第三讲太阳电池原理与主要电池介绍
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太阳电池工作原理教学课件
人在贝尔实验室制成了光电转换效率达6%的 世界上第一块实用的硅太阳电池，标志着太 阳电池研制工作的重大进展。
引言
1959年第一个光电转换效率为5％的多晶硅太 阳电池问世。
1960年硅太阳电池发电首次并入常规电网。 1975年，美国科学家制作出非晶硅太阳电池。 80年代初，太阳电池开始规模化生产。
颗粒过大）
填充因子
FF和其他关键参数的关系：
FF
FF0
1
(voc
0.7) FF0 RCH voc Rsh
(1
Rs RCH
)
其中
FF0
voc ln(voc 0.72) voc 1
voc
Voc nkT / q
RCH
Voc I sc
填充因子
填充因子还可定义为：
FF Pmax Voc I sc
0
单位面积入射光功率
温度对太阳电池的影响
1 2
电流温度系数：0.1% 电压温度系数：-0.4%（-2.3mV/℃)
曲线1—25℃ 曲线2—35 ℃
温度对太阳电池的影响
短路电流对温度变化的敏感度不大。
开路电压会随温度显著变化，一般温度每升
高1℃，Voc下降约0.4%。
dVoc Vgo Voc （kT/q)
Voc的损失主要在于体内复合。
短路电流
——损失途径
表面的减反射程度，通过制绒和镀减反 射膜使反射率在10%以下。
正面电极的印刷遮掉10%左右的入射光。 电池片比较薄，部分光线会直接穿透电
池片。不过现采用全背面印刷铝浆对这 损失有很大削弱。 半导体体内和表面的复合。
串联电阻
●● ● 硅金 金 材属 属 料电 与 体极 硅 电电 的 阻阻 接
引言
1959年第一个光电转换效率为5％的多晶硅太 阳电池问世。
1960年硅太阳电池发电首次并入常规电网。 1975年，美国科学家制作出非晶硅太阳电池。 80年代初，太阳电池开始规模化生产。
颗粒过大）
填充因子
FF和其他关键参数的关系：
FF
FF0
1
(voc
0.7) FF0 RCH voc Rsh
(1
Rs RCH
)
其中
FF0
voc ln(voc 0.72) voc 1
voc
Voc nkT / q
RCH
Voc I sc
填充因子
填充因子还可定义为：
FF Pmax Voc I sc
0
单位面积入射光功率
温度对太阳电池的影响
1 2
电流温度系数：0.1% 电压温度系数：-0.4%（-2.3mV/℃)
曲线1—25℃ 曲线2—35 ℃
温度对太阳电池的影响
短路电流对温度变化的敏感度不大。
开路电压会随温度显著变化，一般温度每升
高1℃，Voc下降约0.4%。
dVoc Vgo Voc （kT/q)
Voc的损失主要在于体内复合。
短路电流
——损失途径
表面的减反射程度，通过制绒和镀减反 射膜使反射率在10%以下。
正面电极的印刷遮掉10%左右的入射光。 电池片比较薄，部分光线会直接穿透电
池片。不过现采用全背面印刷铝浆对这 损失有很大削弱。 半导体体内和表面的复合。
串联电阻
●● ● 硅金 金 材属 属 料电 与 体极 硅 电电 的 阻阻 接
太阳电池原理
I sc qGo A
1 exp[ l n W le ] qGo Al n W le
其表面积A=5cm×5cm,ln =0.2μm,W=2μm,le=50μm,Go=1×1018cm-3s-1
太阳电池原理
不同波长的光所产生的Isc 1，对于光波长λ≈1.1μm，α=2000m-1（吸收深度δ=1/ α=500μm）, 求得Isc=20mA. 2，对于强吸收的光波长λ≈0.83μm， α=10 × 105m-1（吸收深度 δ=1/ α=10μm）,求得Isc=40mA.
压
对p区:
•方程(2-5)称为电流密度方程,它表示n区中的空穴决定的电流密度等于 空穴的漂移分量与扩散分量的代数和. •方程(2-6)称为连续性方程.它表示在单位时间单位体积的半导体中,空 穴浓度的变化量等于净产生率(产生率减复合率)与空穴流密度梯度 的代数和.其中末项前的负号分别表示扩散流动方向和空穴浓度梯度 方向及电流密度方向均相反. •方程(2-7)(2-8)分别为p区中自由电子决定的电流密度方程和连续性 •方程（2-9）称为泊松方程，表示半导体中电势的空间分布和空间电 荷的关系
H H a x qGL ( x ) dxd J L q Q1 R a e dxd 0 0 0 0
J L max qN ph E g
式中 GL Q1 R a e a x , 为入射到电池上波长 为 ,带宽为d 的光子数, Q为量子产额，及一个能量大于Eg的 R 光子产生一对光生载流子的几率，通常情况下可以令Q=1， 为和波长有关的发射因数, a 为对应波长的吸收系数, dx 为距 电池表面x处厚度为dx的薄层,H为电池总厚度, GL (x) 表示x处的 光生载流子的产生率.
1 exp[ l n W le ] qGo Al n W le
其表面积A=5cm×5cm,ln =0.2μm,W=2μm,le=50μm,Go=1×1018cm-3s-1
太阳电池原理
不同波长的光所产生的Isc 1，对于光波长λ≈1.1μm，α=2000m-1（吸收深度δ=1/ α=500μm）, 求得Isc=20mA. 2，对于强吸收的光波长λ≈0.83μm， α=10 × 105m-1（吸收深度 δ=1/ α=10μm）,求得Isc=40mA.
压
对p区:
•方程(2-5)称为电流密度方程,它表示n区中的空穴决定的电流密度等于 空穴的漂移分量与扩散分量的代数和. •方程(2-6)称为连续性方程.它表示在单位时间单位体积的半导体中,空 穴浓度的变化量等于净产生率(产生率减复合率)与空穴流密度梯度 的代数和.其中末项前的负号分别表示扩散流动方向和空穴浓度梯度 方向及电流密度方向均相反. •方程(2-7)(2-8)分别为p区中自由电子决定的电流密度方程和连续性 •方程（2-9）称为泊松方程，表示半导体中电势的空间分布和空间电 荷的关系
H H a x qGL ( x ) dxd J L q Q1 R a e dxd 0 0 0 0
J L max qN ph E g
式中 GL Q1 R a e a x , 为入射到电池上波长 为 ,带宽为d 的光子数, Q为量子产额，及一个能量大于Eg的 R 光子产生一对光生载流子的几率，通常情况下可以令Q=1， 为和波长有关的发射因数, a 为对应波长的吸收系数, dx 为距 电池表面x处厚度为dx的薄层,H为电池总厚度, GL (x) 表示x处的 光生载流子的产生率.
3太阳电池基本知识
EFF：转换效率。指受光照太阳电池的最大 功率与入射到该太阳电池上的全部辐 射功率的百分比。
太阳电池的I-V特性曲线
Isc： 短路电流 Voc： 开路电压 Rs： 串联电阻 Rsh： 并联电阻 Pmax：最大功率 Vmp： 最大电压 Imp： 最大电流 FF： 填充因子 EFF： 转换效率
太阳电池的生产流程
清洗 → 扩散 → 刻蚀
分检
丝网 PECVD镀膜
1.清洗制绒
制备绒面的目的： 在硅片表面腐蚀形成角
锥体密布的表面形貌 ，减少 光的反射率。2.ຫໍສະໝຸດ 散扩散的目的： 在P型半导体
表面掺杂五价元素 磷，在硅片表面形 成PN结.
3.等离子刻蚀
等离子刻蚀的目的： 去除边缘PN结，防止上下短路。
4.PECVD镀膜
单晶：在整个晶体内，原子都是周
期性的规
则排列称为单晶。
多晶：由许多取向不同的单晶颗粒 杂乱地排列在一起称为多晶。
太阳电池的工作原理
* 吸收光子，产生电子空 穴对,电子空穴对被内建 电场分离在PN结两端产 生电势
—光生伏特效应
* 将PN结用导线连接，形 成电流。在太阳电池两 端连接负载，实现了将 光能向电能的转换
Rsh： 并联电阻。指太阳电池内部的、跨 连在电池两端的等效电阻。
Pmax：最大功率。太阳电池的伏安特性曲 线上，电流电压乘积的最大值。
Vmp： 最大电压。太阳电池的伏安特性 曲 线上最大功率点所对应的电压。
Imp： 最大电流。太阳电池的伏安特性曲线 上最大功率点所对应的电流。
FF： 填充因子。指太阳电池的最大功率与 开路电压和短路电流乘积之比。
PECVD镀膜的目的： 在硅片表面镀上一层深蓝色的
氮化硅膜。 可以充分吸收太阳光，降低反
太阳电池的I-V特性曲线
Isc： 短路电流 Voc： 开路电压 Rs： 串联电阻 Rsh： 并联电阻 Pmax：最大功率 Vmp： 最大电压 Imp： 最大电流 FF： 填充因子 EFF： 转换效率
太阳电池的生产流程
清洗 → 扩散 → 刻蚀
分检
丝网 PECVD镀膜
1.清洗制绒
制备绒面的目的： 在硅片表面腐蚀形成角
锥体密布的表面形貌 ，减少 光的反射率。2.ຫໍສະໝຸດ 散扩散的目的： 在P型半导体
表面掺杂五价元素 磷，在硅片表面形 成PN结.
3.等离子刻蚀
等离子刻蚀的目的： 去除边缘PN结，防止上下短路。
4.PECVD镀膜
单晶：在整个晶体内，原子都是周
期性的规
则排列称为单晶。
多晶：由许多取向不同的单晶颗粒 杂乱地排列在一起称为多晶。
太阳电池的工作原理
* 吸收光子，产生电子空 穴对,电子空穴对被内建 电场分离在PN结两端产 生电势
—光生伏特效应
* 将PN结用导线连接，形 成电流。在太阳电池两 端连接负载，实现了将 光能向电能的转换
Rsh： 并联电阻。指太阳电池内部的、跨 连在电池两端的等效电阻。
Pmax：最大功率。太阳电池的伏安特性曲 线上，电流电压乘积的最大值。
Vmp： 最大电压。太阳电池的伏安特性 曲 线上最大功率点所对应的电压。
Imp： 最大电流。太阳电池的伏安特性曲线 上最大功率点所对应的电流。
FF： 填充因子。指太阳电池的最大功率与 开路电压和短路电流乘积之比。
PECVD镀膜的目的： 在硅片表面镀上一层深蓝色的
氮化硅膜。 可以充分吸收太阳光，降低反
太阳能电池的结构与工作原理
太阳能电池的结构与工作原理太阳能电池是利用光电效应将光能转化为电能的一种设备。
其结构以及工作原理十分关键，本文将从多方面进行阐述。
一、太阳能电池的结构太阳能电池的主要结构是由P型半导体和N型半导体材料组成的PN结构。
其具体结构如下：（1）P型半导体层：由于P型半导体材料内部原子存在杂质，导致其内部有大量少子分布，因此呈现出正电导特性。
（2）N型半导体层：与P型半导体层相似，N型半导体材料内部原子也存在杂质，导致其内有大量多子分布，因此呈现出负电导特性。
（3）P-N结：当P型半导体层与N型半导体层相结合时，因其电子浓度相反，形成PN结。
PN结中含有少量的杂质离子，如磷、硅、锗等，在室温下可获得稳定性，并形成一定的空间电荷区，即反向漏电区，可以有效防止电子和空穴的复合，从而将光电转换效率提高到最高。
（4）金属电极：在P型半导体的顶部和N型半导体的底部，分别电浆贴附上一层金属电极，以加强电路连通性。
二、太阳能电池的工作原理太阳能电池是通过光电效应实现将光能转换为电能的。
当光线经过太阳能电池表面时，会被吸收，产生光电子激发，使电子跃迁到导带中，形成相应的空穴。
通过PN结的内部电场作用使空穴向P型半导体集中，电子向N型半导体集中，形成电动势。
在外部电路的作用下，电子流进入电路的负载，使得负载发生电流，从而实现转换效果。
在实际应用中，太阳能电池的转换效率与多种因素有关，如太阳能的强度与方向、电池板的温度与表面状况、电池板质量等因素。
同时，太阳能电池的制造也对其转换效率产生重要影响。
通过多样化材质结构的选择，制造出转换效率高、成本低、稳定性好的太阳能电池，对于太阳能电池的推广应用产生了积极推动作用。
三、太阳能电池的种类太阳能电池种类较多，根据主要材料不同，太阳能电池可分为硅太阳能电池和非硅太阳能电池。
其中，硅太阳能电池占据了市场主导地位，非硅太阳能电池虽然目前市场份额较小，但这种新型太阳能电池的研究及发展有着重要意义。
第三章 太阳能电池原理
开路电压VOC： VOC kT ln( IL 1)
q
IS
填充因子 F Pmp IscVoc
光电转换效率
Pmp FVocIsc
Pi
Pi
Pmp是最大输出功率， Pi是输入功率
当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定以后，其值就取决 于开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子F的最大值。
3、入射光光谱：一般是标准化的AM1.5光源 4、太阳能电池的光学性能：电池的吸收和反射 5、载流子收集的可能性：主要取决于电池表面的钝化及电
池中的少子寿命
qV
I IL - IF IL - Is(e kT 1)
V kT ln( IL - I 1)
q
IS
当pn结开路（open circuit ）时即R趋于无穷大，得到
光谱响应度（SR） 太阳能电池的光谱响应度：单位光功率所产生的电流强度
SR Isc I L qne q EQE q(1 R) IQE
Pin ()
Pin ()
hc
n ph
hc
hc
EQE：外部量子效率（没有特殊说明时就是量子效率） IQE：内部量子效率
理想情况下，光谱响应度（λ≤ λg）与波长成正比。 实际情况并不成线性关系：波长较长时，电池对光的吸收弱，导致
带有电阻负载的pn结太阳能电池示意图
零偏下光电池工作 电流
光生电流IL 光生电压下的正向电流IF
qV
流经负载的电流 I IL - IF IL - Is(e kT 1)
太阳能电池的重要参数： 短路电流ISC；开路电压VOC；填充因子F；光电转换效率η
qV
I IL - IF IL - Is(e kT 1)
精选太阳能电池原理及工艺课件
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台湾高雄的世运太阳能national Communication Center
太阳能国际交流中心
2011年2月
全球首架飞使用太阳能驱动的机于2010年7月成功实现24小时不间断飞行并载入人类飞行史册。2011年5月13日，它成功完成首次跨国飞行，从瑞士的帕耶那飞行近13个小时，途径法国和卢森堡，飞抵布鲁塞尔。
制造装备 辅助材料
平衡部件
上游 中游 下游
我国光伏产业现状
太阳电池生产流程
Page
一 、太阳电池原理
太阳电池原理及基本特性
p-n结的光生伏特效应 太阳电池的电流电压特性 太阳电池的基本参数 如何提高电池的光电转换效率 太阳辐射基本知识
Page
（4）最大输出功率Pm
Page
第六阶段（2011-）
国外金融经济危机+光伏企业无限制增长导致光伏组件价格大跌，企业倒闭、裁员。整合阶段。黎明前的黑暗
Page
太阳电池的分类
按太阳电池发展阶段分为三代
Page
按用途分为 空间太阳电池、地面太阳电池、光伏传感器等。按电池结构分为 同质结太阳电池、异质结太阳电池、肖特基结太阳电池、复合结太阳电池、液结太阳电池等。按所用材料分为 硅基太阳电池、化合物太阳电池、功能高分子材料太阳电池、纳米晶太阳电池等。按工作方式分为 平板太阳电池、 聚光太阳电池
Page
太阳电池发展简史
第一阶段（1954-1973）
1954年恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，效率为6%。同年，威克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块太阳电池。太阳电池开始了缓慢的发展。
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台湾高雄的世运太阳能national Communication Center
太阳能国际交流中心
2011年2月
全球首架飞使用太阳能驱动的机于2010年7月成功实现24小时不间断飞行并载入人类飞行史册。2011年5月13日，它成功完成首次跨国飞行，从瑞士的帕耶那飞行近13个小时，途径法国和卢森堡，飞抵布鲁塞尔。
制造装备 辅助材料
平衡部件
上游 中游 下游
我国光伏产业现状
太阳电池生产流程
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一 、太阳电池原理
太阳电池原理及基本特性
p-n结的光生伏特效应 太阳电池的电流电压特性 太阳电池的基本参数 如何提高电池的光电转换效率 太阳辐射基本知识
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（4）最大输出功率Pm
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第六阶段（2011-）
国外金融经济危机+光伏企业无限制增长导致光伏组件价格大跌，企业倒闭、裁员。整合阶段。黎明前的黑暗
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太阳电池的分类
按太阳电池发展阶段分为三代
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按用途分为 空间太阳电池、地面太阳电池、光伏传感器等。按电池结构分为 同质结太阳电池、异质结太阳电池、肖特基结太阳电池、复合结太阳电池、液结太阳电池等。按所用材料分为 硅基太阳电池、化合物太阳电池、功能高分子材料太阳电池、纳米晶太阳电池等。按工作方式分为 平板太阳电池、 聚光太阳电池
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太阳电池发展简史
第一阶段（1954-1973）
1954年恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，效率为6%。同年，威克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块太阳电池。太阳电池开始了缓慢的发展。
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太阳电池的工作原理
太阳电池的工作原理一、太阳电池的概述太阳电池，又称光伏电池，是一种能够将太阳能转化为电能的装置。
它利用光电效应原理，通过光子与材料相互作用，将光能转化为电能。
太阳电池广泛应用于太阳能发电、太阳能照明等领域，成为可再生能源的重要代表之一。
二、太阳电池的结构太阳电池的基本结构由P型半导体、N型半导体和PN结构组成。
P型半导体中的杂质含有电子，N型半导体中的杂质含有空穴。
当P型半导体和N型半导体结合在一起时，形成PN结构。
PN结构的界面形成了电场，这个电场被称为内建电场。
太阳电池利用光电效应原理，将太阳能转化为电能。
当太阳光照射到太阳电池表面时，光子与材料发生相互作用，将能量传递给材料中的电子。
光子的能量足够高时，会将材料中的价带电子激发到导带上，形成电子空穴对。
此时，内建电场将电子和空穴分开，形成电势差。
电子受到内建电场的作用，从N区向P区流动，而空穴则从P区向N区流动。
这样，形成了电流。
四、太阳电池的材料选择太阳电池的材料选择对其效率和性能有着重要影响。
常见的太阳电池材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅、染料敏化太阳电池等。
单晶硅具有高效率和较长的使用寿命，但制造成本较高。
多晶硅制造成本较低，效率稍低。
非晶硅具有较好的光吸收能力，但效率相对低。
染料敏化太阳电池则利用有机染料吸收光能，制造成本低，但效率较低。
五、太阳电池的工作参数太阳电池的工作参数包括开路电压（Voc）、短路电流（Isc）、最大功率点（MPP）等。
开路电压是指在无负载情况下太阳电池的输出电压。
短路电流是指在短路情况下太阳电池的输出电流。
最大功率点是指太阳电池在特定光照强度和温度下输出的最大功率。
太阳电池的工作参数直接影响其输出功率和效率。
六、太阳电池的效率太阳电池的效率是指其将太阳能转化为电能的能力。
太阳电池的效率与其材料、结构、制造工艺、光照强度和温度等因素密切相关。
目前，太阳电池的效率不断提高，单晶硅太阳电池的效率可达到20%以上，染料敏化太阳电池的效率也有所提升。
太阳电池的原理及结构文档ppt
3.1.3 硅太阳电池制备及结构
晶体硅太阳能电池是典型的p-n结型太阳电池， 它的研究最早、应用最广，是最基本且最重要的太 阳电池。
在实际工艺中，一般利用200～500μm厚的掺硼 的p型硅材料作为基质材料，通过扩散形成0.25 μm 厚的n型掺杂剂，形成p-n结，通常选用磷作为n型 掺杂剂。
p-n结的制备技术：
Al(PO3)3 = AlPO4 + P2O5
2 P2O5+5Si = 5SiO2 + 4P
固态磷扩散法还可以利用丝网印刷、喷涂、旋涂、 化学气相沉积等技术，在硅片表面沉积一层磷的 化合物，通常是P2O5。
液态磷源扩散可以得到较高的表面浓度，在硅太阳电 池工艺中更为常见。通常利用的液态磷源为三氯氧磷， 通过保护气体，将磷源携带进入反应系统，在800～ 1000℃硅片磷扩散的磷源，其反应式为：
它表示了最大输出功率点 所对应的矩形面积在Voc和Isc 所组成的矩形面积中所占的 百分比。特性好的太阳能电 池就是能获得较大功率输出 的太阳能电池，也就是Voc， Isc和FF乘积较大的电池。对 于有合适效率的电池，该值 应在0.70-0.85范围之内。
４.太阳能电池的光电转化效率η
表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。即：
5POCl3 = 3PCl5 + P2O5
2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P
对于晶体硅太阳电池，为使p-n结处有尽量多的光线 到达，p-n结的结深要尽量浅，一般为250nm，甚 至更浅。磷扩散时，表面会形成磷硅玻璃，影响太 阳电池正常工作，需要去除。用稀释的HF中侵蚀。
3.1 太阳能电池的原理及结构
3.1.1 太阳电池原理——光生伏特效应
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• 这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。 • 能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非
晶硅，砷化镓，硒铟铜等。
7 7
光伏效应
• 早在1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光 照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现 象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。
CdTe
CIGS
GaAs 迭层
％ 25
18-19
产业化
22 16-18
17 13-16
产业化
13－15 5.5-9.5
部分产 业化
>15 实验室
16.8 ～10
产业 化
19.8 8-10
产业 化
～42 32.2
聚光 示范
电 光电化学 池 电池
染料敏化 电池
％ 11 5～6
其他
新概念电池（第三代电池？）
当入射太阳光能量大于吸收层半导体能隙时，入 射光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电 子-空穴对靠半导体内形成的内建电场分开到两极，正负 电荷分别被上下电极收集。由金属导连接正负电极对外提 供电能。
9 9
基本原理
10
太阳能电池发电原理图
11 11
12 12
13 13
14 14
15 15
• 流过负载的电流：
I= Iph – ID – ISh
22
串联电阻
串联电阻表达式：
R s r m f r c 1 r t r b r c 2 r m b
是r m f 正面电极金属栅线电阻，rc1、rc2 分别 是正面、背面金属半导体接触电阻， rt是 正面扩散层的电阻，rb是基区体电阻，rmb
• 短路电流
V=0时， 光生电流是Isc(短路电流）
• 开路电压
I=0时，电流的输出电压为开路电压 Voc=kTq-1ln(Isc+Isc/I01)
18
• 理想电池的输出功率： P=IV= IscV-I01(eqv/kBT-1)V
求上式的极值，就得到最大输出电压（Vmp)和最大 输出电流(Imp) ，最大输出功率(Pmp)等于最大输出 电流和最大输出电压的乘积。 填充因子 定义电池的填充因子FF（fill factor)=ImpVmp/(IscVoc),填充因子小于等于1 • 电池转换效率（η） η=最大输出功率除以入射功率=Pmp/Pin
19
20
实际的太阳电池等效电路
Rs
Iph
ID
Rsh
Ish
VR
I
21
(2)实际太阳电池等效电路：
• 由于漏电流等产生的旁路电阻Rsh
• 由于体电阻和电极的欧姆电阻产生的串联
电阻Rs • 在Rsh两端的电压为： Vj =(V+IRS)
• 因此流过旁路电阻Rsh的电流为：
ISh= (V+IRS) / Rsh
向偏置 • 暂不考虑串联电阻（Rs）和并联电阻（Rsh） • ID2是与耗尽区复合相关的二极管，ID1是与n,p区复合相关的二极管
ID1
ID2
V
R
I
Isc
17
• I=Isc-ID1-ID2 ID2很小（因为耗尽区电阻很大）
→I=Isc-I01(eqv/kBT-1), I01是与n 和p中性区复合相关 的暗饱和电流
第三讲3 太阳电池原理及主要 太阳电池介绍
1 太阳电池分类 2 太阳电池工作原理 3 晶硅太阳电池 4 薄膜太阳电池 5 化合物太阳电池 6 染料敏化太阳电池 7 其类(材料分类)
晶体硅太阳电池
(Crystal Silicon Solar Cell)
单晶硅太阳电池 多晶硅太阳电池 带状硅太阳电池
太阳电池性能参数
太阳电池等效电路 (1)理想太阳电池等效电路：
• 相当于一个电流为Isc的恒流电源与一只正向二极管并联
。
• 流过二极管的正向电流称为暗电流ID. • 流过负载的电流为I • 负载两端的电压为V
16
理想的太阳电池等效电路
• 一个理想的恒流源和2个二极管组成 • 恒流源的电流Isc与两个二极管电流方向相反，相当于二极管处于正
染料敏化太阳电池(Dye Sensitized Solar cell) 有机薄膜太阳电池 (Organic Solar Cell)
2 2
✓太阳电池分类(应用分类)
用途分类 结构分类 使用状态分类
空间太阳电池 地面太阳电池 光伏传感器
刚性衬底 柔性衬底
刚性衬底 柔性衬底
