第3章 太阳能电池的特性
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“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。
§ 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
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。 JLq0WGxCPxdx
w
q 0
H 0 e x dC P x d x
2021/1/20
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。
第3章 太阳能电池的特性
§ 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。
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。
§ 3.1.4 理想太阳能电池 量子效率
尽管理想的量子效率曲线是矩形的（如上图），但是实际上几
乎所有的太阳能电池的都会因为复合效应而减小。影响收集效率的 因素同样影响着量子效率。例如，顶端表面钝化会影响靠近表面的 载流子的生成，而又因为蓝光是在非常靠近表面处被吸收的，所以 顶端表面的高复合效应会强烈地影响蓝光部分量子效率。相似的， 绿光能在电池体内的大部分被吸收，但是电池内过低的扩散长度将 影响收集概率并减小光谱中绿光部分的量子效率。
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§ 3.1.5 理想太阳能电池 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，而 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。 下图将描述一光谱响应曲线。
光 谱
理想的光谱响应
响 应
能量低于禁带宽度的光 不能被吸收，所以在长
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。
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波长段的光谱响应为零。
硅太阳能电池的响应曲线。
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§ 3.1.5 理想太阳能电池 光谱响应
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。 然而，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。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。
§ 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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§ 3.1.3 理想太阳能电池 收集概率
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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。
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。
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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
ห้องสมุดไป่ตู้
子
效
率
红光响应的降低是由于背表
§ 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
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。 JLq0WGxCPxdx
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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。
第3章 太阳能电池的特性
§ 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。
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。
§ 3.1.4 理想太阳能电池 量子效率
尽管理想的量子效率曲线是矩形的（如上图），但是实际上几
乎所有的太阳能电池的都会因为复合效应而减小。影响收集效率的 因素同样影响着量子效率。例如，顶端表面钝化会影响靠近表面的 载流子的生成，而又因为蓝光是在非常靠近表面处被吸收的，所以 顶端表面的高复合效应会强烈地影响蓝光部分量子效率。相似的， 绿光能在电池体内的大部分被吸收，但是电池内过低的扩散长度将 影响收集概率并减小光谱中绿光部分的量子效率。
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§ 3.1.5 理想太阳能电池 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，而 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。 下图将描述一光谱响应曲线。
光 谱
理想的光谱响应
响 应
能量低于禁带宽度的光 不能被吸收，所以在长
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。
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波长段的光谱响应为零。
硅太阳能电池的响应曲线。
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§ 3.1.5 理想太阳能电池 光谱响应
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。 然而，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。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。
§ 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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§ 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。
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。
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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
ห้องสมุดไป่ตู้
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效
率
红光响应的降低是由于背表