1、太阳能电池和光电二极管,1.人类一直在探求一种可靠，便宜和环境友好的能源 2.传统能源：煤炭，石油，天然气等化石能源缺点：空气污染，影响全球气候变化，能源耗竭 3.核 能 源：安全与健康，核废物的处置问题尚未解决 4.太阳能源：满足以上各种要求，安全、清洁、资源充足、可靠、分布广泛光电转换（太阳能电池）和集热（太阳能热水器和太阳能温室等）两种。其中，太阳能电池是未来主要的替代能源之一，将广泛应用于人类生活的各个领域，特别是太阳能是未来电解水制造氢气最为经济的方法之一，而氢能是清洁和高效的能源，因而太阳能电池的开发得到广泛的关注。 5.光伏器件：将太阳能直接转换为电能,太阳能的优点,（1）普遍：
2、太阳光普照大地，无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。（2）无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。（3）巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿t标煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。（4）长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。,太阳能的缺点,（1）分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时
3、太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有15左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。,（2）不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把
4、晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。,3）效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。,太阳能电池的种类,按材料分： 1、硅太阳能电池； 2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、 铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。硅太阳能电池主要有：单晶硅（single-crystal s
5、ilicon)多晶硅（poly-crystal silicon)以及非晶硅（amorphous silicon)，这些材料均需在高温条件下操作，因此附加费用高。,有机光伏器件材料主要有：染料敏化的纳米晶TiO2(有机无机），分子有机材料，聚合物材料。其中聚合物具有柔韧性好，重量轻，易加工，旋涂、涂膜、喷墨印刷这些技术均可以用于聚合物器件制作过程，且整个过程只需在室温下就可完成。,对太阳能电池材料一般的要求有： 1、半导体材料的禁带不能太宽； 2.要有较高的光电转换效率： 3、材料本身对环境不造成污染； 4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。,各种太阳能电池的特性,单晶硅光电池 用P型（或n型）
6、硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成Pn结成制作，生产技术成熟，是光伏市场上的主导产品。采用埋层电极、表面钝化、强化陷光、密栅工艺、优化背电极及接触电极等技术，提高材料中的载流子收集效率，优化抗反肘膜、凹凸表面、高反射背电极等方式，光电转换效率有较大提高。国际公认最高效率在AM1.5条件下为24，空间用高质量的效率在AMO条件约为13.518，地面用大量生产的在AM1条件下多在1118之间。缺点是造价高，工艺复杂。,非晶硅光电池 aSi（非晶硅）光电池一般采用高频辉光放电方法使硅烷气体分解沉积而成。由于分解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1m厚的薄膜，易于大面积化（05rn
7、l.0m），成本较低，多采用p in结构。为提高效率和改善稳定性，有时还制成三层pin等多层叠层式结构，或是插入一些过渡层。小面积转换效率提高到 14.6，大面积大量生产的为810，叠层结构的最高效率为21。研发动向是改善薄膜特性，精确设计光电池结构和控制各层厚度，改善各层之间界面状态，以求得高效率和高稳定性。,多晶硅光电池 PSi（多晶硅，包括微品）光电池没有光致衰退效应，材料质量有所下降时也不会导致光电池受影响，是国际上正掀起的前沿性研究热点。在单晶硅衬底上用液相外延制备的pSi光电池转换效率为15.3，经减薄衬底，加强陷光等加工，可提高到23.7%，用CVD法制备的转换效率约为12.6l
8、7.3%。采用廉价衬底的psi薄膜生长方法有PECVD和热丝法，或对asi：H材料膜进行后退火，达到低温固相晶化，可分别制出效率9.8%和9.2%的无退化电池。与单晶硅太阳能电池相比，多晶硅电池成本低，但也存在明显缺陷。晶粒界面和晶格错位，是造成多晶硅电池光电转换率一直无法突破20%的关口。但目前德国已实现多晶硅电池效率突破20大关。,铜铟硒光电池 CIS（铜铟硒）薄膜光电池己成为国际光伏界研究开发的热门课题，它具有转换效率高（已达到17.7），性能稳定，制造成本低的特点。CIS光电池一般是在玻璃或其它廉价衬底上分别沉积多层膜而构成的，厚度可做到23rn，吸收层CIS膜对电池性能起着决定性作用
