1、第第3章章 太阳能光伏电池太阳能光伏电池 第第3章章 太阳能光伏电池太阳能光伏电池 太阳能光伏电池太阳能光伏电池太阳能太阳能 电能电能 3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1.1半导体基础知识半导体基础知识 1.导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体 （1）自由电子与自由电子浓度）自由电子与自由电子浓度 物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成，电子，电子受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。能在晶体能在晶体中自由运动的电子，称为中自由运动的电子，称为“自由电子自由电子”，它是导体导电的，它
2、是导体导电的电荷粒子。电荷粒子。自由电子浓度：单位体积中自由电子的数量，称为自由电子浓度：单位体积中自由电子的数量，称为自由自由电子浓度电子浓度，用，用n表示，表示，它是它是决定决定物体导电能力的主要因素之物体导电能力的主要因素之一。一。（2）晶体中自由电子的运动）晶体中自由电子的运动 由于晶体内原子的振动，自由电子在晶体中做杂乱无章由于晶体内原子的振动，自由电子在晶体中做杂乱无章的运动。的运动。电流：电流：导体中的导体中的自由电子自由电子在在电场力电场力作用下的作用下的定向定向运动形运动形成电流。成电流。迁移率：迁移率：在单位电场强度（在单位电场强度（1V/cm）下，定向运动的自）下，定向运
3、动的自由电子的由电子的“直线速度直线速度”，称为自由电子的迁移率，用，称为自由电子的迁移率，用 表表示，示，这这也是也是决定决定物体导电能力的主要因素。物体导电能力的主要因素。电导率电导率：表征表征物体导电能力的物理量，用物体导电能力的物理量，用 表示表示,=en 电阻：电阻：导体中的导体中的自由电子定向自由电子定向运动形成电流所受到的运动形成电流所受到的“阻力阻力”，它也，它也表征表征表征物体导电能力。表征物体导电能力。导体的电阻特性导体的电阻特性用电阻用电阻率率 表示表示（=1/）。导体电阻导体电阻3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 （
4、3）导体、绝缘体和半导体）导体、绝缘体和半导体 导体，导体，导电能力强的物体，电阻率为导电能力强的物体，电阻率为10-9l0-6cm；绝缘体，绝缘体，不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的物体物体，电阻率为电阻率为108l020cm；半导体，半导体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，电阻导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，电阻率为率为10-5l07cm。导电机理：导电机理：金属导体导电是金属导体导电是自由电子自由电子（n恒定恒定）在电场力作用下的定）在电场力作用下的定向运动，向运动，电导率电导率基本恒定；基本恒定；半导体导电是半导体导电是电子电子和和
5、空穴空穴在电场力作用下的定向运动。电在电场力作用下的定向运动。电子和空穴的浓度随温度、杂质含量、光照等变化较大，影子和空穴的浓度随温度、杂质含量、光照等变化较大，影响其导电能力。响其导电能力。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 2.硅的晶体结构硅的晶体结构 （1）硅的原子硅的原子结构结构 硅硅(Si)原子，原子序数原子，原子序数14，原子核外，原子核外14个电子，个电子，绕绕核运核运动，动，分层排分层排列：内层列：内层2个电子个电子(满满)，第二层，第二层8个电子个电子(满满)，第，第三层三层4个电子个电子(不满不满)，如图，如图3-1所示。所示。图图3-1 硅的原子结构硅的原子结构
6、 及其原子能级及其原子能级3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 （2）硅的晶体结构硅的晶体结构 硅硅晶体中的晶体中的硅硅原子原子在在空间按面心立方晶格结构无限排列，长程有空间按面心立方晶格结构无限排列，长程有序。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个硅原子间有一对电子与这两序。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个硅原子间有一对电子与这两个原子的原子核都有相互作用，称为共价键。基于共价键作用，是硅原个原子的原子核都有相互作用，称为共价键。基于共价键作用，是硅原子紧密地结合在一起，构成晶体。子紧密地结合在一起，构成晶体。图图3-2硅的晶胞结构硅的晶胞结构3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原
7、理 硅晶体和所有的晶体都是由原子硅晶体和所有的晶体都是由原子(或离子、分子或离子、分子)在空间按在空间按一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体的的晶格晶格。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列，。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列，即即长程有序长程有序，就称其为，就称其为单晶体单晶体。在硅晶体中，每个硅原子。在硅晶体中，每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个相邻原子核都有相互作用，称为们与两个相邻原子核都有相互作用，称为共价键共价键。正是靠。正
8、是靠共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。由许多小颗粒单晶杂乱无章地排列在一起的固体称为由许多小颗粒单晶杂乱无章地排列在一起的固体称为多多晶体晶体。非晶体没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式，非晶体没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式，如一个硅原子仍有四个共价键，短程看是有序的，如一个硅原子仍有四个共价键，短程看是有序的，长程无长程无序序，这样的材料称为，这样的材料称为非晶体非晶体，也叫做无定形材料。，也叫做无定形材料。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 3.能级和能带能级和能带图图 电子在原子中的轨道运动状态具有
9、不同的能量电子在原子中的轨道运动状态具有不同的能量能级能级(E),单一的电子能级，单一的电子能级，分裂成分裂成能量非常接近但又大小不同的许能量非常接近但又大小不同的许多电子能级，形成一个多电子能级，形成一个“能带能带”。图图3-3 单原子的电子能级对应的固体能带单原子的电子能级对应的固体能带 3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 4.禁带、价带和导带禁带、价带和导带 电子只能在各能带内运动电子只能在各能带内运动 ，能带之间的区域没有电子态，能带之间的区域没有电子态,这个区域叫做这个区域叫做“禁带禁带”，用用Eg 表示表示。完全被电子填满的能带称为完全被电子填满的能带称为“满带满带”，最
10、高的满带容纳最高的满带容纳价价电子，电子，称为称为“价带价带”,价带上面完全没有电子的称为价带上面完全没有电子的称为“空空带带”。有的能带只有部分能级上有电子有的能带只有部分能级上有电子,一部分能级是空的。一部分能级是空的。这种部分填充的能带这种部分填充的能带,在外电场的作用下在外电场的作用下,可以产生电流。可以产生电流。而没有被电子填满、处于最高满带上的一个能带称为而没有被电子填满、处于最高满带上的一个能带称为“导带导带”。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 4.禁带、价带和导带禁带、价带和导带 (a)金属金属 (b)半导体半导体 (c)绝缘体绝缘体图图3-4 金属、半导体、绝缘体
11、的能带金属、半导体、绝缘体的能带3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 4.禁带、价带和导带禁带、价带和导带 图图3-4 晶体的能带晶体的能带3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 4.禁带、价带和导带禁带、价带和导带 禁带宽度禁带宽度Eg 价电子要从价带越过禁带跳跃到导带里去参与导电运动，价电子要从价带越过禁带跳跃到导带里去参与导电运动，必须从外界获得大于或等于必须从外界获得大于或等于Eg的附加能量，的附加能量，Eg的大小就是导的大小就是导带底部与价带顶部之间的能量差，带底部与价带顶部之间的能量差，称为称为“禁带宽度禁带宽度”或或“带带隙隙”表表3-1 半导体材料的禁带宽度半导体
12、材料的禁带宽度 材料材料SiGeGaAsCu(InGa)SeInPCdTeCdSEg/eV1.120.71.41.041.21.42.63.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 金属与半导体的区别：金属与半导体的区别：金属的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，在一切条件金属的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，在一切条件下具有良好的导电性。下具有良好的导电性。半导体有一定的禁带宽度，价电子必须获得一定的能量半导体有一定的禁带宽度，价电子必须获得一定的能量（Eg）“激发激发”到导带才具有导电能力。激发的能量可以到导带才具有导电能力。激发的能量可以是热或光的作用。是热或光的作用。常温下，每立方厘米
13、的硅晶体，导带上约有常温下，每立方厘米的硅晶体，导带上约有l010个电子，个电子，每立方厘米的导体晶体的导带中约有每立方厘米的导体晶体的导带中约有1022个电子。个电子。绝缘体禁带宽度远大于半导体，绝缘体禁带宽度远大于半导体，常温下常温下激发到导带上的电激发到导带上的电子非常少，固其电导率很低子非常少，固其电导率很低。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 5.电子和空穴电子和空穴 电子从价带跃迁到导带（电子从价带跃迁到导带（自由电子自由电子）后，）后，在价带中留下在价带中留下一个空位，一个空位，称为称为空穴，空穴，空穴移动也可形成电流。电子的这空穴移动也可形成电流。电子的这种种跃迁形成
14、跃迁形成电子电子-空穴对空穴对。电子和空穴都称为电子和空穴都称为载流子载流子。电子电子-空穴对空穴对不断不断产生产生，又不断又不断复合复合。图图3-5 具有一个断键的硅晶体具有一个断键的硅晶体3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 6.掺杂半导体掺杂半导体 晶格完整且不含杂质的半导体称为晶格完整且不含杂质的半导体称为本征半导体本征半导体。硅半导体掺杂少量的五价元素磷硅半导体掺杂少量的五价元素磷(P)N型硅型硅：自由电子自由电子数量多数量多多多数载流子（数载流子（多子多子）；）；空穴空穴数量很少数量很少少数载流子（少数载流子（少子少子）。电子型半导）。电子型半导体或体或n型半导体。型半导体
15、。掺杂少量的三价元素硼掺杂少量的三价元素硼(B)P型硅型硅：空穴空穴数量多数量多多数载流子（多数载流子（多多子子）；）；自由电子自由电子数量很少数量很少少数载流子少数载流子(少子少子)。空穴型半导体或。空穴型半导体或p型半型半导体。导体。图图3-6 n型和型和p型硅晶体结构型硅晶体结构3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 6.掺杂半导体掺杂半导体-杂质能级杂质能级 在掺杂半导体中，杂质原子的能级处于禁带之中，形成在掺杂半导体中，杂质原子的能级处于禁带之中，形成杂质能级杂质能级。五价杂质原子形成。五价杂质原子形成施主能级施主能级，位于导带的下，位于导带的下面；三价杂质原子形成面；三价杂质
16、原子形成受主能级受主能级，位于价带的上面，位于价带的上面(图图3-7)。施主（或受主）能级上的电子（或空穴）跳跃到导带施主（或受主）能级上的电子（或空穴）跳跃到导带（或价带）中去的过程称为（或价带）中去的过程称为电离电离。电离过程所需的能量就。电离过程所需的能量就是是电离能电离能（很小（很小0.04eV），掺杂），掺杂杂质几乎全部电离杂质几乎全部电离。图图3-7 施主和受主能级施主和受主能级3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 7.载流子的产生与复合载流子的产生与复合由于晶格的热振动，电子不断从价带被由于晶格的热振动，电子不断从价带被“激发激发”到导到导带，形成一对电子和空穴（即带，形
17、成一对电子和空穴（即电子电子-空穴对空穴对），这就是），这就是载流载流子子产生产生的过程。的过程。电子和空穴在晶格中的运动是无规则的导带中的电子落电子和空穴在晶格中的运动是无规则的导带中的电子落进价带的空能级，使一对电子和空穴消失。这种现象叫做进价带的空能级，使一对电子和空穴消失。这种现象叫做电子和空穴的复合，即电子和空穴的复合，即载流子载流子复合复合。一定的温度下晶体内产生和复合的电子一定的温度下晶体内产生和复合的电子-空穴对数目达到空穴对数目达到相对平衡，晶体的总载流子浓度保持不变，相对平衡，晶体的总载流子浓度保持不变，热平衡状态热平衡状态。由于光照作用，产生由于光照作用，产生光生电子光生
18、电子-空穴对空穴对，电子和空穴的产，电子和空穴的产生率就大于复合率，形成非平衡载流子，称为生率就大于复合率，形成非平衡载流子，称为光生载流子光生载流子。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 8.载流子的输运载流子的输运半导体中存在能够导电的半导体中存在能够导电的自由电子自由电子和和空穴空穴，这些载流子，这些载流子有两种输运方式：漂移运动和扩散运动。有两种输运方式：漂移运动和扩散运动。载流子在载流子在热平衡热平衡时作不规则的热运动，与晶格、杂质、时作不规则的热运动，与晶格、杂质、缺陷发生碰撞，运动方向不断改变，平均位移等于零，这缺陷发生碰撞，运动方向不断改变，平均位移等于零，这种现象叫做
19、种现象叫做散射。散射。散射不会形成电流。散射不会形成电流。半导体中载流子在外加电场的作用下，按照一定方向的半导体中载流子在外加电场的作用下，按照一定方向的运动称为运动称为漂移运动漂移运动。外界电场的存在使载流子作定向的漂。外界电场的存在使载流子作定向的漂移运动，并形成电流。移运动，并形成电流。扩散运动扩散运动是半导体在因外加因素使载流子浓度不均匀而是半导体在因外加因素使载流子浓度不均匀而引起的载流子从浓度高处向浓度低处的迁移运动。引起的载流子从浓度高处向浓度低处的迁移运动。扩散运动和漂移运动不同，它不是由于电场力的作用产扩散运动和漂移运动不同，它不是由于电场力的作用产生的，而是由于载流子浓度差
20、的引起的。生的，而是由于载流子浓度差的引起的。3.1.2 p-n结结 n型半导体和型半导体和p型半导体紧密接触，在交界处型半导体紧密接触，在交界处n区中电子区中电子浓度高，要向浓度高，要向p区扩散，在区扩散，在N区一侧就形成一个正电荷的区区一侧就形成一个正电荷的区域；同样，域；同样，p区中空穴浓度高，要向区中空穴浓度高，要向n区扩散，区扩散，p区一侧就形区一侧就形成一个负电荷的区域。这个成一个负电荷的区域。这个n区和区和p区交界面两侧的正、负区交界面两侧的正、负电荷薄层区域称为电荷薄层区域称为“空间电荷区空间电荷区”，即，即p-n结结内建电场内建电场E电势差电势差UD电势能电势能电势能电势能=
21、电荷电荷电势电势=(q)(UD)=qUDqUD通常称作通常称作势垒高度势垒高度。内建电场一方面阻止内建电场一方面阻止“多子多子”的扩散运动，另一方面增的扩散运动，另一方面增强强“少子少子”漂移运动，最终达到平衡状态。漂移运动，最终达到平衡状态。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1.2 p-n结结(a)n区电子往区电子往P区区 (b)p区空穴往区空穴往N区区 (c)p-n结电场结电场扩散在扩散在n区形成带区形成带 扩散在扩散在p区形成带区形成带正电的薄层正电的薄层A 负电的薄层负电的薄层B 图图3-8 p-n结电子与空穴的扩散结电子与空穴
22、的扩散3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1.2 p-n结结(a)形成形成p-n结前载流子的扩散过程结前载流子的扩散过程 (b)空间电荷区和内建电场空间电荷区和内建电场图图3-8 p-n结结3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1.2 p-n结结单向导电性单向导电性 当当p-n结加上结加上正向偏压正向偏压，外加电场的方向与内建电场的方，外加电场的方向与内建电场的方向相反，打破了扩散运动和漂移运动的相对平衡，形成通向相反，打破了扩散运动和漂移运动的相对平衡，形成通过过p-n结的电流（称为结的电流（称为正向电流正向电流），较大；），较大；当当p-n结加上结加上反向偏压反向偏压
23、，构成，构成p-n结的结的反向电流反向电流，很小。，很小。图图3-9 p-n结单向导电特性结单向导电特性 3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1.3 光伏效应光伏效应太阳能电池太阳能电池 1.光伏效应光伏效应 当太阳电池受到当太阳电池受到光照时光照时，光在，光在n区、空间电荷区和区、空间电荷区和p区被吸收，分别区被吸收，分别产生产生电子电子-空穴对空穴对。由于入射光强度从表面到太阳电池体内成指数衰。由于入射光强度从表面到太阳电池体内成指数衰减，在各处产生减，在各处产生光生载流子光生载流子的数量有差别，沿光强衰减方向将形成的数量有差别，沿光强衰减方向将形成光生光生载流子的浓度梯度载流
24、子的浓度梯度，从而产生载流子的，从而产生载流子的扩散运动扩散运动。n区中产生的光生载流子到达区中产生的光生载流子到达p-n结区结区n侧边界时，由于内建电场的侧边界时，由于内建电场的方向是从方向是从n区指向区指向p区，静电力立即将区，静电力立即将光生空穴光生空穴拉到拉到p区，区，光生电子光生电子阻留阻留在在n区。区。p区中到达区中到达p-n结区结区p侧边界的侧边界的光生电子光生电子立即被内建电场拉向立即被内建电场拉向n区，区，空空穴穴被阻留在被阻留在p区。区。空间电荷区中产生的光生电子空间电荷区中产生的光生电子-空穴对则自然被内建电场分别拉向空穴对则自然被内建电场分别拉向n区和区和p区。区。3.
25、1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 1.光伏效应光伏效应p-n结及两边产生的结及两边产生的光生载流子光生载流子就被就被内建电场内建电场所所分离分离，在，在p区聚集光区聚集光生空穴，在生空穴，在n区聚集光生电子，使区聚集光生电子，使p区带正电，区带正电，n区带负电，在区带负电，在p-n结两结两边产生边产生光生电动势光生电动势。上述过程通常称作光生伏特效应或。上述过程通常称作光生伏特效应或光伏效应光伏效应。光。光生电动势的电场方向和平衡生电动势的电场方向和平衡p-n结内建电场的方向相反。当太阳能电池结内建电场的方向相反。当太阳能电池的两端接上负载，这些分离的电荷就形成电流。的两端接上负载，这
26、些分离的电荷就形成电流。图图3-10 光伏效应示意图光伏效应示意图 3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 1.光伏效应光伏效应 太阳能电池太阳能电池 当太阳能电池的两端接上负载，光伏电动势就形成电流。当太阳能电池的两端接上负载，光伏电动势就形成电流。图图3-11 太阳电池的发电原理太阳电池的发电原理3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理2.1.4太阳电池的结构和性能太阳电池的结构和性能 1.太阳电池的结构太阳电池的结构 最简单的太阳电池是由最简单的太阳电池是由p-n结构成的，如图结构成的，如图3-142示，其示，其上表面有栅线形状的上电极，背面为背电极，在太阳电池上表面有栅线形状
27、的上电极，背面为背电极，在太阳电池表面通常还镀有一层减反射膜。表面通常还镀有一层减反射膜。图图3-12 太阳电池的结构和符号太阳电池的结构和符号3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 1.太阳电池的结构太阳电池的结构 硅太阳电池一般制成硅太阳电池一般制成p/n型结构或型结构或n/p型结构。型结构。太阳电池输出电压的极性，太阳电池输出电压的极性，p型一侧电极为正，型一侧电极为正，n型一侧型一侧电极为负。电极为负。根据太阳电池的材料和结构不同，分为许多种形式，如根据太阳电池的材料和结构不同，分为许多种形式，如p型和型和n型材料均为相同材料的型材料均为相同材料的同质结太阳电池同质结太阳电池(如
28、晶体硅太阳如晶体硅太阳电池电池)；p型和型和n型材料为不同材料的型材料为不同材料的异质结太阳电池异质结太阳电池硫化镉硫化镉/碲化镉碲化镉(CdS/CdTe)，硫化镉，硫化镉/铜铟硒铜铟硒(CdS/CulnSe2)薄膜太阳薄膜太阳电池电池；金属；金属-绝缘体绝缘体-半导体半导体(MIS)太阳电池；绒面硅太阳电太阳电池；绒面硅太阳电池；激光刻槽掩埋电极硅太阳电池；钝化发射结太阳电池；激光刻槽掩埋电极硅太阳电池；钝化发射结太阳电池；背面点接触太阳电池；叠层太阳电池等。池；背面点接触太阳电池；叠层太阳电池等。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 2.太阳电池的技术参数太阳电池的技术参数（1）开
29、路电压（）开路电压（Uoc）受光照的太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累受光照的太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累于于p-n结两侧产生光生电动势，这时在太阳电池两端测得的结两侧产生光生电动势，这时在太阳电池两端测得的电势差叫做开路电压，用符号电势差叫做开路电压，用符号Uoc表示。表示。（2）短路电流（）短路电流（Isc）如果把太阳电池从外部短路测得的最大电流，称为短路如果把太阳电池从外部短路测得的最大电流，称为短路电流，用符号电流，用符号Isc表示。表示。图图3-13 硅光电池的开路电压硅光电池的开路电压和短路电流与光照度关系和短路电流与光照度关系 3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光
30、伏发电原理（3）最大输出功率（）最大输出功率（P）把太阳电池接上负载，负载电阻中便有电流流过，该电把太阳电池接上负载，负载电阻中便有电流流过，该电流称为太阳电池的流称为太阳电池的工作电流工作电流（I），也称负载电流或输出电），也称负载电流或输出电流。负载两端的电压称为太阳电池的流。负载两端的电压称为太阳电池的工作电压工作电压(U)。太阳电。太阳电池的池的输出功率输出功率P=UI。太阳电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将太阳电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值作成曲线，就得到太不同阻值所对应的工作电压和电流值作成曲线，就得到太阳电池的阳电池的伏安特
31、性曲线伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率（最大输出功率（Pm）。此时的工作电压和工作电流称为此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压（最佳工作电压（Um）和）和最佳工作电流最佳工作电流（Im），），Pm=UmIm。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 （4）填充因子（）填充因子（FF）太阳电池的另一个重要参数是填充因子太阳电池的另一个重要参数是填充因子FF，它是最大输，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比：出功率与开路电压和短路电流乘积之比：（5）转换效率（）转换效率（
