半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)七太陽能電池解讀

1、太陽能電池電參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理：2、掌握太陽能電池基本特性參數(shù)測試原理與方法；3、通過分析太陽能電池基本特性參數(shù)測試數(shù)據(jù)，進(jìn)一步熟悉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理的方 法，理解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論結(jié)果間不完全一致的原因：二、實(shí)驗(yàn)原理1、光生伏特效應(yīng)常見的太陽能電池從結(jié)構(gòu)上說是一種淺結(jié)深、大面積的pn結(jié)，如圖1所示，它 的匚作原理的核心是光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的一種通性。當(dāng)光照射圖1 Si pn結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)示意到一塊非均勻半導(dǎo)體上時(shí)，由于內(nèi)建電場的作用，在半導(dǎo)體材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢。如 果構(gòu)成適當(dāng)?shù)幕芈肪蜁?huì)產(chǎn)生電流。這種電流叫做光生電流，這種內(nèi)建

2、電場引起的光電效 應(yīng)就是光生伏特效應(yīng)。非均勻半導(dǎo)體就是指材料內(nèi)部雜質(zhì)分布不均勻的半導(dǎo)體。pn結(jié)是典型的一個(gè)例子。 N型半導(dǎo)體材料和p型半導(dǎo)體材料接觸形成pn結(jié)。pn結(jié)根據(jù)制備方法、雜質(zhì)在體內(nèi)分 布特征等有不同的分類。制備方法有合金法、擴(kuò)散法、生長法、離子注入法等等。雜質(zhì) 分布可能是線性分布的，也可能是存在突變的，pn結(jié)的雜質(zhì)分布特征通常是與制備方 法相聯(lián)系的。不同的制備方法導(dǎo)致不同的雜質(zhì)分布特征。根據(jù)半導(dǎo)體物理學(xué)的基本原理我們知道，處于熱平衡態(tài)的一個(gè)pn結(jié)結(jié)構(gòu)由p區(qū)、n 區(qū)和兩者交界區(qū)域構(gòu)成。為了維持統(tǒng)一的費(fèi)米能級，p區(qū)內(nèi)空穴向n區(qū)擴(kuò)散，n區(qū)內(nèi)空 穴向p區(qū)擴(kuò)散。這種載流子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致原來的電中性

3、條件被破壞，p區(qū)積累了帶有負(fù)電 的不可動(dòng)電離受主，n區(qū)積累了不可能電離施主。載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果導(dǎo)致p區(qū)負(fù)電, n區(qū)帶正電，在界面附近區(qū)域形成由n區(qū)指向p區(qū)的內(nèi)建電場和相應(yīng)的空間電荷區(qū)。顯 然，兩者費(fèi)米能級的不統(tǒng)一是導(dǎo)致電子空穴擴(kuò)散的原因，電子空穴擴(kuò)散乂導(dǎo)致出現(xiàn)空間 電荷區(qū)和內(nèi)建電場。而內(nèi)建電場的強(qiáng)度取決于空間電荷區(qū)的電場強(qiáng)度，內(nèi)建電場具有阻 止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步發(fā)生的作用。當(dāng)兩者具有統(tǒng)一費(fèi)米能級后擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和內(nèi)建電場的作用 相等，P區(qū)和n區(qū)兩端產(chǎn)生一個(gè)高度為qV°的勢壘。理想pn結(jié)模型下，處于熱平衡的 pn結(jié)空間電荷區(qū)沒有載流子，也沒有載流子的產(chǎn)生與復(fù)合作用。如圖2所示，當(dāng)有入射光垂直入

4、射到pn結(jié)，只要pn結(jié)結(jié)深比較淺，入射光子會(huì)透 過pn結(jié)區(qū)域甚至能深入半導(dǎo)體內(nèi)部。如果如何光子能量滿足關(guān)系/2之（Eg為半導(dǎo) 體材料的禁帶寬度），那么這些光子會(huì)被材料本征吸收，在pn結(jié)中產(chǎn)生電子孔穴對。 光照條件下材料體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對是典型的非平衡載流子光注入作用。光生我流子對 P區(qū)空穴和n區(qū)電子這樣的多數(shù)教流子的濃度影響是很小的，可以忽略不計(jì)。但是對少 數(shù)載流子將產(chǎn)生顯著影響，如p區(qū)電子和n區(qū)空穴。在均勻半導(dǎo)體中光照射下也會(huì)產(chǎn)生 電子空穴對，它們很快乂會(huì)通過各種復(fù)合機(jī)制復(fù)合。在pn結(jié)中情況有所不同，主要原 因是存在內(nèi)建電場。內(nèi)建電場的驅(qū)動(dòng)下p區(qū)光生少子電子向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，n區(qū)光生少子空 穴向p

5、區(qū)運(yùn)動(dòng)。這種作用有兩方面的體現(xiàn)，第一是光生少子在內(nèi)建電場驅(qū)動(dòng)下定向運(yùn)動(dòng) 產(chǎn)生電流，這就是光生電流，它由電子電流和空穴電流組成，方向都是由n區(qū)指向p區(qū), 與內(nèi)建電場方向一致：第二，光生少子的定向運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反，減弱了擴(kuò)散運(yùn) 動(dòng)的強(qiáng)度，pn結(jié)勢壘高度降低，甚至?xí)耆?。宏觀的效果是在pn結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng) 勢，也就是光生電動(dòng)勢。上述的分析我們發(fā)現(xiàn)光照射pn結(jié)會(huì)使得pn結(jié)勢壘高度降低甚至消失，這個(gè)作用完 全等價(jià)于在pn結(jié)兩端施加正向電壓。這種情況下的pn結(jié)就是一個(gè)光電池。開路下pn 結(jié)兩端的電壓叫做開路電壓Voo閉路下這種pn結(jié)等價(jià)r-一個(gè)電源，對應(yīng)的電流L稱為 閉路電流。光生伏特效應(yīng)是太陽能

