第3章 太阳能电池的特性

“收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生 的载流子被pn结收集并参与到电流流动的概率，它的大小 取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。在 耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为在 这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。在原来电场 的区域，其收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大 于扩散长度的区域产生时，那么它的收集概率是相当低的。 相似的，如果载流子是在靠近电池表面这样的高复合区的 区域产生，那么它将会被复合。下面的图描述了表面钝化 和扩散长度对收集概率的影响。
第三章： 太阳能电池的特性
§ 3.1 理想太阳能电池 § 3.2 太阳能电池的
参数 § 3.3 电阻效应 § 3.4 其他效应 § 3.5 对太阳能电池
的测量
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§ 3.1.1 理想太阳能电池 太阳能电池的结构
太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电的电 子器件。入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电 压的形式来产生电能。这个过程的发生需要两个条件， 首先，被吸收的光要能在材料中把一个电子激发到高 能级，第二，处于高能级的电子能从电池中移动到外 部电路。在外部电路的电子消耗了能量然后回到电池 中。许多不同的材料和工艺都基本上能满足太阳能转 化的需求，但实际上，几乎所有的光伏电池转化过程 都是使用组成 pn结形式的半导体材料来完成的。
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§ 3.1.2 理想太阳能电池 光生电流
在太阳能电池中产生的电流叫做“光生电流”， 它的产生包括了两个主要的过程。
第一个过程是吸收入射光子并产生电子空穴对。 电子空穴对只能由能量大于太阳能电池的禁带宽度的光 子产生。然而，电子（在p型材料中）和空穴（在n型 材料中）是处在亚稳定状态的，在复合之前其平均生存 时间等于少数载流子的寿命。如果载流子被复合了，光 生电子空穴对将消失，也产生不了电流或电能了。
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§ 3.1.2 理想太阳能电池 光生电流
第二个过程是pn结通过对这些光生载流子的收集， 即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。 pn结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光 生少数载流子到达pn结，将会被内建电场移到另一个区， 然后它便成了多数载流子。如果用一根导线把发射区跟 基区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外 部电路。
§ 3.1.3 理想太阳能电池 收集概率
对收集概率的计算，红线代表发射区的扩散长度，蓝 线代表基区的发射长度。
在耗散区的收集概 率相同
收
背表面
集 概 率
强钝化的太阳能 电池
弱钝化的太阳 能电池
前端表面
低扩散长度的太阳
能电池。
电池中距离表面的距离
在高复合率的情况下， 其表面的收集概率很低。
§ 3.1.3 理想太阳能电池 收集概率
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§ 3.1.4 理想太阳能电池 量子效率
下图为硅太阳能电池的量子效率。通常，波长小于
350nm的光子的量子效率不予测量，因为在1.5大气质量光谱 中，这些短波的光所包含能量很小。
总量子效率的减小是由反射效应和 过短的扩散长度引起的。
量
子
效
率
红光响应的降低是由于背表
面反射、对长波光的吸收的
减少和短扩散长度
理想量子 效率曲线
能量低于禁带宽度的光 不能被吸收，所以长波 长的量子效率为零。
前端表面复合导致蓝光响应的减小。
收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小。光
生电流大小等于电池各处的载流子生成速率乘以该处的收集概率。
下面是硅在光照为AM1.5下光生电流的方程，包括了生成率和收集
概率。
JL
W
q0
G
x CP
x dx
w
q 0
H0exd CP x dx
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收集概率
生成率
在电池中的距离
§ 3.1.4 理想太阳能电池 量子效率
所谓“量子效率”，即太阳能电池所收集的载流 子的数量与入射光子的数量的比例。量子效率即可以与 波长相对应又可以与光子能量相对应。如果某个特定波 长的所有光子都被吸收，并且其所产生的少数载流子都 能被收集，则这个特定波长的所有光子的量子效率都是 相同的。而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。 下图将描述理想太阳能电池的量子效率曲线。
E-H
§ 3.1.3 理想太阳能电池 收集概率
归 一 化 的
对 生 成 率
上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长 0.45μm的蓝光拥有高吸收率，为105cm-1，也因此它在非常靠近顶端 表面处被吸收。波长0.8μm的红光的吸收率103cm-1，因此其吸收长 度更深一些。1.1μm红外光的吸收率为103cm-1，但是它几乎不被吸 收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。
§ 3.1.2 理想太阳能电池 光生电流
动画展示了短
路情况下的理想电 流。理想短路情况 下电子和空穴在pn 结的流动。少数载 流子不能穿过半导 体和金属之间的界 限，如果要阻止复 合并对电流有贡献 的话，必须通过pn 结的收集。
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§来自百度文库3.1.3 理想太阳能电池 收集概率
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§ 3.1.1 理想太阳能电池 太阳能电池的结构
前端接触电极
减反射膜
发射区 基区
电子空穴对 背接触电极
太阳能电池的横截面
§ 3.1.1 理想太阳能电池 太阳能电池的结构
太阳能电池运行的基本步骤： • 光生载流子的产生 • 光生载流子聚集成电流 • 产生跨越太阳能电池的高电压 • 能量在电路和外接电阻中消耗
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§ 3.1.3 理想太阳能电池 收集概率
在1.5光谱下硅的生成速率。注意，电池表面的生成率是 最高的，因此电池对表面特性是很敏感的。
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§ 3.1.3 理想太阳能电池 收集概率
收集概率的不一致产生了光生电流的光谱效应。 例如，表面的收集概率低于其他部分的收集概率。比 较下图的蓝光、红光和红外光，蓝光在硅表面的零点 几微米处几乎被全部吸收。因此，如果顶端表面的收 集概率非常低的话，入射光中蓝光将不对光生电池做 出贡献。