《太阳电池基础》PPT课件.ppt
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1、Introduction to Solar Photovoltaic Technology 培训教师:冯少纯培训教师:冯少纯第一节第一节1.太阳电池发展史太阳电池发展史太阳能太阳能n太阳是距离地球最近的恒星,直径约太阳是距离地球最近的恒星,直径约1390000km,1390000km,体积和质量是地球的体积和质量是地球的130130万倍和万倍和3333万倍。表面温度约为万倍。表面温度约为5800K5800K,主要由氢和氦组,主要由氢和氦组成。其中氢占成。其中氢占80%80%,氦占,氦占19%19%。n太阳内部处于高温高压状态,不停进行着热核太阳内部处于高温高压状态,不停进行着热核反应,由氢聚变
2、成氦,并将质量转化为能量。反应,由氢聚变成氦,并将质量转化为能量。n青藏高原是我国太阳能资源最好的地区,而四青藏高原是我国太阳能资源最好的地区,而四川盆地云雨天气多,太阳能资源相对较差。川盆地云雨天气多,太阳能资源相对较差。太阳能太阳能n当太阳光照射到地球时,一部分光线当太阳光照射到地球时,一部分光线被被反射反射或或散射散射,一部分光线被吸收,一部分光线被吸收,只有约只有约70%70%的光线能到达地球表面。的光线能到达地球表面。n到达地球表面的太阳光一部分被表面到达地球表面的太阳光一部分被表面物体所吸收,另外一部分又被反射回物体所吸收,另外一部分又被反射回大气层。大气层。太阳电池发展史太阳电池
3、发展史太阳能光伏发电最核心的器件太阳能光伏发电最核心的器件太阳电池。太阳电池。从从1839年年法法国国科科学学家家E.Becquerel发发现现液液体体的的光光生生伏伏特特效效应应(简简称称光光伏伏现现象象)算算起起,太太阳阳能能电电池池已已经经经经过过了了160多多年年的的漫漫长长的的发发展展历历史史。从从总总的的发发展展来来看看,基基础础研研究究和和技技术术进进步步都都起起到到了了积积极极推推进进的的作作用用。对对太太阳阳电电池池的的实实际际应应用用起起到到决决定定性性作作用用的的是是美美国国贝贝尔尔实实验验室室关关于于单单晶晶硅硅太太阳阳电电池池的的研研制制成成功功,在在太太阳阳电电池池
4、发发展展史史上上起起到到里里程程碑碑的的作作用用。至至今今为为止止,太太阳阳能能电电池池的的基基本本结结构构和和机机理理没没有有发发生改变。生改变。太阳电池发展史太阳电池发展史 太太阳阳电电池池后后来来的的发发展展主主要要是是薄薄膜膜电电池池的的研研发发,如如非非晶晶硅硅太太阳阳电电池池、CIS太太阳阳电电池池、CdTe太太阳阳电电池池和和纳纳米米燃燃料料敏敏化化太太阳阳电电池池等等,此此外外主主要要的的是是生生产产技技术术的的进进步步,如如丝丝网网印印刷刷、多多晶晶硅硅太太阳阳电电池池生生产产工工艺艺的的成成功功开开发发,特特别别是是氮氮化化硅硅薄薄膜膜的的减减反反射射和钝化技术的建立以及生
5、产工艺的高度自动化等。和钝化技术的建立以及生产工艺的高度自动化等。太阳电池发展史太阳电池发展史 回回顾顾历历史史有有利利于于了了解解光光伏伏技技术术的的发发展展历历程程,按按时时间间的的发发展展顺顺序序,将将于于太太阳阳电电池池发发展展有有关关的的历历史事件汇总如下:史事件汇总如下:1839年年法法国国实实验验物物理理学学家家E.Becquerel发发现现液液体体的的光光生生伏特效应,简称为光伏效应。伏特效应,简称为光伏效应。1877年年W.G.Adams和和R.E.Day研研究究了了硒硒(Se)的的光光伏伏效应,并制作第一片硒太阳能电池。效应,并制作第一片硒太阳能电池。1883年年美美国国发