9、。现已开发出反应共蒸法和硒化法（溅射、蒸发、电沉积等）两大类多种制备方法，其它外层通常采用真空蒸发或溅射成膜。阻碍其发展的原因是工艺重复性差，高效电池成品率低，材料组分较复杂，缺乏控制薄膜生长的分析仪器。,太阳能电池的应用,上世纪60年代，科学家们就己经将太阳电池应用于空间技术通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。在世
10、纪之交前后期间，欧美等先进国家光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势,当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。,全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍，太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW，较200
11、6年增长了56%。2008年全球太阳能电池的生产量提升至6.85GW，也几乎是倍数的成长。,中国对太阳能电池的研究起步于1958年，目前，中国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量为1188MW，2008年的产量继续提高，达到了200万千瓦。2009年中国太阳能电池/模组制造商的产能较2008年倍增，达到8,000MW，电池产量超过4,000MW。,中国已在生产制造方面取得重要地位，也将成为使用太阳能的大市场。2009年国家陆续出台了太阳能屋顶计划、金太阳工程等诸多补贴扶持政策，在政策的支持下中国有望像美国一样，会启动一个巨大的市场。,太阳能光伏发电在不远的将来会占据世
12、界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。 到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上； 到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上； 到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。 这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。,太阳能电池,江苏无锡尚德太阳能电力有限公司， 宁波太阳能电源有限公司、 中电电气南京光伏科技有限公司、 云南天达光伏科技
13、股份公司、 上海交大泰阳绿色能源公司等,太阳能电池组件,天威英利新能源公司、 上海太阳能科技有限公司、 江苏林洋新能源公司、 新疆新能源公司、 浙江昱辉阳光能源公司、 西安佳阳能源公司、力诺光伏高科技有限公司、 上海超日太阳能科技公司、 无锡佳诚太阳能科技有限公司、 常州天合光能有限公司、 无锡国飞绿色能源有限公司、 深圳能联电子有限公司等,太阳能电池用硅材料,河北宁晋单晶硅基地、 江苏顺大半导体发展有限公司、 四川峨眉半导体材料厂、 洛阳中硅高科技有限公司、 常州天合光能公司、 宁波晶元太阳能有限公司、 绍兴精工太阳能有限公司、 常州亿晶光电科技有限公司、 江苏华日源电子科技有限公司,光伏产
14、业面对政策、技术两大制约,太阳能光伏产业的主要制约因素是政策。在国内，光伏发电的应用主要集中于农村电气化和离网型光伏产品。由于电力部门尚未正式接受光伏发电上网，并网型的光伏市场没有真正启动。截止到2006年，中国国内光伏发电累计装机仅为8万千瓦。国务院参事、中国可再生能源学会理事长石定寰撰文指出，与几亿千瓦的火电相比，8万千瓦简直是九牛一毛。,阻碍光伏推广的最直接因素是成本。过去30多年里，尽管光伏发电的成本由每度5美元下降到0.5美元左右，其成本仍远远高于常规电力。目前在一座别墅屋顶上装上一个每年可以发电3000度的“太阳能发电厂”，预计这样一套光伏发电系统要花费15万至20万元，代价不菲。
15、,由于光伏发电成本高昂，只能依靠政府支持。在海外，一些国家采取收购上网、财政补贴等政策来促进光伏市场发展。如德国2000年颁布了可再生能源法，其主要特点之一是“固定上网电价”政策，电网公司必须全额收购光伏发电的上网电量。日本的政策倾斜体现为给用户补贴。,其次是技术瓶颈。目前我国光伏企业的自主研发实力普遍不强，主要的半导体原材料和设备均依靠进口。,在整个光伏产业链中，封装环节的技术和资金门槛最低，致使国内短时间内涌现出多家封装企业。但由于原材料价格暴涨、封装产能过剩，这些企业基本上没有多少利润，产品质量也参差不齐。效益好的是处于产业链上游、拥有先进技术的太阳能电池制造商，他们生产的多为第一代晶体
16、太阳能电池，性能稳定，但这类企业在国内屈指可数，生产设备主要靠国外进口。,在世界范围内，目前太阳能电池产品正在由第一代向第二代过渡，而第二代产品的薄膜太阳能电池的硅材料用量更少，其成本已经低于晶体太阳能电池。中国在晶体太阳能电池的后续研发，以及薄膜太阳能电池的研发等方面与国外存在比较大的差距，至少落后10年。目前光伏技术的世界纪录保持者基本上都是国外公司。例如，日本三洋利用晶体硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型太阳能电池，光电转换效率达22%；美国联合太阳能公司以微米级不锈钢带为衬底的柔性非晶硅薄膜太阳能电池，与其他公司的玻璃硬衬底太阳能电池相比具有重量轻、可弯曲等优点。,2020年世界光伏发电的
17、发电量将占总发电量的2%，2040年则会占到20%至28%。光伏发电的成本有望在2030年以后与常规电力相竞争，成为主流能源利用形式。业内专家认为，当前国家亟须加强政策引导，促进行业发展，缩短国际差距。,7.1 半导体中的光吸收,7.1 半导体中的光吸收,假设半导体被一光子能量 大于禁带宽度的光源均匀照射。光子通量为 。 图7-1 从紫外区到红外区的电磁波谱图,7.1 半导体中的光吸收,光子通量为 （以单位时间垂直通过单位面积的光子数为单位），当光子在半导体中传播时，有一部分被吸收。被吸收的光子数应当正比于光子通量。在距离X 内被吸收的光子数为0X,7.1 半导体中的光吸收,当光子在半导体中传
18、播时，在距表面x处单位时间、单位距离上被吸收的光子数应当正比 于该处的光子通量 即在 时， 。方程（7-1）的解为在半导体的另一端（图7-3b） 处，光子通量为式中比例系数 叫做吸收系数它是 的函数。光吸收在截止波长 处急剧下降。,（7-2）,（7-3）,（7-4）,7.1 半导体中的光吸收,图7-4 几种半导体的吸收系数,7.2 P-N结的光生伏特效应,7.2 P-N结的光生伏特效应,光生伏打效应：P-N结光生伏打效应就是半导体吸收光能后在P-N结上产生光生电动势的效应。光生伏打效应涉及到以下三个主要的物理过程：第一、半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子空穴对；第二、非平衡电子和空穴从产生处
19、向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动， 也可以是漂移运动；第三、非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。这种非均匀势 场可以是结的空间电荷区，也可以是金属半导体的肖特基势垒或异质结势垒等。,7.2 P-N结的光生伏特效应,图 7-5 P-N结能带图： （a）无光照平衡P-N结，（b）光照P-N结开路状态，（c）光照P-N结有串联电阻时的状态 。,7.2 P-N结的光生伏特效应,图7-5a 是平衡PN 结能带图。在光的照射下，半导体中的原子因吸收光子能量而受到激发。如果光子能量大于禁带宽度， 在半导体中就会产生电子空穴对。在距PN 结的空间电荷区一个扩散长度以内产生的电子-
20、空穴对，一旦进入PN 结的空间电荷区，就会被空间电荷区的内建电场所分离。非平衡空穴被拉向P 区，非平衡电子被拉向N 区。结果在P 区边界将积累非平衡空穴，在N 区边界将积累非平衡电子， 产生一个与平衡PN 结内建电场方向相反的光生电场。于是， 在P 区和N 区之间建立了光生电动势。,7.2 P-N结的光生伏特效应,积累的光生载流子部分地补偿了平衡PN 结的空间电荷，引起PN 结势垒高度的降低,如图7.5b 所示。如果PN 结处于开路状态,光生载流子只能积累于PN 结两侧产生光生电动势。这时在PN 结两端测得的电位差叫开路电压，用Voc表示。从能带图上看,PN 结势垒由 q0降低到q(0V0c)
21、。可以看出，势垒降低的部分正好是P 区和N 区费米能级分开的距离。,7.2 P-N结的光生伏特效应,如果把PN 结从外部短路，则PN 结附近的光生载流子将通过这个途径流通。这时流过太阳电池的电流叫短路电流，用IL表示。其方向从PN 结内部看是从N 区指向P 区的.由于这时非平衡载流子不再积累在PN 结两侧，光生电动势为零。一般情况下，PN 结材料和引线总有一定电阻，我们用RS 表示这种等效串联电阻。这时光生载流子只有一部分积累于PN 结上，使势垒降低qV ，V 是电流流过RS时,在RS 上产生的电压降。如图7.5c所示。在图7.5c中，P 区和N 区费米能级分开的距离仍然代表PN 结势垒降低的
22、程度。,7.2 P-N结的光生伏特效应,小结概念：光生伏打效应、暗电流PN结光生伏特效应的基本过程：第一，半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子空穴对；第二，非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动， 也可以是漂移运动；第三，非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。分离的电子 和空穴在半导体中产生了光生电动势。 利用能带图分析了光生电动势的产生：非平衡载流子的产生预示着热平衡的统一费米能级分开，开路时电子和空穴的准费米能级之差等于光生电动势。,7.3 太阳电池的I-V特性,7.3 太阳电池的I-V特性,图7-6 太阳电池理想等效电路,7.3 太阳电池的I
23、-V特性,首先考虑串联电阻 =0 的理想情况。在这种情况下，太阳电池的等效电路如图7-6所 示。图中电流源为短路光电流 。V-I特性可以简单地由图7-6所示的等效电路写出。式中为P-N 结正向电流为P-N 结饱和电流P-N 结的结电压即为负载R上的电压降。,（7-6）,7.3 太阳电池的I-V特性,P-N结上的电压为在开路情况下，I=0，得到开路电压（这是太阳电池能提供的最大电压 ）在短路情况下（V=0）， 这是太阳电池能提供的最大电流。 太阳电池向负载提供的功率为,（7-9）,（7-7）,（7-8）,（7-10）,气团AM(Air Mass),太阳光通过大气层的路径长度，简称AM，外层空间为
24、AM 0，阳光垂直照射地球时为AM1(相当春/秋分分阳光垂直照射于赤道上之光谱)，太阳电池标准测试条件为AM 1.5(相当春/秋分阳光照射于南/北纬约48.2度上之光谱)。,7.3 太阳电池的I-V特性,图7-7 一个典型的太阳电池在一级气团（AM1）光照下的I-V特性，AM1即太阳在天顶时及测试器件在晴朗天空下海平面上的太阳能,7.3 太阳电池的I-V特性,实际的太阳电池存在着串联电阻和分流电阻。考虑到串联电阻和分流电阻作用的特性 公式,图 7-8 包括串联电阻和分流电阻的太阳电池等效电路,7.3 太阳电池的I-V特性,结论 根据等效电路写出了太阳电池的IV特性方程。给出了一个典型太阳电池的