同质结太阳电池 异质结太阳电池 肖特基结太阳电池 复合结太阳电池 分光太阳电池 液结太阳电池
• • 太阳电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应，
就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变 化而产生电动势和电流的一种效应。
• 即当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结 的两边出现电压，叫做光生电压，使PN结短路，就会产 生电流。
8 8
太阳电池工作原理
太阳电池是利用pn结内建电场作用，分离入 射光产生的电子-空隙对，在正负电极形成电势。
平板太阳电池 聚光太阳电池 分光太阳电池
3 3
太阳电池分类（按照技术成熟程度）
① 晶硅电池： 单晶硅，多晶硅，带硅等；
② 薄膜电池： a-Si，a-Si/ c-Si，CIGS，CdTe，
GaAs，poly-Si等；
③ 新型电池及新概念电池：染料敏化电池－光电化
学电池，有机电池，
多结(带隙递变)电池，
硅薄膜太阳电池
Silicon Thin Film
非晶硅太阳电 微晶硅薄膜太阳电池 多晶硅薄膜太阳电池 纳米晶硅薄膜太阳电池
按基体材料分类 Based on Materials
硒光电池
化合物太阳电池
Compound Solar cell
硫化镉太阳电池 硒铟铜太阳电池 碲化镉太阳电池 砷化镓太阳电池 磷化铟太阳电池
（如有机 电池等）
3
多结电池（太 阳光谱多级利 用）
2～3结
光子的分离（下 转换）和合并 （上转换）
概念证明阶段
中间带 或杂质带 电池
5 5
太阳电池组件分类
6 6
太阳能电池发电原理
• 当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收； 光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由 电子在Ｐ－Ｎ结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时， 在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输 出功率。
中间带（杂质带）电池，量子点、量子阱电池，
上转换器（低能光子合并成高能光子）电池，
下转换器（高能光子分解成低能光子），
热载流子电池等。
4
4
电 晶硅电池 池
太阳级硅
薄膜电池（第二代电池？）
硅基
化合物
Wafer(切片) 单晶 多晶
Ribbo n(带硅) 多晶
a-Si， c-Si PECVD
多晶基 RTCVD 等
晶硅，砷化镓，硒铟铜等。
7 7
光伏效应
• 早在1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光 照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现 象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。
CdTe
CIGS
GaAs 迭层
％ 25
18-19
产业化
22 16-18
17 13-16
产业化
13－15 5.5-9.5
部分产 业化
>15 实验室
16.8 ～10
产业 化
19.8 8-10
产业 化
～42 32.2
聚光 示范
电 光电化学 池 电池
染料敏化 电池
％ 11 5～6
其他
新概念电池（第三代电池？）
当入射太阳光能量大于吸收层半导体能隙时，入 射光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电 子-空穴对靠半导体内形成的内建电场分开到两极，正负 电荷分别被上下电极收集。由金属导连接正负电极对外提 供电能。
9 9
基本原理
10
太阳能电池发电原理图
11 11
12 12
13 13
14 14
15 15
• 流过负载的电流：
I= Iph – ID – ISh
22
串联电阻
串联电阻表达式：
R s r m f r c 1 r t r b r c 2 r m b
是r m f 正面电极金属栅线电阻，rc1、rc2 分别 是正面、背面金属半导体接触电阻， rt是 正面扩散层的电阻，rb是基区体电阻，rmb
• 短路电流
V=0时， 光生电流是Isc(短路电流）
• 开路电压
I=0时，电流的输出电压为开路电压 Voc=kTq-1ln(Isc+Isc/I01)
18
• 理想电池的输出功率： P=IV= IscV-I01(eqv/kBT-1)V
