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武漢提沃克科技有限公司
中級(jí)會(huì)員 | 第9年

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太陽能光伏技術(shù)一

時(shí)間:2017/5/4閱讀:2146
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1.太陽能概況

太陽能是各種可再生能源中zui重要的基本能源,生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水能等都來自太陽能,廣義地說,太陽能包含以上各種可再生能源。太陽能作為可再生能源的一種,則是指太陽能的直接轉(zhuǎn)化和利用。通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能利用的屬于太陽能熱利用技術(shù),再利用熱能進(jìn)行發(fā)電的稱為太陽能熱發(fā)電,也屬于這一技術(shù)領(lǐng)域;通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能利用的屬于太陽能光發(fā)電技術(shù),光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的,因此又稱太陽能光伏技術(shù)。

二十世紀(jì)50年代,太陽能利用領(lǐng)域出現(xiàn)了兩項(xiàng)重大技術(shù)突破:一是1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出6%的實(shí)用型單晶硅電池,二是1955年以色列Tabor提出選擇性吸收表面概念和理論并研制成功選擇性太陽吸收涂層。這兩項(xiàng)技術(shù)突破為太陽能利用進(jìn)入現(xiàn)代發(fā)展時(shí)期奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

70年代以來,鑒于常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的增加,世界上許多國家掀起了開發(fā)利用太陽能和可再生能源的熱潮。1973年,美國制定了政府級(jí)的陽光發(fā)電計(jì)劃,1980年又正式將光伏發(fā)電列入公共電力規(guī)劃,累計(jì)投入達(dá)8億多美元。1992年,美國政府頒布了新的光伏發(fā)電計(jì)劃,制定了宏偉的發(fā)展目標(biāo)。日本在70年代制定了“陽光計(jì)劃”,1993年將“月光計(jì)劃”(節(jié)能計(jì)劃)、“環(huán)境計(jì)劃”、“陽光計(jì)劃”合并成“新陽光計(jì)劃”。德國等歐共體國家及一些發(fā)展中國家也紛紛制定了相應(yīng)的發(fā)展計(jì)劃。90年代以來聯(lián)合國召開了一系列有各國領(lǐng)導(dǎo)人參加的高峰會(huì)議,討論和制定世界太陽能戰(zhàn)略規(guī)劃、太陽能公約,設(shè)立太陽能基金等,推動(dòng)太陽能和可再生能源的開發(fā)利用。開發(fā)利用太陽能和可再生能源成為社會(huì)的一大主題和共同行動(dòng),成為各國制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。

自“六五”以來我國政府一直把研究開發(fā)太陽能和可再生能源技術(shù)列入國家科技攻關(guān)計(jì)劃,大大推動(dòng)了我國太陽能和可再生能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

     二十多年來,太陽能利用技術(shù)在研究開發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)、市場(chǎng)開拓方面都獲得了長足發(fā)展,成為世界快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。返回11

2.光伏效應(yīng)

光生伏應(yīng)簡稱為光伏效應(yīng),指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。

    產(chǎn)生這種電位差的機(jī)理有好幾種,主要的一種是由于阻擋層的存在。以下以P-N結(jié)為例說明。

熱平衡態(tài)下的P-N結(jié)

P-N結(jié)的形成:

    同質(zhì)結(jié)可用一塊半導(dǎo)體經(jīng)摻雜形成P區(qū)和N區(qū)。由于雜質(zhì)的激活能量ΔE很小,在室溫下雜質(zhì)差不多都電離成受主離子NA-和施主離子ND+。在PN區(qū)交界面處因存在載流子的濃度差,故彼此要向?qū)Ψ綌U(kuò)散。設(shè)想在結(jié)形成的一瞬間,在N區(qū)的電子為多子,在P區(qū)的電子為少子,使電子由N區(qū)流入P區(qū),電子與空穴相遇又要發(fā)生復(fù)合,這樣在原來是N區(qū)的結(jié)面附近電子變得很少,剩下未經(jīng)中和的施主離子ND+形成正的空間電荷。同樣,空穴由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)后,由不能運(yùn)動(dòng)的受主離子NA-形成負(fù)的空間電荷。在P區(qū)與N區(qū)界面兩側(cè)產(chǎn)生不能移動(dòng)的離子區(qū)(也稱耗盡區(qū)、空間電荷區(qū)、阻擋層),于是出現(xiàn)空間電偶層,形成內(nèi)電場(chǎng)(稱內(nèi)建電場(chǎng))此電場(chǎng)對(duì)兩區(qū)多子的擴(kuò)散有抵制作用,而對(duì)少子的漂移有幫助作用,直到擴(kuò)散流等于漂移流時(shí)達(dá)到平衡,在界面兩側(cè)建立起穩(wěn)定的內(nèi)建電場(chǎng)。

P-N結(jié)能帶與接觸電勢(shì)差:

    在熱平衡條件下,結(jié)區(qū)有統(tǒng)一的EF;在遠(yuǎn)離結(jié)區(qū)的部位,EC、EF、Eν之間的關(guān)系與結(jié)形成前狀態(tài)相同。

    從能帶圖看,N型、P型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí),EFN與EFP有一定差值。當(dāng)N型與P型兩者緊密接觸時(shí),電子要從費(fèi)米能級(jí)高的一方向費(fèi)米能級(jí)低的一方流動(dòng),空穴流動(dòng)的方向相反。同時(shí)產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng),內(nèi)建電場(chǎng)方向?yàn)閺腘區(qū)指向P區(qū)。在內(nèi)建電場(chǎng)作用下,EFN將連同整個(gè)N區(qū)能帶一起下移,EFP將連同整個(gè)P區(qū)能帶一起上移,直至將費(fèi)米能級(jí)拉平為EFN=EFP,載流子停止流動(dòng)為止。在結(jié)區(qū)這時(shí)導(dǎo)帶與價(jià)帶則發(fā)生相應(yīng)的彎曲,形成勢(shì)壘。勢(shì)壘高度等于N型、P型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)費(fèi)米能級(jí)之差:

qUD=EFN-EFP

UD=(EFN-EFP)/q

q:電子電量

UD:接觸電勢(shì)差或內(nèi)建電勢(shì)

對(duì)于在耗盡區(qū)以外的狀態(tài):

UD=(KT/q)ln(NAND/ni2)

NA、ND、ni:受主、施主、本征載流子濃度。

可見UD與摻雜濃度有關(guān)。在一定溫度下,P-N結(jié)兩邊摻雜濃度越高,UD越大。

禁帶寬的材料,ni較小,故UD也大。

光照下的P-N結(jié)

P-N結(jié)光電效應(yīng):                

    當(dāng)P-N結(jié)受光照時(shí),樣品對(duì)光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴,N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子,都被勢(shì)壘阻擋而不能過結(jié)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)(少子)擴(kuò)散到結(jié)電場(chǎng)附近時(shí)能在內(nèi)建電場(chǎng)作用下漂移過結(jié)。光生電子被拉向N區(qū),光生空穴被拉向P區(qū),即電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離。這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累,在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個(gè)與熱平衡P-N結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng),其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場(chǎng)使勢(shì)壘降低,其減小量即光生電勢(shì)差,P端正,N端負(fù)。于是有結(jié)電流由P區(qū)流向N區(qū),其方向與光電流相反。

    實(shí)際上,并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對(duì)光生電流有貢獻(xiàn)。設(shè)N區(qū)中空穴在壽命τp的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為Lp,P區(qū)中電子在壽命τn的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為Ln。Ln+Lp=L遠(yuǎn)大于P-N結(jié)本身的寬度。故可以認(rèn)為在結(jié)附近平均擴(kuò)散距離L內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子都對(duì)光電流有貢獻(xiàn)。而產(chǎn)生的位置距離結(jié)區(qū)超過L的電子空穴對(duì),在擴(kuò)散過程中將全部復(fù)合掉,對(duì)P-N結(jié)光電效應(yīng)無貢獻(xiàn)。

光照下的P-N結(jié)電流方程:

    與熱平衡時(shí)比較,有光照時(shí),P-N結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)附加電流(光電流)Ip,其方向與P-N結(jié)反向飽和電流I0相同,一般Ip≥I0。此時(shí)

I=I0eqU/KT - (I0+Ip)

令I(lǐng)p=SE,則

I=I0eqU/KT - (I0+SE)

開路電壓Uoc:

    光照下的P-N結(jié)外電路開路時(shí)P端對(duì)N端的電壓,即上述電流方程中I=0時(shí)的U值:

0=I0eqU/KT - (I0+SE)

Uoc=(KT/q)ln(SE+I0)/I0≈(KT/q)ln(SE/I0)

短路電流Isc:

    光照下的P-N結(jié),外電路短路時(shí),從P端流出,經(jīng)過外電路,從N端流入的電流稱為短路電流Isc。即上述電流方程中U=0時(shí)的I值,得Isc=SE。

    Uoc與Isc是光照下P-N結(jié)的兩個(gè)重要參數(shù),在一定溫度下,Uoc與光照度E成對(duì)數(shù)關(guān)系,但zui大值不超過接觸電勢(shì)差UD。弱光照下,Isc與E有線性關(guān)系。

a)無光照時(shí)熱平衡態(tài),NP型半導(dǎo)體有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí),勢(shì)壘高度為qUD=EFN-EFP。

b)穩(wěn)定光照下P-N結(jié)外電路開路,由于光生載流子積累而出現(xiàn)光生電壓Uoc不再有統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí),勢(shì)壘高度為q(UD-Uoc)。

c)穩(wěn)定光照下P-N結(jié)外電路短路,P-N結(jié)兩端無光生電壓,勢(shì)壘高度為qUD,光生電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離后流入外電路形成短路電流。

d)有光照有負(fù)載,一部分光電流在負(fù)載上建立起電壓Uf,另一部分光電流被P-N結(jié)因正向偏壓引起的正向電流抵消,勢(shì)壘高度為q(UD-Uf)。

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