PN结太阳能电池光生伏特效应光谱特性及太阳能电池综合参数测试

研究生《电子技术综合实验》课程报告

题目：PN 结太阳能电池光生伏特效应光谱特性

及太阳能电池综合参数测试

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一、实验内容：

测量电池光生伏特效应的光谱特性并分析影响光伏效应的种种因素。测试AM1.5、稍小光强下的自制电池的I-V特性以及暗特性；完成实验并计算6个重要参数；并分析讨论实验现象。

二、实验仪器：

分光光度计7520型、恒温样品台、I-V测试仪、函数记录仪

三、太阳能电池材料及结构：

1.太阳能电池材料种类

太阳电池的材料种类繁多，可以有非晶硅、多晶硅、CdTe、CuInxGa（1-x）Se2等半导体的、或三五族、二六族的元素链结的材料等。

第一代太阳能电池发展最长久，技术也最成熟。种类可分为单晶硅（Monocrystalline Silicon）、多晶硅（Polycrystalline Silicon）、非晶硅（Amorphous Silicon）。以应用来说是以前两者单晶硅与多晶硅为大宗，也因应不同设计的需求需要用到不同材料（例：对光波长的吸收、成本、面积......等等）。第二代薄膜太阳能电池以薄膜制程来制造电池，种类可分为碲化镉（Cadmium Telluride CdTe）、铜铟硒化物（Copper Indium Selenide CIS）、铜铟镓硒化物（Copper Indium Gallium Selenide CIGS）、砷化镓。第三代电池与前代电池最大的不同是制程中导入有机物和纳米科技。种类有光化学太阳能电池、染料光敏化太阳能电池、高分子太阳能电池、纳米结晶太阳能电池。第四代则针对电池吸收光的薄膜做出多层结构。某种电池制造技术，并非仅能制造一种类型的电池，例如在多晶硅制程，既可制造出硅晶版类型，也可以制造薄膜类型。

2.太阳能电池的基本结构

光生伏特效应简称光伏效应，它是半导体PN结的基本光学性质之一。光伏效应不仅存在于PN结中，而且还存在于所有含有内建电势的两种固体材料的界面中。如金属-半导体接触的肖特基势垒也有此效应。对于浅结二极管，当光线垂直于结面照射时，光子进入半导体内，能量大于半导体禁带宽度的光子因本征吸收而产生电子-空穴对（见图1c）。势垒区外一个扩散长度内的光生少子受PN结内建电场的作用均被扫到对边，在n区和p区分别形成电子和空穴的积累，产生一光生电动势。此光生电动势又给PN结以正向偏压，使PN结的势垒降低。于是，

在PN结内部，既有由n区流向p区的光生电流I L，又有与I L方向相反的正向电流I F。在稳定光照下，开路的PN结内I L=I F，，形成稳定的光生电压V OC。短路情况下，I F=0，光生电流I L 全部流经外电路。这种由内建电场引起的光电效应称为光生伏特效应。太阳电池就是这种效应最直接的应用。

太阳电池基本上就是一个大面积的PN结。N+P太阳电池的基本结构如图1所示。N+扩散层为顶区，P型硅衬底为基区，PN结两边的耗尽层为势垒区。实验中使用的是一块面积2×2cm2的太阳能电池板，PN结中N+表面有一层减反膜，膜表面有一层栅型金属电极，P表面覆盖一层金属电极（形成欧姆接触）。利用栅型电极增加光注入，减反射膜减少硅表面光反射损失。由于太阳光在高能区(波长0.4至0.8微米范围内)存在强辐照，所以设计为浅结Pn结可提高电池高能光谱效应。在这种结构下，太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n 结内建电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就产生电流。

图1 太阳能电池基本结构

3.太阳能电池等效电路

(a) (b)

图2 (a)理想光电池等效电路(b)太阳能电池的实际等效电路图2(a)是利用PN结光生伏特效应做成的理想光电池的等效电路图，图中把光照下的p-n

结看作一个理想二极管和恒流源并联，恒流源的电流即为光生电流I L，R L为外负载。这个等效电路的物理意义是：太阳能电池光照后产生一定的光电流I L，其中一部分用来抵消结电流Ij，另一部分即为供给负载的电流I R。其端电压V、结电流I以及工作电流I的大小都与负载电阻R有关，但负载电阻并不是唯一的决定因素。

而实际的太阳能电池，由于前面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。流经负载的电流，经过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻R S来表示。由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻R SH来等效。则实际的光电池的等效电路如图2(b)所示。p-n结光生伏特效应最主要的应用是作为太阳能电池。太阳辐射的光能有一个光谱分布，禁带宽度越窄的半导体，可以利用的光谱越广。但是，禁带宽度E g太小的话相应能产生的光电动势又会比较小。反之，E g大的半导体，虽然V OC可以提高，但可以利用的太阳光谱范围就会比较小。也就是说，开路电压V oc 随E g的增大而增大，但另一方面，短路电流密度J SC随E g的增大而减小。结果是可期望在某一个确定的g 处出现太阳能电池效率的峰值。

四、太阳能电池光谱响应

半导体GaAs和Si对各种不同波长λ的光的吸收系数а有图3所示的分布。而只有势垒区两侧一个扩散长度范围内光产生的电子-空穴对才可以被电极收集形成光电流，谱响应范围：400-1000nm。输出特性：V oc随光强增加很快趋于饱和，与面积无关。Isc与光强和光照面积成正比。

图3 半导体GaAs和Si对各种不同波长λ的光的吸收系数α太阳光谱中，不同波长的光具有的能量是不同的，所含的光子的数目也是不同的。因此，太阳能电池接受光照射所产生的光子数目也就不同。为反映太阳能电池的这一特性，引入了光谱响应这一参量。太阳电池的光谱响应又分为等量子光谱响应和等能量光谱响应。表示一定波