第3章 太阳能电池及特性-2讲光生伏特效应

上一讲回顾原子能级及能带理论；本征半导体和掺杂半导体；费米能级；半导体的光学常数和光吸收；作业：为什么单晶硅（或多晶硅）太阳能电池是p-n结结构？还有没有其他结构？第3章太阳能电池及特性3.1 半导体物理基础3.2 太阳能电池3.3 太阳能电池输出特性§3.1半导体物理基础§3.1.6.p-n结在大多数情况下，物质吸收入射光后，光子的能量使电子跃迁到高能级，但是受激电子很快地回到基态只能提高半导体的电导率-光电导，无法形成电势差在太阳能电池的光伏效应中，内部的非对称结构p-n结（内建电场），使电子在返回基态前，被输运到外部电路受激电子得到的能量形成了电势差p-n结及其能带图：PN 结E CpE VpE CnE VnP 型N 型p-n 结的能带图及电荷分布图§3.1.6p-n 结GeSiGaAsJ0↓；↑，J0↓，主要取决于低掺杂↑，因此J0具有正温系数。

第3章太阳能电池及特性3.1 半导体物理基础3.2 太阳能电池3.3 太阳能电池输出特性太阳能电池§3.2太阳能电池利用半导体材料的电子特性，把阳光（光能）直接转换为电能。

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。

§3.2太阳能电池太阳能电池产生电能需要两个条件：¾首先，被吸收的光要能在材料中把电子激发到高能级¾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后回到电池中。

许多不同的材料（如单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等）和工艺都基本上能满足太阳能转化的需求但是，几乎所有的光伏电池转化过程都是PN结形式的半导体材料来完成的。

§3.2太阳能电池§3.2.1.太阳能电池分类单晶硅太阳电池晶体硅太阳电池多晶硅太阳电池(Crystal Silicon Solar Cell) 带状硅太阳电池按基体材料分类Based on Materials非晶硅太阳电微晶硅薄膜太阳电池多晶硅薄膜太阳电池纳米晶硅薄膜太阳电池硅薄膜太阳电池Silicon Thin Film硒光电池硫化镉太阳电池硒铟铜太阳电池碲化镉太阳电池砷化镓太阳电池磷化铟太阳电池染料敏化太阳电池(Dye Sensitized Solar cell)有机薄膜太阳电池(Organic Solar Cell)化合物太阳电池Compound Solar cell§3.2.1太阳能电池分类硅太阳能电池：单晶硅太阳电池：采用单晶硅片制造，性能稳定，转换效率高。

目前转换效率已达到16%--18%。

§3.2.1太阳能电池分类硅太阳能电池：多晶硅太阳电池：作为原料的高纯硅，由于硅片是由多个不同大小、不同取向的晶粒构成，因而转换效率低。

目前转换效率达到15%--17%。

硅太阳能电池：非晶硅太阳电池：一般在P 层与N 层之间加入较厚的I 层。

非晶硅太阳电池的厚度不到1μm ，不足晶体硅太阳电池厚度的1/100，降低制造成本。

目前转换效率为5%--8%最高效率达14.6%层叠的最高效率可达21.0%。

§3.2.1太阳能电池分类硅太阳能电池：微晶硅太阳电池：可以生成晶粒尺寸10nm 的微晶硅薄膜，薄膜厚度一般在2---3μm目前转换效率为10%以上。

§3.2.1太阳能电池分类化合物太阳能电池：单晶化合物太阳电池：主要有砷化镓GaAs 太阳电池。

砷化镓的能隙为1.4eV ，是单结电池中效率最高的电池，效率可达到30%以上但价格昂贵，且砷有毒，所以极少使用。

§3.2.1太阳能电池分类化合物太阳能电池：多晶化合物太阳电池：主要有碲化镉太阳电池，铜铟镓硒太阳电池等。

碲化镉太阳电池是最早发展的太阳电池之一，工艺过程简单，制造成本低，转换效率超过16%，不过镉元素可能造成环境污染。

铜铟镓硒太阳电池实验室最高效率接近20%，成品组件达到13%，是目前薄膜电池中效率最高的电池之一。

§3.2.1太阳能电池分类§3.2太阳能电池§3.2.2.光生伏特效应光生伏特效应：当用适当波长的光照射非均匀半导体（如p-n结或金属—半导体接触面）时，由于内建电场的作用，半导体内部产生电动势（光生电压）；如接外部电路，则会出现电流（光生电流）----光生伏特效应能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。

它们的发电原理基本相同：半导体PN结的光生伏特效应§3.2.2光生伏特效应p-n结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射p-n结时，由于内建电场的作用（不加外电场），将光生电子拉向n区，将光生空穴拉向p区，半导体内部产生电动势（光生电压）；如接外部电路，则会产生电流（光生电流）。

§3.2.2光生伏特效应光电池的实际结构:栅指形状（减少接触电阻，尽量少挡住阳光）§3.2太阳能电池§3.2.3.光生电流在太阳能电池中产生的电流叫做“光生电流”光生电流的产生包括了两个主要的过程：¾吸收入射光子并产生电子空穴对；¾p-n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。

§3.2.3光生电流产生：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。

§3.2.3光生电流收集：p-n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p-n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。

生成率：生成率是指被光线照射的半导体每一点生成电子的数目。

忽略反射不计，半导体材料吸收的光线的多少决定于吸收系数（α，单位为cm -1）和半导体的厚度。

半导体中每一点光的强度可以通过以下的方程计算：式中α为材料的吸收系数，X为光入射到材料的深度，I 0为光在材料表面的功率强度。

§3.2.3光生电流Xe I I α−=0上述方程可以用来计算太阳能电池中产生的电子空穴对的数目。

假设减少的那部分光线能量全部用来产生电子空穴对，那么通过测量透射过电池的光线强度便可以算出半导体材料生成的电子空穴对的数目。

因此，对上面的方程进行微分将得到半导体中任何一点的生成率：其中N 0=表面的光子通量（光子/单位面积.秒）§3.2.3光生电流Xe N G αα−=0从生成率方程可知，光的强度随着在材料中深度的增加呈指数下降，即材料表面的生成率是最高的。

太阳光是由一系列不同波长的光组成的，因此不同波长的生成率也是不同的。

§3.2.3光生电流进入硅的深度（um ）电子空穴对的生成率三种不同波长的光在硅Si 材料中的生成率§3.2.3光生电流计算一系列不同波长的光的生成率时，总的生成率等于每种波长的总和。

在电池表面的产生了数量巨大的电子空穴对，而在电池的更深处，生成率几乎是常数。

标准太阳光在硅Si材料中的总生成率§3.2.3光生电流收集概率：“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p-n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。

在远离电场的区域，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。

§3.2.3光生电流正面高表面复合率的情况下，其表面的收集概率很低。

低扩散长度的太阳能电池。

电池中的距离弱钝化的太阳能电池在耗散区的收集概率相同背面收集概率强钝化的太阳能电池光生电流：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 硅Si 在光照为AM1.5下光生电流的方程为：§3.2.3光生电流收集概率生成率在电池中的距离∫=WL dxx CP x G q J 0)()(∫∫−=WxL dxx CP d eH q J 0)(0)())((λλαλαG(x) ：生成率CP(x)：收集概率量子效率：“量子效率”是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。

量子效率与波长相对应，即与光子能量相对应。

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。

§3.2.3光生电流∫=Wdxx CP x G QE 0)()(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。

§3.2.3光生电流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。

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。

量子效率前端表面复合导致蓝光响应的减小。

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§3.2.3光生电流硅太阳能电池中，“外部”量子效率包括光的损失，如透射和反射。

然而，测量经反射和透射损失后剩下的光的量子效率还是非常有用的。

“内部”量子效率指的是那些没有被反射和透射且能够产生可收集的载流子的光的量子效率。

通过测量电池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲线并得到内部量子效率。

§3.2.3光生电流光谱响应：“光谱响应”在概念上类似于量子效率。

量子效率描述的是电池产生的光生电子数量与入射到电池的光子数量的比光谱响应指的是太阳能电池产生的电流大小与入射能量的比例。

理想的光谱响应在长波长段受到限制，因为半导体不能吸收能量低于禁带宽度的光子。

这种限制在量子效率曲线中同样起作用。

光谱响应：不同于量子效率的矩形曲线，光谱响应曲线在随着波长减小而下降。

因为这些短波长的光子的能量很高，导致光子与能量的比例下降。

§3.2.3光生电流理想的光谱响应硅太阳能电池的响应曲线。

能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以在长波长段的光谱响应为零。

光谱响应§3.2.3光生电流光子的能量中，所有超出禁带宽度的部分都不能被电池利用，而是只能加热电池。

在太阳能电池中，高光子能量的不能完全利用以及低光子能量的无法吸收，导致了显著的能量损失。

Si：λ0=1.1um现有硅、锗、砷化镓p-n结各一，其掺杂浓度均为N D =5*1015cm-3、NA=1017cm-3，求300K时和400K时的VD各为多少？说明为什么会有这种差别？（注：ni值参考半导体物理学（第四版），P64；硅Si的禁带宽度Eg=1.17eV，锗Ge的禁带宽度Eg= 0.74eV，砷化镓GaAs的禁带宽度Eg0= 1.52eV ）作业。