6、发明明家家Charles Fritts描描述述了了第第一一块块硒硒太太阳阳能电池的原理。能电池的原理。太阳电池发展史太阳电池发展史 1904年年Hallwachs发发现现铜铜与与氧氧化化亚亚铜铜(Cu/Cu2O)结结合合在在一一起起具具有有光光敏敏特特性性;德德国国物物理理学学家家爱爱因因斯斯坦坦(Albert Einstein)发表关于光电效应的论文。)发表关于光电效应的论文。1918年年波波兰兰科科学学家家Czochralski发发展展生生长长单单晶晶硅硅的的提提拉拉法工艺。法工艺。1921年年德德国国物物理理学学家家爱爱因因斯斯坦坦由由于于1904年年提提出出的的解解释释光电效应的理论获
7、得诺贝尔(光电效应的理论获得诺贝尔(Nobel)物理奖。)物理奖。贝贝尔尔(Bell)实实验验室室研研究究人人员员D.M.Chapin,C.S.Fuller和和G.L.Pearson报报道道4.5%效效率率的的单单晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池的的发发现现,几个月后效率达到几个月后效率达到6%。太阳电池发展史太阳电池发展史2000年年世世界界太太阳阳能能电电池池年年产产量量超超过过399MW;X.Wu,R.G.Dhere,D.S.Aibin等等报报道道碲碲化化镉镉(CdTe)太太阳阳能能电电池池效效率率达达到到16.4%;单单晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池售售价价约约为为3USD/W。2002年年
8、世世界界太太阳阳能能电电池池年年产产量量超超过过540MW;多多晶晶硅硅太太阳能电池售价约为阳能电池售价约为2.2USD/W。预计未来世界太阳预计未来世界太阳2020年年太太阳阳能能发发电电成成本本与与化化石石能能源源成成本本相相接接近近,德国可再生能源占德国可再生能源占20%。2030年年太太阳阳能能发发电电达达到到10%20%;德德国国将将关关闭闭所有的核电站。所有的核电站。能发电产业的发展能发电产业的发展预计未来世界太阳预计未来世界太阳2050年年世世界界太太阳阳能能发发电电利利用用将将占占世世界界能能源源总总能能耗耗30%50%份额。份额。2100年年以以煤煤、石石油油、天天然然气气为
9、为代代表表的的化化石石能能源源基基本本枯枯竭竭,人人类类主主要要利利用用太太阳阳能能、氢氢能能、风风能能、生生物物质质能能等等洁洁净净可可再再生生能能源源。人人类类将将充充分分利利用用太太阳能发电。阳能发电。能发电产业的发展能发电产业的发展中国太阳能发电发展史中国太阳能发电发展史1958年我国开始研制太阳能电池。年我国开始研制太阳能电池。1959年年中中国国科科学学院院半半导导体体研研究究所所研研制制成成功功第第一一片片具具有有实用价值的太阳能电池。实用价值的太阳能电池。1971年年3月月在在我我国国发发射射的的第第二二颗颗人人造造卫卫星星科科学学实实验验卫卫星星实实践践一一号号上上首首次次应
10、应用用由由天天津津电电源源研研究究所所研研制制的的太太阳阳能电池。能电池。19791979年年我我国国开开始始利利用用半半导导体体工工业业废废次次硅硅材材料料生生产产单单晶晶硅太阳能电池。硅太阳能电池。中国太阳能发电发展史中国太阳能发电发展史我我国国大大陆陆包包括括正正在在建建设设的的太太阳阳电电池池或或太太阳阳能能电电池池组组件件产产量量可可达达10MW以以上上的的厂厂家家有有很很多多,如如:无无锡锡尚尚德德,保保定定天天威威英英利利,宁宁波波太太阳阳能能,南南京京中中电电光光伏伏,上上海海太太阳阳能能科科技技,云云南南天天达达和和常常州州天天合合等等。我我国国已已成成为为世世界界重重要要的
11、的光光伏伏工工业业基基地地之之一一,初初步步形形成成一一个个以以光光伏伏工工业业为为源源头头的的高科技光伏产业链。高科技光伏产业链。随随着着我我国国“可可再再生生能能源源法法”的的实实施施,我我国国太太阳阳能能光光伏伏发发电电将将得得到到快快速速发发展展。预预计计在在3 35 5年年内内我我国国在在太太阳阳能能光光伏伏电电池池研研发发、生生产产、应应用用产产品品开开发发将将形形成成一一个个世世界界级级的的产产业业基基地地,并并将将在在国国际际太太阳阳能能光光伏伏工工业业产产业业中中占占据据重重要要的地位。的地位。太阳电池分类太阳电池分类l晶体硅太阳电池晶体硅太阳电池 (包括单晶硅和多晶硅太阳电
12、池)(包括单晶硅和多晶硅太阳电池)l非晶硅太阳电池非晶硅太阳电池l薄膜太阳电池薄膜太阳电池l化合物太阳电池化合物太阳电池l有机半导体太阳电池有机半导体太阳电池第二节第二节2.半导体材料与理论半导体材料与理论半导体定义半导体定义固体按导电性能的高低可以分为:固体按导电性能的高低可以分为:导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体 它们的导电性能不同,它们的导电性能不同,是因为它们的能带结构不同。是因为它们的能带结构不同。半导体种类半导体种类u按照成分可分为:按照成分可分为:有机半导体有机半导体 无机半导体(元素半导体、化合物半导体)无机半导体(元素半导体、化合物半导体)u按照晶体结构可分为:按照晶体结构可
13、分为:非晶体半导体非晶体半导体 晶体半导体(单晶、多晶)晶体半导体(单晶、多晶)u按照特性、功能可分为:按照特性、功能可分为:微电子材料、光电子材料、传感材料微电子材料、光电子材料、传感材料.半导体种类半导体种类 元素半导体共有元素半导体共有12种,包括种,包括 硅、锗、硼、碳、灰锡、磷、灰砷、灰锑、硅、锗、硼、碳、灰锡、磷、灰砷、灰锑、硫、硒、碲、碘。硫、硒、碲、碘。其中只有硅、锗和硒在实际生产中得到其中只有硅、锗和硒在实际生产中得到应用。应用。晶体概念晶体概念简单立方晶格简单立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格Au、Ag、Cu、Al 体心立方晶格体心立方晶格 Li、Na、K、Fe 六角密排晶
14、格六角密排晶格 Be,Mg,Zn,Cd 晶体:晶体:有有规则对称的几何外形;规则对称的几何外形;物理性质物理性质(力、热、电、光力、热、电、光)各向异性各向异性;有确定的熔点;有确定的熔点;微观微观上,分子、原子或离子呈有规则的周期性上,分子、原子或离子呈有规则的周期性 排列,形成排列,形成空间点阵空间点阵(晶格晶格)。多晶结构多晶结构晶界晶界单晶结构单晶结构硅原子结构硅原子结构+142 8 4Si+4硅原子结构硅原子结构 简化模型简化模型 硅,一种四价的非金属元素,在自然界分布极广,地壳中约含27.6%,主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。元素符号Si,相对原子量为28.08653,在元素周期
15、表中的lVA族(第四主族),第三周期。n每个原子的价电子分别与相邻的四个原子的价电子组成共价键,在空间形成排列有序的单晶体结构 n纯净的单晶半导体称为本征半导体。本征半导体本征半导体价电子(热激发)价电子(热激发)自由电子自由电子-空穴对空穴对复合复合平衡平衡本征半导体中本征半导体中本征半导体本征半导体(1)在半导体中有两种载流子在半导体中有两种载流子这就是半导体和金属导电原理的这就是半导体和金属导电原理的 本质区别本质区别a.电阻率大电阻率大(2)本征半导体的特点本征半导体的特点b.导电性能随温度变化大导电性能随温度变化大带正电的空穴带正电的空穴带负电的自由电子带负电的自由电子本征半导体不能
16、在半导体器件中直接使用本征半导体不能在半导体器件中直接使用本征半导体本征半导体在外电场作用下,电子的定向移动形成电流在外电场作用下,电子的定向移动形成电流+-在外电场作用下,空穴的定向移动形成电流在外电场作用下,空穴的定向移动形成电流+-n本征半导体缺点本征半导体缺点 1、电子浓度=空穴浓度;2、载流子少,导电性差,温度稳定性差!不适宜制造半导体器件,通常要掺入不适宜制造半导体器件,通常要掺入一些杂质来提高导电能力。一些杂质来提高导电能力。本征半导体本征半导体杂质半导体杂质半导体杂杂质质半半导导体体(Impurity Semiconductor):在在纯纯净净的的半半导导体体中适当掺入杂质中适
17、当掺入杂质可提高半导体的导电能力可提高半导体的导电能力能改变半导体的导电机制能改变半导体的导电机制按按导导电电机机制制,杂杂质质半半导导体体可可分分为为n型型(电电子子导导电电)和和p型型(空空穴导电穴导电)两种。两种。杂质半导体杂质半导体n型半导体型半导体 SiSiSiSiSiSiSiP 图图中中掺掺入入的的五五价价P原原子子在在晶晶体体中中替替代代Si的的位位置置,构构成成与与Si相相同同的的四四电电子子结结构构,多多出出的的一一个个电电子子在在杂杂质质离离子子的的电电场范围内运动。场范围内运动。杂质半导体杂质半导体磷原子磷原子硅原子硅原子SiPSiSi多余电子多余电子N型半导体n形成:本
18、征半导体中掺入五价杂质原子形成:本征半导体中掺入五价杂质原子,如磷(,如磷(P)。)。n载流子:自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。载流子:自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。简化图简化图 杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体(2)P型半导体型半导体 四四价价的的本本征征半半导导体体 Si、Ge等等,掺掺入入少少量量三三价价的的杂杂质质元元素素(如如B、Ga、In等等)形成形成空穴型半导体空穴型半导体,也称,也称p型半导体型半导体。SiSiSiSiSiSiSi+B 图图中中在在硅硅晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的硼硼,晶晶体体点点阵阵中中的的某某些些半半导导体体原原子子被被杂杂质质
19、取取代代,硼硼原原子子的的最最外外层层有有三三个个价价电电子子,与与相相临临的的半半导导体体原原子子形形成成共共价价键键时时产产生生一一个个空空穴穴。这这个个空空穴穴可可能能吸吸引引束束缚缚电电子子来来填填补补,使使得得硼硼原原子子成成为为不不能能移移动的带负电的离子。动的带负电的离子。P型半导体n形成:本征半导体中掺入三价杂质原子形成:本征半导体中掺入三价杂质原子,如硼(,如硼(B)等。)等。n载流子:空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。载流子:空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。简化图简化图(a)结构示意图)结构示意图 图图1-5 P型半导体的结构型半导体的结构杂质半导体杂质半导体
20、n几个基本概念:几个基本概念:本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体自由电子、空穴自由电子、空穴多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子N N型半导体、型半导体、P P型半导体型半导体n无论是无论是N N型还是型还是P P型半导体都是电中性,对型半导体都是电中性,对外不显电性。外不显电性。杂质半导体杂质半导体多子的浓度决定于掺杂原子的浓度多子的浓度决定于掺杂原子的浓度少子的浓度决定于温度少子的浓度决定于温度P-N结结1、P-N结的形成结的形成在在一一块块n型型半半导导体体基基片片的的一一侧侧掺掺入入较较高高浓浓度度的的受受主主杂杂质质,由于杂质的补偿作用由于杂质的补偿作用,该区就成为