6、電池的核心原理，它的機(jī)制就是光能轉(zhuǎn)化為電能，開 路電壓和閉路電流是兩個(gè)基本的參數(shù)。圖2中Ec為半導(dǎo)體電帶，Ev為半導(dǎo)體價(jià)電帶。2、太陽能電池?zé)o光照情況下的電流電壓關(guān)系一（暗特性）太陽能電池是依據(jù)光生伏特效應(yīng)把太陽能或者光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件。如果 沒有光照，太陽能電池等價(jià)于一個(gè)pn結(jié)。通常把無光照情況下太陽能電池的電流電壓 特性叫做暗特性。簡單的處理方式是把無光照情況下的太陽能電池等價(jià)于一個(gè)理想pn 結(jié)。其電流電壓關(guān)系為肖克萊方程：/ = /vexp（）-lkJ其中=+為反向飽和電流。a、D、n、p和L分別為結(jié)Lp面積、擴(kuò)散系數(shù)、平衡電子濃度、平衡空穴濃度和擴(kuò)散長度。根據(jù)肖克萊方程不難發(fā)現(xiàn)

7、正向、反向電壓下，暗條件太陽能電池IV曲線不對稱，這 就是pn結(jié)的單向?qū)ㄐ曰蛘哒f整流特性。對于確定的太陽能電池，其摻雜雜質(zhì)種類、 摻雜計(jì)量、器件結(jié)構(gòu)都是確定的，對電流電壓特性具有影響的因素是溫度。溫度對半導(dǎo)qV【心血片）-”圖3太陽能電池等效電體器件的影響是這類器件的通性。根據(jù)半導(dǎo)體物理原理，溫度對擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散長度、 載流子濃度都有影響，綜合考慮，反向飽和電流為：小6（2嚴(yán)4"號(hào)（一殳）& N.k°TE由此可見隨著溫度升高，反向飽和電流隨著指數(shù)因子exp（-方）迅速增大。旦帶隙 越寬的半導(dǎo)體材料，這種變化越劇烈。半導(dǎo)體材料禁帶寬度是溫度的函數(shù)E, =EJ0） +

8、 ，其中E J0）為絕對零度時(shí)候的帶隙寬度。設(shè)有£4（）=。匕", Vg。是絕對零度時(shí)導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱莶?。由此可以得到含有溫度參?shù)的正向電流電壓關(guān)系為:3+2(V-Vo)I = AJocT 2 expk°T顯然正向電流在確定外加電壓下也是隨著溫度升高而增大的。3、太陽能電池光照情況下的電流電壓關(guān)系（光特性）光生少子在內(nèi)建電場驅(qū)動(dòng)下定向的運(yùn)動(dòng)在PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生了 n區(qū)指向p區(qū)的光生電 流L光生電動(dòng)勢等價(jià)了加載在pn結(jié)上的正向電壓V,它使得PN結(jié)勢壘高度降低qVD -qVo開路情況下光生電流與正向電流相等時(shí)，pn結(jié)處于穩(wěn)態(tài)，兩端具有穩(wěn)定的電勢 差V8，這就是太陽能電

9、池的開路電壓V”。如圖3所示，在閉路情況下，光照作用下會(huì) 有電流流過pn結(jié)，顯然pn結(jié)相當(dāng)于一個(gè)電源。光電流I在負(fù)載上產(chǎn)生電壓降，這個(gè)電壓降可以使pn結(jié)正偏。如圖3所示，正 偏電壓產(chǎn)生正偏電流L在反偏情況下，pn結(jié)電流為隨著二極管正偏，空間電荷區(qū)的電場變?nèi)酰遣豢赡茏優(yōu)榱慊蛘叻雌９怆娏骺?是反向電流，因此太陽能電池的電流總是反向的。根據(jù)圖3的等效電路圖。有兩種極端情況是在太陽能電池光特性分析中必須考慮的。 其一是負(fù)載電阻Rl=O,這種情況下加載在負(fù)載電阻上的電壓也為零，pn結(jié)處于短路狀 態(tài)，此時(shí)光電池輸出電流我們稱為短路電流或者閉路電流ISCOI=Isc=Il其二是負(fù)載電阻Rl f S,外

10、電路處于開路狀態(tài)。流過負(fù)載電阻電流為零，根據(jù)等效電路圖3,光電流正好被正向結(jié)電流抵消，光電池兩端電壓V就是所謂的開路電壓。 顯然有圖4太陽能電池最大功率I = 0 = IL 一 /s exp(kJ-1)1得到開路電路電壓V8為喉=文立1+3) e Is開路電壓Voc和閉路電路1“是光電池的兩個(gè)重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)上這兩個(gè)參數(shù)通過確定 穩(wěn)定光照下太陽能電池IV特性曲線與電流、電壓軸的截距得到。不難理解，隨著光照 強(qiáng)度增大，確定太陽能電池的閉路電流和開路電壓都會(huì)增大。但是隨光強(qiáng)變化的規(guī)律不 同，閉路電路Isc正比于入射光強(qiáng)度，開路電壓Voc隨著入射光強(qiáng)度對數(shù)式增大。從半導(dