第六章 太阳能电池的基本结构 经典太阳电池基础课件
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J ( V ) J 0 ( e 1 q/K V T 1 ) J 0 ( e 2 q/2 V k T 1 )
其中，J01、J02分别为基区/发射区、耗尽区贡献的饱和电流密度
2 同质结太阳电池原理
同质结太阳电池如图所示（n+/p型）。它是在p型硅衬底上形成一个n+型层， 构成一个p-n结。正面的金属栅欧姆接触，称为正电极，背面的大面积欧姆接触，称 为背电极。上表面还覆盖有均匀的减反射层。
I
Isc W
Im没？m
Voc
V
Vm
调节负载电阻到某一值Rm时，曲线上有一点M，满足功率输出Pm最大
Pm ImVm
M点称为电池的最大功率点。直观上讲，即上图中使I-V曲线的内接矩形面 积最大的点
定义填充因子FF来表征电池I-V曲线“方形”的程度，这是衡量太阳电池输出 特性好坏的重要指标之一
FF Pm VOC ISC
对于Si，温度每增加1°C，VOC下降室温值 的0.4%，h也因而降低约同样的百分数。 例如，一个硅电池在20°C时的效率为 20%，当温度升到120°C时，效率仅为 12％。又如GaAs电池，温度每升高1°C， VOC降低1.7mv 或降低0.2%。
转换效率
转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻R 时，得到的最大能量转换效率，其定义为， 电池的最大功率输出与入射功率之比。
俄歇复合
载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子空穴 复合时，把多余的能量传给另一个载流子并使之 激发到较高的能级上去，当他重新跃迁到较低的 能级时，多余的能量以声子的形式释放。 载流子的寿命随着掺杂浓度的增加而迅速减小。
表面复合
载流子的寿命在很大程度上 受到半导体表面状态的影响，表 面有促进复合的作用。表面的悬 挂建，杂质及特有的缺陷等在禁 带形成复合中心能级。就复合机 制而言，表面复合仍是间接复合。
tp=1/svtNt tn=1/svtNt tp，tn分别为n型和p型半导体的载流子的寿命， s为复合中心的俘获截面，
vt载流子的热运动的平均速度， Nt为复合中心浓度。
以上说明载流子的寿命与复合中心的种 类有关，截面越大，说明越短，其寿命与 复合中心的浓度成反比，与载流子的热运 动的平均速度成反比。
于是， Pm可以表示为
PmVOC ISC FF
因此，在一定的光照下，为了有尽量大的功率输出，就要获得尽量大的开 路电压VOC、短路电流ISC 和填充因子FF
电池的输出电功率与入射光功率之比 称为光电转换效率，简称效率
Pm VOCISCFF
Pin
Pin
光与半导体的相互作用
当光照到半导体的表面时，有 R+A+T=1（R为反射率，A为吸收率，T为透过率） 对于高效太阳电池而言，反射率越小越好，为了降低反射 率，通常需要使用减反膜或绒面等技术。
r：复合概率，对于特定的材料是一特定的 常数，n0，p0为平衡载流子的浓度。
在小注入的情况下t取决于复合概率。一般 而言带隙越小，温度越高，直接复合的概 率越大，t还与多数载流子的浓度成反比。
间接复合
半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能 级，有促进非平衡载流子复合的作用，使其寿命 明显缩短，这种杂质或缺陷称为复合中心，非平 衡载流子通过这种复合 中心的复合称为间接复合。
Lp Dpp,Ln Dnn
当耗尽区内存在产生或复合电流时，J可用以下经验公式表示
JJs(eqV /KT1)
称为理想因子，表征耗尽区中产ห้องสมุดไป่ตู้或复合电流的影响。当耗尽区存 在产生或复合电流时，1；当耗尽区的产生－复合电流占支配地位时， 近似为2。
也可以用双二极管模型分别表示耗尽区、基区/发射区产生－复合电流的影响。 这时，上式可以用下式表达：
➢ 光 强穿为过Ix，半于导是体有时：会衰Ix=减I，0（入1射-R光）强EX为PI（0,在-a半x）导体内X处的光 a为吸收系数，它 在太阳电池的设计中是非常重要的，它确 定了给定波长的光在离表面多远的地方被吸收掉。