求上式的极值，就得到最大输出电压（Vmp)和最大 输出电流(Imp) ，最大输出功率(Pmp)等于最大输出 电流和最大输出电压的乘积。 填充因子 定义电池的填充因子FF（fill factor)=ImpVmp/(IscVoc),填充因子小于等于1 • 电池转换效率（η） η=最大输出功率除以入射功率=Pmp/Pin
19
20
实际的太阳电池等效电路
Rs
Iph
ID
Rsh
Ish
VR
I
21
(2)实际太阳电池等效电路：
• 由于漏电流等产生的旁路电阻Rsh
• 由于体电阻和电极的欧姆电阻产生的串联
电阻Rs • 在Rsh两端的电压为： Vj =(V+IRS)
• 因此流过旁路电阻Rsh的电流为：
ISh= (V+IRS) / Rsh
向偏置 • 暂不考虑串联电阻（Rs）和并联电阻（Rsh） • ID2是与耗尽区复合相关的二极管，ID1是与n,p区复合相关的二极管
ID1
ID2
V
R
I
Isc
17
• I=Isc-ID1-ID2 ID2很小（因为耗尽区电阻很大）
→I=Isc-I01(eqv/kBT-1), I01是与n 和p中性区复合相关 的暗饱和电流
第三讲3 太阳电池原理及主要 太阳电池介绍
1 太阳电池分类 2 太阳电池工作原理 3 晶硅太阳电池 4 薄膜太阳电池 5 化合物太阳电池 6 染料敏化太阳电池 7 其类(材料分类)
晶体硅太阳电池
(Crystal Silicon Solar Cell)
单晶硅太阳电池 多晶硅太阳电池 带状硅太阳电池
太阳电池性能参数
太阳电池等效电路 (1)理想太阳电池等效电路：
• 相当于一个电流为Isc的恒流电源与一只正向二极管并联
。
• 流过二极管的正向电流称为暗电流ID. • 流过负载的电流为I • 负载两端的电压为V
16
理想的太阳电池等效电路
• 一个理想的恒流源和2个二极管组成 • 恒流源的电流Isc与两个二极管电流方向相反，相当于二极管处于正
染料敏化太阳电池(Dye Sensitized Solar cell) 有机薄膜太阳电池 (Organic Solar Cell)
2 2
✓太阳电池分类(应用分类)
用途分类 结构分类 使用状态分类
空间太阳电池 地面太阳电池 光伏传感器
刚性衬底 柔性衬底
刚性衬底 柔性衬底
同质结太阳电池 异质结太阳电池 肖特基结太阳电池 复合结太阳电池 分光太阳电池 液结太阳电池
• • 太阳电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应，
就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变 化而产生电动势和电流的一种效应。
• 即当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结 的两边出现电压，叫做光生电压，使PN结短路，就会产 生电流。
8 8
太阳电池工作原理
太阳电池是利用pn结内建电场作用，分离入 射光产生的电子-空隙对，在正负电极形成电势。
平板太阳电池 聚光太阳电池 分光太阳电池
3 3
太阳电池分类（按照技术成熟程度）
① 晶硅电池： 单晶硅，多晶硅，带硅等；
② 薄膜电池： a-Si，a-Si/ c-Si，CIGS，CdTe，
GaAs，poly-Si等；
③ 新型电池及新概念电池：染料敏化电池－光电化
学电池，有机电池，
多结(带隙递变)电池，
硅薄膜太阳电池
Silicon Thin Film
非晶硅太阳电 微晶硅薄膜太阳电池 多晶硅薄膜太阳电池 纳米晶硅薄膜太阳电池
按基体材料分类 Based on Materials
硒光电池
化合物太阳电池
Compound Solar cell
硫化镉太阳电池 硒铟铜太阳电池 碲化镉太阳电池 砷化镓太阳电池 磷化铟太阳电池
（如有机 电池等）
3
多结电池（太 阳光谱多级利 用）
2～3结
光子的分离（下 转换）和合并 （上转换）
概念证明阶段
中间带 或杂质带 电池
5 5
太阳电池组件分类
6 6
太阳能电池发电原理
• 当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收； 光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由 电子在Ｐ－Ｎ结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时， 在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输 出功率。
中间带（杂质带）电池，量子点、量子阱电池，
上转换器（低能光子合并成高能光子）电池，
下转换器（高能光子分解成低能光子），
热载流子电池等。
4
4
电 晶硅电池 池
太阳级硅
薄膜电池（第二代电池？）
硅基
化合物
Wafer(切片) 单晶 多晶
Ribbo n(带硅) 多晶
a-Si， c-Si PECVD
多晶基 RTCVD 等