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光伏材料 第三章 太阳电池基本原理 从理论上来说金属光电效应是可以做太阳电池的 。 太阳电池工业生产中一个重要考虑是转换效率 。 光电效应电池的转换效率理论值为1%，实验室仅为0.001% ； 晶体硅太阳电池转换效率的理论值为27%，工业生产产品转换效率18% 。 光电效应是没法应用到现实中的 光电效应太阳电池不可用的原因 金属中电子吸收光子的能量从费米能级跃迁到真空能级，需要吸收能量为3-5ev。可见光的能量范围为0.4-4ev。半导体光伏效应中电子吸收1-2ev就可以完成从价带到导带的跃迁 金属光电效应导电的仅为电子，而半导体光伏效应中参与导电的载流子包括电子和空穴 。 光电效应光电流要远小于光伏效应光电流，因此目前太阳电池材料仍然是半导体，而非金属材料。光电效应主要应用到光电倍增管中 。 火力发电系统是通过燃烧能把水加热成蒸汽，推动发电机发电； 水力发电则是通过水的重力势能来发电； 核裂变发电系统则是通过裂变能来发电；聚变能发电前景很好，但是现在仅仅处于研发阶段 太阳能发电系统与以上所述完全不同，既没有马达旋转噪音，也没有污染物排除。是一种清洁长久的发电方式，而且现在已经实现了商业化 三、太阳电池电路模型 没有光照的情况下，太阳电池看做一个P-N结二极管 理想二极管电流电压关系： 电流从P型半导体指向N型半导体 在光照的情况下，P-N结内会产生光电流，即光生电流 ，其方向有N型半导体指向P型半导体 太阳电池电流电压关系可以表示为： 遮光损失 * 一、本章的教学目的和要求： 了解太阳电池实质，太阳电池发电原理、制造流程。 熟悉影响太阳电池转化效率因素，以及转化效率极限。 掌握太阳电池表征参数，太阳电池等效电路。 二、教学内容及要求： 光电效应，光伏效应，丹伯效应，肖特基效应，太阳电池发电原理，太阳电池表征参数，太阳电池电路模型，太阳电池转化效率影响因素，太阳电池转化效率极限，太阳电池制造流程。 三、教学重点： 太阳电池表征参数，太阳电池等效电路，电池效率影响因素及效率极限。 四、教学难点： 太阳电池光源，光伏效应、光电效应、丹伯效应、肖特基效应区别， 太阳电池 光电效应（Photoelectric effect）由德国物理学家赫兹于1887年研究麦克斯韦电磁理论时发现，而直到1905年爱因斯坦利用光量子理论进行全面的解释 光电效应指光照射到金属材料表面，金属内的自由电子吸收了光子的能量，脱离金属束缚，成为真空中自由电子 脱离金属束缚的自由电子在外加电压的作用下移动到金属阳极，形成光电流 一、光电效应 太阳电池（Solar Cells）是指能够把太阳光辐射能量直接转化为电能的器件。 光伏效应是指光照射到半导体P-N结上产生可输出功率的电势差的现象 过程包括：电子吸收光子能量产生电子空穴对，内建电场作用下电子空穴对分离，电子空穴相向运动到端电极输送到负载 。 光电流：漂移电流，扩散电流 二、光伏效应实质 丹伯效应（Dember effect）也成为光扩散效应（photodiffusion effect）。当入射光照射到半导体表面时，光子被吸收产生电子与空穴。由于表面电子和空穴浓度的增大，会产生向内不扩散的运动，但是由于两者扩散系数不同，故会在空间产生电子和空穴相对分离的区域，也就产生了内建电场。该电场两端电压即为丹伯电压， 影响Dember效应的一个原因是肖特基效应（Schottky effect）。该效应是电池片电极制作过程中金属和半导体接触产生的，肖特基电压远大于丹伯电压，因此，实际中我们测量的丹伯电压应该是金属-半导体间肖特基效应电压。 三、丹伯效应与肖特基效应 太阳电池发电原理 一、太阳电池基本结构 Ag阳极 Ag阴极 抗反射膜 N型硅 P型硅 Al背阴极 太阳光照射到太阳电池表面时，光子透过抗反射膜，然后照射到N型硅表面，导带电子吸收光子能量跃迁成为自由电子。用导线将电池片正负极通过负载相连接，此时就会有光电流流过负载 短路电流（Short Circuit Current） ：通过导线把电池的阴阳极直接相连，此时流过导线的电流即为短路电流，用ISC表示 开路电压（Open Circuit Voltage） ：太阳电池阴阳极两端无导线相连，光生载流子只能聚集在P-N结两端产生光生电动势，这时在电池两端测量所得电势差即为开路电压，用VOC表示 最大输出功率：Pm=Vm×Im 二、太阳电池表征参数 传统的电池输出电压和输出功率是固定的，然而太阳电池输出电压、电流及其功率与光照条件和负载都有很大关系 I Vm Voc V