32、）太阳电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻太阳电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳电池的最大输出功率与时的最大能量转换效率，等于太阳电池的最大输出功率与入射到太阳电池表面的能量之比：入射到太阳电池表面的能量之比：3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 3.太阳电池的伏太阳电池的伏-安特性及等效电路安特性及等效电路 太阳电池的电路及等效电路如图太阳电池的电路及等效电路如图3-14所示。所示。ID(二极管电流二极管电流)为通过为通过p-n结的总扩散电流，与结的总扩散电流，与Isc反向；反向；Rs串联电阻，主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电串
33、联电阻，主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面接触电阻所组成，很小；阻和电极与硅表面接触电阻所组成，很小；Rsh为旁路电为旁路电阻，主要由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的，很大。阻，主要由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的，很大。(a)光照时太阳电池的电路光照时太阳电池的电路 (b)光照时太阳电池的等效电路光照时太阳电池的等效电路图图3-14太阳电池的电路及等效电路太阳电池的电路及等效电路3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 当当RL=0时，所测的电流为电池的时，所测的电流为电池的短路电流短路电流Isc。Isc与电池与电池面积成正比，面积成正比，1cm2太阳电池的太
34、阳电池的Isc值为值为1630mA；同一块太；同一块太阳电池，阳电池，Isc值与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高值与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高时，时，Isc略有上升。略有上升。当当RL为无穷大为无穷大时，所测得的电压为电池的时，所测得的电压为电池的开路电压开路电压Uoc，Uoc随光照度变化不大随光照度变化不大。(a)光照时太阳电池的电路光照时太阳电池的电路 (b)光照时太阳电池的等效电路光照时太阳电池的等效电路图图3-14太阳电池的电路及等效电路太阳电池的电路及等效电路3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理伏安特性曲线伏安特性曲线图图3-15 太阳电池的电流太阳电池的电流-
35、电压关系曲线电压关系曲线 图图3-16 常用太阳电池电流常用太阳电池电流-电压特性曲线电压特性曲线1-未受光照；未受光照；2-受光照受光照 I-电流；电流；Isc-短路电流；短路电流；Im-最大工作电流；最大工作电流；U-电压；电压；Uoc-开路电压；开路电压；Um-最大工作电压；最大工作电压；Pm-最大功率最大功率3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 太阳电池性能的测试须在标准条件太阳电池性能的测试须在标准条件 太阳电池（组件）的输出功率取决于太阳辐照度、太阳太阳电池（组件）的输出功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和太阳电池（组件）的工作温度，因此太阳电池光谱分布和太阳电池（组件）的
36、工作温度，因此太阳电池性能的测试须在标准条件（性能的测试须在标准条件（STC）下进行。测量标准被欧洲）下进行。测量标准被欧洲委员会定义为委员会定义为101号标准，其号标准，其测试条件测试条件是：是：光谱辐照度光谱辐照度1000W/m2；大气质量为大气质量为AM1.5时的光谱分布；时的光谱分布；电池温度电池温度25。在该条件下，太阳电池（组件）输出的最大功率称为在该条件下，太阳电池（组件）输出的最大功率称为峰峰值功率值功率。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 串、并联电阻对硅太阳电池输出串、并联电阻对硅太阳电池输出(Uoc、Isc、FF)性能的影性能的影响。响。(入射光强为入射光强为l
37、000W/m2，电池面积为，电池面积为2cm2）(a)串联电阻的影响串联电阻的影响 (b)并联电阻的影响并联电阻的影响图图3-17太阳电池串、并联电阻的影响太阳电池串、并联电阻的影响3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*硅太阳能电池（单晶、多晶和非晶硅太阳电池）是目前硅太阳能电池（单晶、多晶和非晶硅太阳电池）是目前使用最广泛的太阳能电池，占太阳能电池总产量的使用最广泛的太阳能电池，占太阳能电池总产量的90%以以上。上。晶体硅太阳能电池的一般生产制造工艺：晶体硅太阳能电池的一般生产制造工艺：硅材料的制备硅材料的制备 太阳能电池的制造太阳能电池的制造 太阳能电池组件的封装太阳能电池组件的封
