子定义为： FF
Vmp Imp Voc I sc
太阳能电池 工作原理、技术和系统应用
作者：马丁.格林
江西工业工程职业技术学院电子工程系林梅课件 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
第 四讲 效率极限
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
2
第一讲太阳能电池和太阳光
• 复习
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
1 太阳能发电原理和影响因素
VOC
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
补充：最大转换效率为带隙Eg的函数
第一讲太阳能电池和太阳光
P mp Voc I sc FF
定性结论：
短路电流随Eg的增大而减小； 开路电压随Eg的增大而增大； 在Eg为1.4eV时出现太阳电池的最大转换效率
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
1.3 光谱响应
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
1.2 光照的影响
第一讲太阳能电池和太阳光
• 照射到电池上的光可呈现多种不同的情形。为了使太 阳能电池的能量转换效率最大化，必须设计使之得到 最大的直接吸收以及反射后的吸收。
1-顶电极上的反射与吸收；2-在电池表面的反射；3-可用的吸收； 4-电池底部的反射（仅对吸收较弱的光线有效）；5-反射后的吸收； 江西工业工程职业技术学院电子系林梅 6-背电极处的吸收