第八章 阀下载流子的生成-R1

8.4 其他设计
• 主要内容： • 8.4.1 植入缺陷层 • 8.4.2 Delta掺杂 • 8.4.3 层叠电池
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8.4.1 植入缺陷设计
• Li等人的实验成果显示，采用一种全新的硅电 池结构可以利用杂质光伏效应将电池的效率显 著上升，即在电池结附近植入氢，形成一个缺 陷层。 • 质疑：原文作者对电池性能测量方法存在严重 错误；更符合实际的解释：由于电池面积很 小，研究人员错误的测量了电池的电流和光谱 响应。这两个参数的实际值应该为报告的一半 左右。
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Rf ( hf , E i )
• 对Si材料，R=10 当hf=2Ei时，f(hf,Ei)达到最大值，
( hf ) max ( 2 E i ) 3 10
学俘获界面就越小；
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Ei
• 光学跃迁时所携带的能量越高，其相应的光 • 跃迁能量较低的激发过程，伴随了更大的光 学俘获截面.
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图8.5 77K温度下，掺杂硅吸收系数的实验数据与理 论之间的比较 11
8.3.3 设计理念
• 利用杂质光伏效应提升电池性能可以用两种思路： • 1. 从靠近禁带中部的杂质能级入手，这样做将电 池对光子能量的响应范围扩大到远低于带隙宽度 等级，不过，激发一个电子-空穴对需要两个低 能量光子的参与。 • 2. 选用更靠近禁带边缘的缺陷能级，就可以利用 载流子的热运动造成自发跃迁。这样，只要携带 的能量适度，一个光子就可以完成电子激发，从 而降低对上述过程条件的要求。 12
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8.4.2 Delta掺杂
• 近期研究指出：对太阳能电池的发射极做Delta 掺杂处理，可大幅度提高电池的特性。 • 方法：在发射极区域嵌入一个高掺杂薄层（20200nn，掺杂浓度1018-1020/cm3），并人工引入 缺陷。 • 转换效率35%，ISC=68 mA/cm2.
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8.4.3 层叠电池
第八章 阀下载流子的生成
8.1 引言 8.2 硅合金 8.3 杂质光伏效应 8.4 其他设计
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引言
• 提高太阳能电池的输出电流的一个显然易见 的方法就是将那些能量不足以跨越带隙的光 子加以收集并加以利用，以增强电池的红外 效应。 • 但是，无论采取任何技术手段都不可避免地 造成载流子复合率的提高，因而对电池的开 路电压造成不良影响。
• 1.层叠电池是通过亚带隙响应增益实现的。 纯硅可以作为最顶层的宽带隙电池材料，下 面的电池可以选用锗合金或者是其他掺杂光 伏材料来制备。 • 2.上述结构的理论效率很高，位于顶层的电 池，其开路电压的俄歇极限将大幅提升。最 底层电池所能吸收的电流也要高于纯硅材 料，这是由于光学激发阀值变低，而这段光 谱的转换效率很高。该结构的技术的难点主 要集中在制作工艺上。 16
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8.3.1
杂质光伏效应
• 较早阶段人们认为能量低于带隙宽度的光 子可以利用带隙间存在的能级将电子分两 步激发出来，进而提高硅太阳能电池的性 能。如下图所示：
图8.4
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8.3.2 光学俘获截面
• Lucovsky为深层杂质能级俘获光子的过程设计 了一套简易模型。硅材料中，相应的光子俘获 截面可以表示为
图8.2 Si-Ge Superlattice
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下图给出了Si的带隙宽度随着材料Ge含量的 增加而降低的函数关系。 Eg Eg0 Eg Ge的微量添加能 够显著改变材料 的能带。
Si-Ge Si-C Si-Ge-C
图8.3 上曲线是应变合金图， 下曲线是非应变合金的曲线
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改善电池性能的理论方法
• 1. 改变能带结构，利用高能光子激发出多个电 子-空穴对； • 2. 用硅和硅-锗合金组成的超晶格结构，实现 准直带隙跃迁，以提高电池辐射效率；（尚待 进一步验证） • 3. 最简单的方法就是：在电池的次要部位掺杂 一部分Si-Ge合金，能够起到延伸电池的红外 响应的作用。合金区离电池的结区越近，效果 越明显。
( hf ) 2.3 10
R ( m m* )( Ee ff E 0 )2
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Rf ( hf , E i )
f ( hf , E i ) [( E i ) ( hf E i )
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] ( hf )
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E i : 子能量
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( hf ) 2.3 10
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• 图8.1给出了在AMI.5全局辐射下，细致平衡极限 效率和阀能之间的函数关系。在引入阀能较低的 高效辐射过程，硅电池就有可能突破饿歇复合所 制约的效率极限。图虚线就是在饿歇复合下，不 同阀能对应的极限效率。
图8.1 太阳能电池的细致平衡效率极限与阀能间的关系
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硅-锗合金
• 硅和锗可以完全互溶，它们所形成的金属 合金材料，其能带结构和晶格常数介于两 者之间，如果在纯硅电池中增加一层硅-锗 合金，随着厚度变化，会引起压缩效应和 晶体位错。
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• 随着陷光技术的发展，使得降低载流子复合率和 提高开路电压两者之间的矛盾得以改善。这就使 提高亚带隙吸收成为最有可能在纯物质电池中实 现效率突破的技术手段。 • 硅电池采用这种设计另一个优点：由于饿歇复合 的作用更强，硅电池不会受到辐射复合所主导的 性能极限的制约。在阈下吸收的过程中，若电池 的辐射效率高于纯Si材料的辐射效率，就能实现 总体效率的突破（如图8.1所示）。