太阳能电池及特性

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：
GR (x) ()N0e ()x
其中N0=表面的光子通量（光子/单位面积.秒）
§4.1.1 光生电流
生成概率：
生成率除去表面生成率()N0 既为生成概率
QR (x)
GR (x)
()N0
e ( )x
光量子通量密度：
1μmol/(m 2 s) 1E
§4.1.2 光电压
光生电压降低了势垒高度，且使势垒区变薄。
因为内建电场阻碍p-n结的扩散电流，所以电场减小的同
时扩散电流增大，产生结电流JF。
流出电池的电流J等于光生电流Jph与结电流JF的差。
J Jph JF
在开路状态下产生的光生电压，称为开路电压VOC。
J ph
JF
J
s
[exp(
光子的数量的比例。
W
QE 0 GR(x)CP(x)dx
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。
§4.1.1 光生电流
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。
(h ) A(h Eg )1/2 ,
0,
h h
Eg Eg
(h )
A[
(h Eg
exp( Ep )
Ep ) 1
2
(h Eg Ep )2
1 exp( Ep )
]
k0T
k0T
§4.1.1 光生电流
生成概率：
1
红外线
0.8
电子空穴对的生成概率
0.6
0.4
红光
0.2
蓝光
0
0
20
40
60
光生电流密度Jph理论极限值/mAcm-2
90
80
70
黑体辐射
60 AM0
50
40
AM1.5
30
20
10 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
禁带宽度Eg/eV
§4.1 PN结的光生伏特效应
§4.1.2 光电压
光照射在p-n结的太阳能电池时，由于光生伏特效应，在 p-n结两端形成与内建电场相反的电动势，即光生电压。
0
10
20
30
40
50
60
光生电流密度Jph/mAcm-2
第4章 太阳能电池及特性
4.1 PN结的光生伏特效应 4.2 PN结太阳能电池特性 4.3 太阳能电池的串并联
§4.2 PN结太阳能电池特性
§4.2.1 理想太阳能电池的伏安特性
太阳能电池的伏安曲线是电池二极管在黑暗时的伏安曲线 与光生电流的叠加。
6.022x1023 x 10-6个光子每秒钟穿过1平方米的面积
§4.1.1 光生电流
生成概率： 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最高。 太阳光是由一系列不同波长的光组成的，而不同波长的生
成率也是不同的。 光的波长越长，能量越小，吸收系数也越小。
实际量子 效率曲线
1.0
量
子
效
率
红光响应降低
蓝光响应减少
理想量子 效率曲线
0
=
hc Eg
波长
§4.1.1 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。
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。
§4.1.1 光生电流
收集概率： 当载流子在与内建电场外的区域产生时，非平衡少数载流 子边扩散边复合，它扩散到内建电场边界的概率，既是收集 概率。在N区产生的空穴的收集概率如式
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。
§4.1.1 光生电流
3. 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方程计算：
qV I I ph ID I ph I0[exp(nkT ) 1]
I：太阳能电池输出电流； I,P4
Iph：光生电流；
I 3.5
SC
I0：p-n结反向饱和电流；
Im 3
2.5
V：太阳能电池输出电压 2
1.5
1
0.5
0 0
Pmax
0.1
0.2
0.3
0.4
V 0.5 m
VOC V0.6
太阳能电池的伏安曲线
SRSi 0.4464
§4.1.1 光生电流
光谱响应： 太阳能电池光谱响应极限值
光谱响应SR极限值
0.8
0.7
0.6
AM0
0.5
黑体辐射
0.4
AM1.5
0.3
0.2
0.1 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
禁带宽度Eg/eV
§4.1.1 光生电流
太阳能电池光生电流密度的理论极限值：
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：
➢ 吸收入射光子并产生电子空穴对； ➢ p-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，阻止它们的复合。
§4.1.1 光生电流
1. 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。
§4.1.1 光生电流
2. 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。
§4.2.1 理想太阳能电池的伏安特性
短路电流Isc ： 将太阳电池短路，V=0，则ID=0，所得电流为短路电流ISC
I SC I ph
短路电流Isc是太阳能电池能输出的最大电流 开路电压Voc ： 太阳能电池开路，输出电流I=0，即Iph=ID：
QE
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。
§4.1.1 光生电流
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。
理想的光谱响应
光
谱
实际光谱响应
由PN结的内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。
§4.1 PN结的光生伏特效应
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。
太阳光
上电极 n型硅 p-n结 p型硅
下电极
§4.1 PN结的光生伏特效应
§4.1.1 光生电流
要发生本征吸收形成光生载流子，光子能量必须大于材料 的禁带宽度Eg。
Eg越大的半导体材料 光生电流密度 理论极限值越小。
§4.1.1 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
光的照射使伏安曲线移到第四象限，意味着能量来自电池 光照电池并加上二极管的暗电流，则二极管的方程变为：
qV
I
I
0
[exp( nk
T
)
1]
I ph
无光照时
式中Iph为光生电流；
n为一个常数因子（正偏
电压大时n为1，正偏电压
小时n为2）
Iph
§4.2.1 理想太阳能电池的伏安特性
理想太阳能电池电流方程：
80
100
入射深度/μm
三种不同波长的光在硅Si材料中的生成率
§4.1.1 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。
1022
GR(x) QR(x)N0
1021
N0 ()e ()xd
W
GR(x) ：生成率
J L q 0 GR(x)CP(x)dx CP(x) ：收集概率
W
JL q 0 (
α( λ) N 0e α ( λ ) x dλ)CP( x)dx
1.0
收集概率
收集概率 生成率
生成率
电池中的距离
§4.1.1 光生电流
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
第4章 太阳能电池及特性
4.1 PN结的光生伏特效应 4.2 PN结太阳能电池特性 4.3 太阳能电池的串并联
§4.1 PN结的光生伏特效应
半导体吸收入射光后，光子的能量使电子跃迁到高能级， 形成非平衡载流子，
提高半导体的载流子浓度，使半导体的电导率增大。 这种由光照引起半导体电导率增加的现象称为光电导。 而通过光激发形成的非平衡载流子很快回到基态， 因此，只能提高半导体的电导率，无法形成电势差。
1020
1019
电子空穴对的生成率/m-3
1018
1017 0
50 100 150 200 250 300
入射深度/μm
标准太阳光在硅Si材料中的总生成率
§4.1.1 光生电流
假设通过光激发生成的所有电子-空穴对全部被收集形成 光生电流，则光生电流密度可如式表示。
JL qGR(wenku.baidu.com) qN0 ()e()xd
I I0eX
式中α为材料的吸收系数，X为光入射到材料的深度，I0为 光在材料表面的功率强度。
§4.1.1 光生电流
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。
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。
§4.1.1 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。
SR
J ph Gin
q hc /
§4.1 PN结的光生伏特效应
太阳能电池内部为非对称结构，即PN结，由于其内建电场 的作用，使光激发的电子在返回基态前，被输运到外部电 路。
通过光激发形成的受激电子和空穴受到内建电场的作用各 自向相反方向运动，受激电子集结在N区中，而空穴集结 在P区，形成与内建电场相反的电动势，称为光生电压， 如将PN结短路，则会出现电流，称为光生电流。
CP(x) p(x) ex / Lp (p)0
(Δp)0为距离耗散区x处，由光注入形成的非平衡少数载流
子浓度;
Δp(x)为扩散到耗散区的非平衡少数载流子浓度； Lp为扩散长度，表示非平衡少数载流子浓度减少至原值的
1/e时所扩散的距离
§4.1.1 光生电流
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。
qDp NA Lp
1 0.8
0.6
0.4
0.2 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
禁带宽度Eg/eV
§4.1.2 光电压
Si和GaAs太阳能电池的开路电压与短路电流密度关系
开路电压VOC理论极限值/V
1
GaAs
AM0
0.9
AM1.5
0.8
Si
0.7
AM0
AM1.5
0.6
0.5
响
应
0
=
hc Eg
波长
§4.1.1 光生电流
光谱响应： 对于太阳能电池，短波长光子的高能量不能完全利用， 而超出长波吸收限的光子只能加热电池，无法产生光生载
流子，导致了显著的能量损失。 在理想状态下，即量子效率QE为1时，对于小于长波吸收
限的可吸收的光谱响应为
SR 0.5 q Eg
而在室温下，硅Si的禁带宽度Eg=1.12eV，因此有
下面的图描述了表面钝化和扩散长度对收集概率的影响。
收 集
概1
率
在耗散区的 收集概率相同
背面
强钝化的 太阳能电池
弱钝化的 太阳能电池
正面
低扩散长度的
高表面复合率的情况下 太阳能电池
其表面的收集概率很低
电池中的距离
§4.1.1 光生电流
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：
qVOC k0T
)
1]
VOC
k0T q
ln( Jph Js
1)
§4.1.2 光电压
光生电压理论极限值：VOC_lim
VOC_lim
VD
Eg q
k0T q
ln（0.052）-
ED
q
-
EA
q
1.8
VOC
VD
k0T q
ln
J s0 J ph
1.6 1.4
1.2
开路电压VOC理论极限值/V
J s0
qDn ND Ln