➢ 半导体中的本征吸收是指价带中的电子被激发到导带，在价 带产生空穴，同时伴随光子湮灭的过程。半导体的光吸收取 决于带隙和能带结构。
电池的理想伏安特性为
qV
IILIDILIS(eKT 1)
其中，IS是二极管饱和电流
电池的理想伏安曲线如图所示。图中同时还画出了暗特性曲线，即无光照(IL=0) 时的I-V曲线。
I
V 暗特性
曲线
太阳电池的负载特性曲线如图所示。曲线上的点称为
工作点，随负载的变化而变化。Vm、 Im分别为工作电压、
工作电流。短路时，Vm =0 , Im =ISC, ISC称为短路电流； 开路时，Im =0, Vm = VOC, VOC称为开路电压。
对于直接带隙的半导体当能量大于Eg时， 在吸收边被强烈吸收，具有较大的吸收系 数。
对于间接带半导体由于价带和导带的极 值对应于不同的波矢，在电子吸收光子时， 必须伴随着声子的吸收和发射，所以其吸 收几率比直接带半导体要小的多。
载流子的复合
光照射时会产生电子-空穴对，此时载流子的浓度超过无照 射时的浓度，如果去掉照射，光激发产生的载流子会很快被 复合掉，载流子的浓度会衰减到平衡时的浓度，这个过程被 称为复合过程。因此载流子的寿命很重要。 载流子的寿命取决于复合机理，复合机理主要包括以下几种： 1直接复合 电子在导带和价带之间的直接跃迁而引起的非平衡载流子的复 合过程。 非平衡载流子的寿命(在小注入 的情况下）： t=1/r(n0+p0)
太阳电池的电学特性
短路电流 太阳电池的短路电流等于其光生电流。 开路电压 当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大
小产生电动势
制约光电池转换效率的因素
1禁带宽度
VOC随Eg的增大而增大，但另一方面，JSC随Eg的增大而减小。结 果是可期望在某一个确定的Eg处出现太阳电池效率的峰值。
2温度
随温度的增加，效率η下降。ISC对温度T很敏感，温度还对 VOC起主要作用。
第六章 太阳能电池的基本机构
申俊杰
太阳电池的基本器件方程
1理想PN结的伏安特性 在小注入、耗尽区内无产生—复合电流的情况下，PN结电流密度
JJs(eqV/KT1)
称为PN结的理想方程。其中Js为饱和电流密度：
Js qDppn0 qDnnpo
Lp
Ln
式中D为载流子扩散系数，L为扩散长度，L与D、间的关系为
其中，J01、J02分别为基区/发射区、耗尽区贡献的饱和电流密度
2 同质结太阳电池原理
同质结太阳电池如图所示（n+/p型）。它是在p型硅衬底上形成一个n+型层， 构成一个p-n结。正面的金属栅欧姆接触，称为正电极，背面的大面积欧姆接触，称 为背电极。上表面还覆盖有均匀的减反射层。
I
Isc W
Im没？m
Voc
V
Vm
调节负载电阻到某一值Rm时，曲线上有一点M，满足功率输出Pm最大
Pm ImVm
M点称为电池的最大功率点。直观上讲，即上图中使I-V曲线的内接矩形面 积最大的点
定义填充因子FF来表征电池I-V曲线“方形”的程度，这是衡量太阳电池输出 特性好坏的重要指标之一
FF Pm VOC ISC
对于Si，温度每增加1°C，VOC下降室温值 的0.4%，h也因而降低约同样的百分数。 例如，一个硅电池在20°C时的效率为 20%，当温度升到120°C时，效率仅为 12％。又如GaAs电池，温度每升高1°C， VOC降低1.7mv 或降低0.2%。
转换效率
转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻R 时，得到的最大能量转换效率，其定义为， 电池的最大功率输出与入射功率之比。
俄歇复合
载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子空穴 复合时，把多余的能量传给另一个载流子并使之 激发到较高的能级上去，当他重新跃迁到较低的 能级时，多余的能量以声子的形式释放。 载流子的寿命随着掺杂浓度的增加而迅速减小。
表面复合
载流子的寿命在很大程度上 受到半导体表面状态的影响，表 面有促进复合的作用。表面的悬 挂建，杂质及特有的缺陷等在禁 带形成复合中心能级。就复合机 制而言，表面复合仍是间接复合。
tp=1/svtNt tn=1/svtNt tp，tn分别为n型和p型半导体的载流子的寿命， s为复合中心的俘获截面，