25、I-V特性曲线（图7.7），根据太阳电池的IV特性方程解释了该曲线所包含的物理意义。 实际的太阳电池存在着串联电阻 和分流电阻 。考虑到串联电阻和分流电阻作用的V-I特性公式为理想太阳电池向负载提供的功率为,（7-6）,（7-11）,（7-10）,7.4 太阳电池的效率,7.4 太阳电池的效率,太阳电池的效率指的是太阳电池的功率转换效率。它是太阳电池的最大输出电功率与 入光功率的百分比： 式中 为输入光功率，为太阳电池的最大输出功率：对于理想太阳电池根据（7.10）式，时得最大功率条件,（7-12）,（7-13）,（7-14）,7.4 太阳电池的效率,从式（7.14）中解出，再将其代入式（7-
26、6）得 于是太阳电池最大输出功率,（7-17）,（7-18）,（7-19）,7.4 太阳电池的效率,小结 太阳电池的效率指的是太阳电池的功率转换效率。它是太阳电池的最大输出功率与输入光功率的百分比： 太阳电池的最大输出功率,（7-12）,（7-18）,（7-19）,7-9 光电二极管 光电二极管工作原理：光照反偏PN结，产生的光生载流子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。光电二极管把光信号转换成了电信号。反向的光电流的大小与入射光的强度和波长有关。光电二极管用于探测光信号。,光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能， 是由半导体PN结的光电效应实现的。 在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热
27、运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下， 形成和漂移电流相同方向的扩散电流。 漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。 当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区， 便形成了光生电流。 当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。,PIN 光电二极管,PIN 光电二极管： 在P 层和N 层之间夹入一层本征（或低掺杂）的I 层材料。这种结构的光电二极管称为PIN 光电二极管。图7-20 示出PIN 光电二极管的基本结构以及反偏压
28、下的能带图和光吸收特性。,PIN光电二极管的产生 由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收， 因而光电转换效率低，响应速度慢。 为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管 PIN光电二极管的工作原理。 中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用(N)表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。 I层很厚， 吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。 两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层， 因而光生电流中
29、漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。 另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。,PIN 光电二极管,半导体吸收光之后产生电子-空穴对。产生在耗尽层和耗尽层外，载流子扩散长度以内的电子-空穴对，最后将被电场（外加反向偏压引起的电场或PN 结自建电场）分开，它们漂移通过耗尽层，在外电路产生电流。P 层和N 层中间的I 层也叫耗尽层起到增加耗尽层宽度的作用。在足够高的反偏压下，I 层完全变成耗尽层，其中产生的电子-空穴对立刻被电场分离而形成光电流。在I 层之外产生的电子-空穴对以扩散方式向耗尽层边缘扩散然后被耗尽层收集。它们形成扩散电流。I 层的厚度可以很薄，目的是用以获得最佳
30、的量子效率和频率响应。,7-9 光电二极管,P-I-N光电二极管,图7-20 P-I-N光电二极管的工作原理，（a）光电二极管的剖面图； (b）反向偏置时的能带图；（c）光吸收特性,7-9 光电二极管,在长距离的光纤通信系统中多采用 的双异质 结P-I-N光电二极管中，P-InP的禁带宽度为1.35eV，对波长大于 的光不吸收。的禁带宽度为0.75eV（对应截止时波长 ），在 波段 上表现出较强的吸收。这样，对于光通信的低损耗波段，光吸收只发生在I层，完全消了 扩散电流的影响，几微米厚的I层，就可就可以获得很高的响应度。具有良好的频率响应。,7-9 光电二极管,小结 光电二极管的工作原理：光电二极管和太阳电池一样，都是利用光生伏特效应工作的器件。与太阳电池不同之处在于，光电二极管工作时要加上反向偏压。光电二极管接受光照之后，产生与入射光强度成正比的光生电流，所以能把光信号变成电信号达到探测光信号的目的。 介绍了P-I-N光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。I层也叫耗尽层起到增加耗尽层宽度的作用。在足够高的反偏压下，I层完全变成耗尽层，其中产生的电子空穴对立刻被电场分离而形成光电流。,
