薄膜太阳能电池结构原理分析
薄膜太阳能电池结构原理分析
薄膜太阳能电池结构原理分析! I" E' I0 ], v( I
光伏发电就是利用半导体技术，直接将太阳光转化为电能。太阳能是一种清洁、高效的可再生能源，能广泛应用于家庭发电系统和大型商业光伏项目等诸多领域。. N( J8 M' O3 ~+ g% x; |, p2 M
晶体硅是太阳能电池大规模生产中最常用的原材料，通常包括单晶硅和多晶硅。目前晶体硅太阳能电池约占整个太阳能市场90%左右的市场份额。# ^2 s! }+ b7 ^1 q; d$ D
在各类薄膜太阳能电池中，预计能实现规模化生产的是硅基薄膜，CIS和CdTe，其中CIS薄膜太阳能电池制造过程中由于要用到稀有金属硒，使得大规模的生产的成本比较高，而且CIS的生产工艺十分复杂，给大规模生产也造成了一定的困难，所以目前时机还未完全成熟。至于CdTe薄膜太阳能电池，由于其原材料中的“镉”被证实是一种致癌物质，所以与太阳能电池的绿色能源特性有些许冲突，另外其原材料中的“碲”，价格也比较贵。所以相比来说，硅基薄膜电池更适合大规模化生产。. a3 Z5 D; Y( R! M; P# k/ K: B" U
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R4 D, g; J- ^* V o光电池的工作原理及其特性
- N7 ?9 R1 r n C1 C" ]/ T1.1 光电池的工作原理
; M9 K c. c2 D' o6 s# M* ?$ c在一块N形硅片表面，用扩散的方法掺入一些P型杂质，形成PN结，光这就是一块硅光电池。当照射在PN上时，如光子能量hv大于硅的禁带宽度E时，则价带中的电子跃迁到导带，产生电子空穴对。因为PN结阻挡层的电场方向指向P区，所以，任阻挡层电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而在硅光电池与PN结平行的两外表而形成电势差，P区带正电，为光电池的正极，N区带负电，为光电池的负极。照在PN结上的光强增加，就有更多的空穴流向P区，更多的电子流向N区，从而硅光电池两外侧的电势差增加。如上所述，在光的作用下，产生一定方向一定大小的电动势的现象，叫作光生伏特效应。
8 `) J. u1 N3 q. t" j1.2 硅光电池特性; }3 |9 Z1 u6 W$ p
1.2.1 光照特性5 `. x' j) ~5 X3 ]- `0 y3 \% b
不同强度的光照射在光电池上，光电池有不同的短路电流Isc和开路电在Voc，如图1所示。由图1可知短路电流Isc—光强Ev特性是一条直线，即短路电流在很宽的光强范围内，与光强成线性关系，而开路电压是非线性的，而且，在当光强较小，约20mW／cm2时，短路电压就趋于饱和。因此，要想用光电池来测量或控制光的强弱，应当用光电池的短路电流特性。9 [7 m8 v. h* H1 O" z" f8 T" Z
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1.2.2 硅光电池的光谱特性：
0 v% D$ W9 ^( L$ G: X7 a图2是硅光电池、硒光电池的光谱特性曲线。显而易
见，不同的光电池，光谱曲线峰值的位置不同，例如硅光电池峰值波长在0.8μm左右，硒光电池在0.54μm左右。硅光电池的光谱范围宽，在0.45～1.1μm之间，硒光电池的光谱范围在0.34～0.75μm之间，只对可见光敏感。
" ^# D2 G ]/ w' w$ P1 N值得注意的是，光电池的光谱曲线形状，复盖范围，不仅与光电池的材料有关，还与制造工艺有关，而且还随着环境温度的变化而变化。6 _ j' W @; | ^
1.2.3 光电池的温度特性* _6 _- U( W6 M
光电池的温度特性如图3所示。由图可知，开路电压随温度的升高而快速下降，短流电流随温度升高而缓缓增加。所以，用光电池作传感器制作的测量仪器，即使采用Isc—Ev特性，在被测参量恒定不变时，仪器的读数也会随环境温度的变化而漂移，所以，仪器必须采用相应的温度补偿措施。; ^. i; H% F2 d2 Z
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硅光电池的结构及工作原理
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硅光电池是一种能将光能直接转换成电能的半导体器件,其结构图所示.它实质上是一个大面积的半导体PN结.硅光电池的基体材料为一薄片P型单晶硅,其厚度在0.44mm以下,在它的表面上利用热扩散法生成一层N型受光层,基体和受光层的交接处形成PN结.在N型层受光层上制作有栅状负电极,另外在受光面上还均匀覆盖有抗反射膜,它是一层很薄的天蓝色一氧化硅膜,可以使电池对有效入射光的吸收率达到90%以上,并使硅光电池的短路电流增加25%-30%.
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以硅材料为基体的硅光电池,可以使用单晶硅、多晶硅、非晶硅来制造.单晶硅光电池是目前应用最广的一种,它有2CR和2DR两种类型,其中2CR型硅光电池采用N型单晶硅制造,2DR型硅光电池则采用P型单晶硅制造. . n8 |3 _$ R8 H( l1 ]4 b
硅光电池的工作原理是光生伏特效应.当光照射在硅光电池的PN结区时,会在半导体中激发出光生电子空穴对.PN结两边的光生电子空穴对,在内电场的作用下,属于多数载流子的不能穿越阻挡层,而少数载流子却能穿越阻挡层.结果,P区的光生电子进入N区,N区的光生空穴进入P区,使每个区中的光生电子一空穴对分割开来.光生电子在N区的集结使N区带负电,光生电子在P区的集结使P区带正电.P区和N区之间产生光生电动势.当硅光电池接入负载后,光电流从P区经负载流至N区,负载中即得到功率输出.