[量子效率、模拟器IV量测入门]一看就懂的太阳能电池基础原理

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何谓太阳能电池?

太阳能电池是一种器件,可吸收太阳光透过光生伏打效应(Photovoltaic)将光能转换成电能。
利用半导体的二极管结构,将P型半导体与N型半导体接合形成PN结的设计,可以有效地吸收太阳光以产生电流与电压。


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图一、P型与N型半导体接合后形成PN结与其能阶示意图。


太阳能电池工作原理
太阳能电池的运作大致可分为四个过程

1.吸收光子(Absorption)

光子能量大于材料带隙即能激发半导体材料,以本征吸收(Intrinsic absorption)、外在吸收(Extrinsic absorption)、自由载子吸收(Free carrier absorption)等过程来吸收光子能量。

2.光生载流子(Photocarrier Generation)

半导体材料吸收光子后会产生电子-空穴对,此过程成为光生载流子过程。

3.电荷传输(Transport)

电子-空穴对若在PN结中的空乏区(Depletion region)产生,会受到PN结的内部电场拆解成电子与空穴,受到电场的驱动(Drift)而向两端的正负电极移动;若在P型半导体或是N型半导体的本征区(Intrinsic region),电子-空穴对会以扩散(Diffusion)的型式传输,到达空乏区后再被空乏区电场拆解成电子与空穴,再由电场驱动到两端电极。

4.电荷收集(Collection)

当电子或空穴到达了电极附近的金属-半导体接面时,再传输到外部电极过程。


图二、太阳能电池的运作过程-能阶图示意图。


太阳能电池材料对于不同能量的光子有不同的吸收特性。波长较短的光子具有较高的能量如UV光,再入射到电池后,立即就能激发半导体材料产生光生载子;波长较长的光子能量较低如IR近红外光,具有较长的穿透深度,一般会穿透到较深层的材料而被吸收产生光生载子。而中间波长的光子一般会在PN结的空乏区被吸收。因为空乏区内部电场具有强大的作用力,可以立即将电子-空穴对拆解成自由的电子-空穴,并利用电场的电动势将电荷传导到金-半接面,因此具有较高的转换效率。


▲图三、不同波长能量的光子具有不同穿透深度与被吸收的区域。在空乏区被吸收形成光生载子,被PN结内部电场拆解后,被电场驱动往正负电极;而在本征区域形成的光生载子,会先以扩散漂移的方式,移动到PN结后被拆解,形成自由电子与空穴再传输。电荷累积在金-半接面,形成光伏效应(Photovoltaic)。


太阳能电池电流-电压曲线特性
在我们介绍太阳能电池电流-电压曲线前,我们先了解两个太阳能电池最简单与最常用的状态:短路与开路。
短路条件:当太阳能电池照光后,将电池的正、负极直接连接,使得外部负载R_L=0,成为短路状态。此时,电池两端电压V_(a )=I∙R_L,只有电流流过太阳能电池,为短路电流 I_sc(Short-Circuit Current)
开路条件:当太阳能电池照光后,使用一个无穷大外部负载R_L=∞(最常见就是电池两端不接任何东西),此时流过太阳能电池的电流 I_out=0,太阳太阳能电池输出的电压最大,称为开路电压V_oc (Open-Circuit Voltage)

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图四、太阳能电池短路电流与开路电压等效电路示意图。

太阳能电池的I-V电流电压曲线:

短路条件与开路条件给我们一个概念:改变太阳能电池外部的阻抗,就能改变太阳能电池输出的电流与电压特性。想像我们在电池正负两端挂上一个可变电阻RL,改变这个电阻大小我们就能控制电池输出电流。RL=0时,电池两端电压没有电压呈短路现象,输出电流最大,称为短路电流Isc。RL=∞ 时,电池两端因为阻抗太大,没有电流可以流出,因此,能量聚集在电池的正负两端形成电压,称为开路电压Voc。在RL=0~∞间不断变化,每一个RL值就会在电池两端产生一个电压Va,回路上也就有一个电流Iout=Va/RL,如图五,就能画出一条连续的电流与电压(I-V)曲线。在这条I-V曲线上任一点对应的电流I与电压V的乘积就是输出的电功率 Pmax=I∙V。因此,我们改变外部输出的阻抗,可以不断的改变输出的功率,其中最大的输出功率称为最大功率点Pmax,对应的电流定义为Imax,电压定义为Vmax

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图五、太阳能电池电流-电压I-V曲线图。


对于短路电流、开路电压、最大功率点有所了解后,我们接着介绍评价一个太阳能电池好坏的其他几个重要参数。

转换效率PCE:PCE (Power Conversion Efficiency)是太阳能电池将光能转换成电能的能力。
Pmax为最大功率,E为输入的光能量。由公式可知,若E的值不同,计算出来的PCE就会不同。在赤道的光强度与在北极的光强度确实是不相同的,到底我们该以何地的光强度来做为转换效率计算的标准呢?这个问题,国际上都有体认并有共识,以订定共同依循的国际规范,如IEC 60904系列规范来解决这些的问题。其中在地表用的太阳能电池转换效率是以AM1.5G的太阳光强度1000 W/m2 (100 mW/cm2)来做为评价的标准。
填充因子FF (Fill-Factor)
研发、生产太阳能电池最大的目的就是要将光能转电能来做功,依照功率P的定义,在短路(Vout = 0) 或是开路条件(Iout = 0)下,太阳能电池的输出功率均为零。因此,在实际应用上,太阳能电池是无法操作在输出为零的条件下。必须要操作在最大功率点,才能产生最大功效。理想上,太阳能电池若是可以操作在Imax=Isc, Vmax=Voc上,Pmax=Isc•Voc是太阳能电池理论上最高可以产生的输出功率。但因为结构设计、工艺条件等因素,电池无法达到这样的输出功率,因此,我们定义了填充因子FF


Imax=Isc, Vmax=Voc时,FF=100%
借由FF的数值,我们可以很快的量化了解这个太阳能电池的特性好坏,作为改进或是比较优劣的依据。


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