21、该区就成为p型半导体。型半导体。在在半半导导体体内内,由由于于掺掺杂杂的的不不同同,使使部部分分区区域域是是n型型,另另一一部部分分区区域域是是p型型,它它们们交交界界处处的的结结构构称称为为p-n结结(P-N junction)。由由于于区区的的电电子子向向P区区扩扩散散,P区区的的空空穴穴向向N区区扩扩散散,在在p型型半半导导体体和和n型型半半导导体体的的交交界界面面附附近近产产生生了了一一个个由由np的电场,称为的电场,称为内建场内建场。P-N结结 内内建建场场大大到到一一定定程程度度,不不再再有有净净电电荷荷的的流流动动,达达到了新的平衡。到了新的平衡。内建场阻止电子和空穴进一步扩散,
22、记作内建场阻止电子和空穴进一步扩散,记作 。P-N结结PN结的形成结的形成在交界面,由于两种载流子在交界面,由于两种载流子的浓度差,出现扩散运动。的浓度差,出现扩散运动。PNP-N结结PN结的形成结的形成在交界面,由于扩散运动,在交界面,由于扩散运动,经过复合经过复合,出现空间电荷区。出现空间电荷区。空间电荷区空间电荷区耗尽层耗尽层PNP-N结结稳稳定定后后,n区区相相对对p区区有有电电势势差差U0(n比比p高高)。p-n 结结也称也称势垒区势垒区。电子电势能曲线电子电势能曲线U0电子能级电子能级电势曲线电势曲线P-N结结它它阻阻止止P区区带带正正电电的的空空穴穴进一步向进一步向N区扩散;区扩
23、散;也也阻阻止止N区区带带负负电电的的电电子子进一步向进一步向P区扩散。区扩散。P-N结结PN结的形成结的形成PN结结当当扩扩散散电电流流等等于于漂漂移移电电流流时时,达到动态平衡,形成达到动态平衡,形成PN结。结。P-N结结 在在P型型半半导导体体和和N型型半半导导体体结结合合后后,由由于于N型型区区内内电电子子很很多多而而空空穴穴很很少少,而而P型型区区内内空空穴穴很很多多电电子子很很少少,在在它它们们的的交交界界处处就就出出现现了了电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度差差别别。这这样样,电电子子和和空空穴穴都都要要从从浓浓度度高高的的地地方方向向浓浓度度低低的的地地方方扩扩散散。于于是是,有
24、有一一些些电电子子要要从从N型型区区向向P型型区区扩扩散散,也也有有一一些些空空穴穴要要从从P型型区区向向N型型区区扩扩散散。它它们们扩扩散散的的结结果果就就使使P区区一一边边失失去去空空穴穴,留留下下了了带带负负电电的的杂杂质质离离子子,N区区一一边边失失去去电电子子,留留下下了了带带正正电电的的杂杂质质离离子子。半半导导体体中中的的离离子子不不能能任任意意移移动动,因因此此不不参参与与导导电电。这这些些不不能能移移动动的的带带电电粒粒子子在在P和和N区区交交界界面面附附近近,形形成成了了一一个个很很薄薄的的空空间间电电荷荷区区,就就是是所所谓的谓的PN结。结。文字总结:文字总结:PN结的形
25、成结的形成P-N结结 扩扩散散越越强强,空空间间电电荷荷区区越越宽宽。在在空空间间电电荷荷区区,由由于于缺缺少少多多子子,所所以以也也称称耗耗尽尽层层。在在出出现现了了空空间间电电荷荷区区以以后后,由由于于正正负负电电荷荷之之间间的的相相互互作作用用,在在空空间间电电荷荷区区就就形形成成了了一一个个内内电电场场,其其方方向向是是从从带带正正电电的的N区区指指向向带带负负电电的的P区区。显显然然,这这个个电电场场的的方方向向与与载载流流子子扩扩散散运运动动的的方方向向相相反反它它是是阻阻止止扩扩散的。散的。文字总结:文字总结:PN结的形成结的形成P-N结结 另另一一方方面面,这这个个电电场场将将
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