vt载流子的热运动的平均速度， Nt为复合中心浓度。
以上说明载流子的寿命与复合中心的种 类有关，截面越大，说明越短，其寿命与 复合中心的浓度成反比，与载流子的热运 动的平均速度成反比。
于是， Pm可以表示为
PmVOC ISC FF
因此，在一定的光照下，为了有尽量大的功率输出，就要获得尽量大的开 路电压VOC、短路电流ISC 和填充因子FF
电池的输出电功率与入射光功率之比 称为光电转换效率，简称效率
Pm VOCISCFF
Pin
Pin
光与半导体的相互作用
当光照到半导体的表面时，有 R+A+T=1（R为反射率，A为吸收率，T为透过率） 对于高效太阳电池而言，反射率越小越好，为了降低反射 率，通常需要使用减反膜或绒面等技术。
r：复合概率，对于特定的材料是一特定的 常数，n0，p0为平衡载流子的浓度。
在小注入的情况下t取决于复合概率。一般 而言带隙越小，温度越高，直接复合的概 率越大，t还与多数载流子的浓度成反比。
间接复合
半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能 级，有促进非平衡载流子复合的作用，使其寿命 明显缩短，这种杂质或缺陷称为复合中心，非平 衡载流子通过这种复合 中心的复合称为间接复合。
Lp Dpp,Ln Dnn
当耗尽区内存在产生或复合电流时，J可用以下经验公式表示
JJs(eqV /KT1)
称为理想因子，表征耗尽区中产ห้องสมุดไป่ตู้或复合电流的影响。当耗尽区存 在产生或复合电流时，1；当耗尽区的产生－复合电流占支配地位时， 近似为2。
也可以用双二极管模型分别表示耗尽区、基区/发射区产生－复合电流的影响。 这时，上式可以用下式表达：
➢ 光 强穿为过Ix，半于导是体有时：会衰Ix=减I，0（入1射-R光）强EX为PI（0,在-a半x）导体内X处的光 a为吸收系数，它 在太阳电池的设计中是非常重要的，它确 定了给定波长的光在离表面多远的地方被吸收掉。
➢ 半导体中的本征吸收是指价带中的电子被激发到导带，在价 带产生空穴，同时伴随光子湮灭的过程。半导体的光吸收取 决于带隙和能带结构。
电池的理想伏安特性为
qV
IILIDILIS(eKT 1)
其中，IS是二极管饱和电流
电池的理想伏安曲线如图所示。图中同时还画出了暗特性曲线，即无光照(IL=0) 时的I-V曲线。
I
V 暗特性
曲线
太阳电池的负载特性曲线如图所示。曲线上的点称为
工作点，随负载的变化而变化。Vm、 Im分别为工作电压、
工作电流。短路时，Vm =0 , Im =ISC, ISC称为短路电流； 开路时，Im =0, Vm = VOC, VOC称为开路电压。
对于直接带隙的半导体当能量大于Eg时， 在吸收边被强烈吸收，具有较大的吸收系 数。
对于间接带半导体由于价带和导带的极 值对应于不同的波矢，在电子吸收光子时， 必须伴随着声子的吸收和发射，所以其吸 收几率比直接带半导体要小的多。
载流子的复合
光照射时会产生电子-空穴对，此时载流子的浓度超过无照 射时的浓度，如果去掉照射，光激发产生的载流子会很快被 复合掉，载流子的浓度会衰减到平衡时的浓度，这个过程被 称为复合过程。因此载流子的寿命很重要。 载流子的寿命取决于复合机理，复合机理主要包括以下几种： 1直接复合 电子在导带和价带之间的直接跃迁而引起的非平衡载流子的复 合过程。 非平衡载流子的寿命(在小注入 的情况下）： t=1/r(n0+p0)
太阳电池的电学特性
短路电流 太阳电池的短路电流等于其光生电流。 开路电压 当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大
小产生电动势
制约光电池转换效率的因素
1禁带宽度
VOC随Eg的增大而增大，但另一方面，JSC随Eg的增大而减小。结 果是可期望在某一个确定的Eg处出现太阳电池效率的峰值。
2温度
随温度的增加，效率η下降。ISC对温度T很敏感，温度还对 VOC起主要作用。
第六章 太阳能电池的基本机构
申俊杰
太阳电池的基本器件方程
1理想PN结的伏安特性 在小注入、耗尽区内无产生—复合电流的情况下，PN结电流密度
JJs(eqV/KT1)
称为PN结的理想方程。其中Js为饱和电流密度：
Js qDppn0 qDnnpo
Lp
Ln
式中D为载流子扩散系数，L为扩散长度，L与D、间的关系为