38、装 硅砂硅砂(SiO2)冶金硅冶金硅(MG-Si)晶体硅晶体硅(Si)硅片硅片光伏电池片光伏电池片电池组件电池组件电池方阵电池方阵3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*3.2.1 硅材料的优异性能硅材料的优异性能 （1）Si材料丰富，易于提纯，纯度可达材料丰富，易于提纯，纯度可达12个个9(12N)；（电子级硅（电子级硅9N，太阳能电池硅，太阳能电池硅6N即可）即可）（2）Si原子占晶格空间小（原子占晶格空间小（34%），有利于电子运动和），有利于电子运动和掺杂；掺杂；3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*（3）Si原子核外原子核外4个，掺杂后，容易形成电子个，掺杂后，容易形成
39、电子-空穴对；空穴对；（4）容易生长大尺寸的单晶硅（）容易生长大尺寸的单晶硅（400 1100mm，重，重438kg）；）；（5）易于通过沉积工艺制作单晶）易于通过沉积工艺制作单晶Si、多晶、多晶Si和非晶和非晶Si薄薄层材料；层材料；3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*（6）易于腐蚀加工；）易于腐蚀加工；（7）带隙适中（在室温下硅的禁带宽度）带隙适中（在室温下硅的禁带宽度Eg1.l2eV），），受本征激发影响小；受本征激发影响小；（8）Si材料力学性能好，便于机加工；材料力学性能好，便于机加工；（9）Si材料理化性能稳定；材料理化性能稳定；（10）Si材料便于金属掺杂，制作低阻值欧
40、姆接触；材料便于金属掺杂，制作低阻值欧姆接触；（11）切片损伤小，便于可控钝化；）切片损伤小，便于可控钝化；（12）Si材料表面材料表面SiO2薄层制作简单，薄层制作简单，SiO2薄层有利于减薄层有利于减小反射率，提高太阳能电池发电效率；小反射率，提高太阳能电池发电效率；SiO2薄层绝缘好，薄层绝缘好，便于电气绝缘的表面钝化；便于电气绝缘的表面钝化；SiO2薄层是良好的掩膜层和阻薄层是良好的掩膜层和阻挡层。挡层。Si 材料是优良的光伏发电材料！材料是优良的光伏发电材料！3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*3.2.2 硅材料的制备硅材料的制备 制造太阳电池的硅材料以制造太阳电池的硅材料
41、以石英砂石英砂（SiO2）为原料，先把石）为原料，先把石英砂放入电炉中用碳还原得到英砂放入电炉中用碳还原得到冶金硅冶金硅，较好的纯度为，较好的纯度为98%99%。冶金硅与氯气（或氯化氢）反应得到四氯化硅。冶金硅与氯气（或氯化氢）反应得到四氯化硅（或三氯氢硅），经过精馏使其纯度提高，然后通过氢气（或三氯氢硅），经过精馏使其纯度提高，然后通过氢气还原成还原成多晶硅多晶硅。多晶硅经过坩埚直拉法（。多晶硅经过坩埚直拉法（Cz法）或区熔法法）或区熔法（Fz法）制成法）制成单晶硅单晶硅棒，硅材料的纯度可进一步提高，要棒，硅材料的纯度可进一步提高，要求单晶硅缺陷和有害杂质少。求单晶硅缺陷和有害杂质少。石英砂
42、石英砂冶金硅冶金硅多晶硅多晶硅单晶硅单晶硅 从硅材料到制成太阳电池组件，需要经过一系列复杂的从硅材料到制成太阳电池组件，需要经过一系列复杂的工艺过程，以多晶硅太阳电池组件为例，其生产过程大致工艺过程，以多晶硅太阳电池组件为例，其生产过程大致是：是：硅砂硅砂硅锭硅锭硅片硅片电池片电池片电池电池组件组件3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*1.高纯多晶硅的制备高纯多晶硅的制备 （1）硅砂硅砂冶金硅冶金硅（MG-Si）：）：SiO2+2CSi+2CO （2）冶金硅冶金硅高纯多晶硅高纯多晶硅：电子级硅电子级硅(EG-Si)，9N(99.9999999%)以上纯度；以上纯度；太阳能级硅太阳能级硅
43、(SG-Si)，7N以上纯度。以上纯度。四氯化硅法：四氯化硅法：SiCl4+2H2Si+4HCl 三氯氢硅法（三氯氢硅法（改良西门子法）改良西门子法）：SiO2+2CSi+2CO2 Si+3HClSiHCl3+H2 SiHCl3+H2Si+3HCl图图3-19 硅砂制备高纯多晶硅工艺流程硅砂制备高纯多晶硅工艺流程3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*改良西门子法工艺流程改良西门子法工艺流程 图图3-20 改良西门子法工艺流程图改良西门子法工艺流程图 3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*硅烷法硅烷法 硅烷（硅烷（SiH4）生产的工艺是基于化学反应）生产的工艺是基于化学反应2Mg
44、+SiMgSi，然后将硅化镁和氯化铵进行如下化学反应然后将硅化镁和氯化铵进行如下化学反应:MgSi+4NH4ClSiH4+2MgCl2+4NH3从而得到气体硅烷。高浓度的硅烷是一种易燃、易爆气从而得到气体硅烷。高浓度的硅烷是一种易燃、易爆气体，要用高纯氮气或氢气稀释到体，要用高纯氮气或氢气稀释到3%5%后充入钢瓶中使后充入钢瓶中使用。硅烷可以通过减压精馏、吸附和预热分解等方法进行用。硅烷可以通过减压精馏、吸附和预热分解等方法进行纯化，化学反应式为纯化，化学反应式为SiH4Si+2H2 3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*2.多晶硅锭的制备多晶硅锭的制备多晶硅棒多晶硅棒 多晶硅铸锭多晶
45、硅铸锭 （1）定向凝固法）定向凝固法 （2）浇铸法）浇铸法 图图3-21 多晶硅定向凝固法原理图多晶硅定向凝固法原理图3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*3.片状硅的制备片状硅的制备 片状硅又称硅带，是从熔体中直接生长出来，可以减少片状硅又称硅带，是从熔体中直接生长出来，可以减少由于切割而造成硅材料的损失，工艺也比较简单，片厚由于切割而造成硅材料的损失，工艺也比较简单，片厚100200 rm。主要生长方法有限边喂膜（。主要生长方法有限边喂膜（EFG）法、枝蔓）法、枝蔓蹼状晶（蹼状晶（WEB）法、边缘支撑晶（）法、边缘支撑晶（ESP）法、小角度带状）法、小角度带状生长法、激光区熔法和颗
46、粒硅带法等。生长法、激光区熔法和颗粒硅带法等。3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*4.单晶硅的制备单晶硅的制备 （1）直拉单晶法（）直拉单晶法（Cz）3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*直拉单晶炉直拉单晶炉 3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*（2）区熔法（）区熔法（Fz）3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*内热式区熔炉结构内热式区熔炉结构 示意图示意图 3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 3.3.1 硅片的加工硅片的加工晶体硅晶体硅硅片硅片 硅片的加工，是将硅锭经表面整形、定向、切割、研磨、硅片的加工，是将硅锭经表面整形、定向、切割、研磨、腐
47、蚀、抛光、清洗等工艺，加工成具有一定直径、厚度、腐蚀、抛光、清洗等工艺，加工成具有一定直径、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、光洁度，表面无缺陷、晶向和高度、表面平行度、平整度、光洁度，表面无缺陷、无崩边、无损伤层，高度完整、均匀、光洁的镜面硅片。无崩边、无损伤层，高度完整、均匀、光洁的镜面硅片。图图3-23 硅片加工工艺流程硅片加工工艺流程3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 3.3.1 硅片的加工硅片的加工 1.切片工艺技术的原则要求：切片工艺技术的原则要求：（1）切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差）切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小；小；（2）断面完整性好，
48、消除拉丝、刀痕和微裂纹；）断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹；（3）提高成品率，缩小刀）提高成品率，缩小刀(钢丝钢丝)切缝，降低原材料损切缝，降低原材料损耗；耗；（4）提高切割速度，实现自动化切割。）提高切割速度，实现自动化切割。2.切片方法：切片方法：外圆切割、内圆切割、线切割以及激光切割等。外圆切割、内圆切割、线切割以及激光切割等。3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 内圆切割内圆切割：用内圆切割机将硅锭切割成用内圆切割机将硅锭切割成0.20.4mm的薄片。其刀体的的薄片。其刀体的厚度厚度0.1mm左右，刀刃的厚度左右，刀刃的厚度0.200.25mm，刀刃上黏有金，刀刃上黏有金刚
49、砂粉。切割过程中，每切割一片，硅材料有刚砂粉。切割过程中，每切割一片，硅材料有0.30.35mm的厚度损失，因此硅材料的利用率仅为的厚度损失，因此硅材料的利用率仅为4050%。内圆切割。内圆切割刀片的示意图，如图刀片的示意图，如图3-24所示。所示。图图3-24 内圆切割刀片示意图内圆切割刀片示意图3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 内圆切割方法，可分为内圆切割方法，可分为4类：类：（a）刀片水平安装，硅料水平方向送进切割；）刀片水平安装，硅料水平方向送进切割；（b）刀片垂直安装，硅料水平方向送进切割；）刀片垂直安装，硅料水平方向送进切割；（c）刀片垂直安装，硅料垂直方向送进切割；）
50、刀片垂直安装，硅料垂直方向送进切割；（d）刀片固定，硅片垂直方向送进切割。）刀片固定，硅片垂直方向送进切割。图图3-25 内圆式切割机切割分类方法示意图内圆式切割机切割分类方法示意图3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 线切割机切片线切割机切片 一根长达几千米的线两头缠绕在转鼓上，这根线在带磨一根长达几千米的线两头缠绕在转鼓上，这根线在带磨料的悬浮液中切割硅晶体。切片更快，硅片更薄料的悬浮液中切割硅晶体。切片更快，硅片更薄（0.180.2mm），硅损），硅损失更少（失更少（30%）。）。图图3-26 硅片线切割示意图硅片线切割示意图3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 表表3-
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