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太阳能电池的结构和基本原理.ppt

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文档介绍:太阳能电池的结构和基本原理

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在pn结开路的情况下,光生电流和正向电流相等时,p-n结两端建立起稳定的电势差Voc,(p区相对于n区是正的),这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通,只要光照不停止太阳能电池的结构和基本原理

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在pn结开路的情况下,光生电流和正向电流相等时,p-n结两端建立起稳定的电势差Voc,(p区相对于n区是正的),这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通,只要光照不停止,就会有源源不断的电流通过电路,p-n结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。


由上面分析可以看出,为使半导体光电器件能产生光生电动势(或光生积累电荷),它们应该满足以下两个条件:
1、半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数,即要求入射光子的能量h大于或等于半导体材料的带隙Eg,使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。


2、具有光伏结构,即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子,在p区内积累了非平衡空穴,而在n区内积累起非平衡电子。产生了一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场,于是在p区和n区间建立了光生电动势(或称光生电压)。


除了上述pn结能产生光生伏特效应外,金属-半导体形成的肖特基势垒层等其它许多结构都能产生光生伏特效应。其电子过程和pn结相类似,都是使适当波长的光照射材料后在半导体的界面或表面产生光生载流子,在势垒区电场的作用下,光生电子和空穴向相反的方向漂移从而互相分离,在器件两端积累产生光生电压。


通常的发电系统如火力发电,就是燃烧石油或煤以其燃烧能来加热水,使之变成蒸汽,推动发电机发电;原子能发电则是以核裂变放出的能量代替燃烧石油或煤,而水力发电则是利用水的落差能使发电机旋转而发电。
太阳能电池发电的原理是全新的,与传统方法是完全不同,既没有马达旋转部分,也不会排出气体,是清洁无污染的发电方式。


太阳能电池的结构
单晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。
单晶硅太阳能电池通常是以p型Si为衬底,扩散n型杂质,形成如图(a)所示结构。为取出电流,p型衬底的整个下表面涂银并烧结,以形成银电极,接通两电极即能得到电流。




玻璃衬底非晶硅太阳能电池是先在玻璃衬底上淀积透明导电薄膜,然后依次用等离子体反应沉积p型、I型和n型三层a-Si,接着再蒸涂金属电极铝,电池电流从透明导电薄膜和电极铝引出。

玻璃衬底非晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。


不锈钢衬底型太阳能电池是在不锈钢衬底上沉积pin非晶硅层,其上再沉积透明导电薄膜,最后与单晶硅电池一样制备梳状的银收集电极。电池电流从下面的不锈钢和上面的梳状电极引出。
不锈钢衬底非晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。


二、太阳能电池的输出特性



1、光电池的电流电压特性
光电池工作时共有三股电流:光生电流IL,在光生电压V作用下的pn结正向电流IF,流经外电路的电流I。IL和IF都流经pn结内部,但方向相反。
p
n
负载
光电流IL
结正向电流IF
I
根据p-n结整流方程,在正向偏压下,通过结的正向电流为:
IF=Is[exp(qV/kT)-1]
其中:V是光生电压,Is是反向饱和电流。


如光电池与负载电阻接成通路,通过负载的电流应该是:
I = IF-IL = Is[exp(qV/kT)-1]-IL
这就是负载电阻上电流与电压的关系,也就是光电池的伏安特性方程。
左图分别是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线。


不论是一般的化学电池还是太阳能电池,其输出特性一般都是用如下图所示的电流-电压曲线来表示。由光电池的伏安特性曲线,可以得到描述太阳能电池的四个输出参数。
2、描述太阳能电池的参数


1、开路电压Voc
在p-n结开路情况下(R=),此时pn结两端的电压即为开路电压Voc。
这时,I=0,即:IL=IF。将I=0代入光电池的电流电压方程,得开路电压为:
Voc=
kT
q
ln(
IL
Is
+1)
2、短路电流Isc
如将pn结短路(V=0),因而IF=0,这时所得的电流为短路电流Isc。显然,短路电流等于光生电流,即:
Isc = IL


3、填充因子FF
在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积,其中只有一点是输出最大功率,称为最佳工作点,该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vop和最佳工作电流Iop。
填充因子定义为:
FF =
VopIop
VocIsc
=
Pmax
Voc

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上传人:我是药仙 2022/7/3 文件大小:1.43 MB

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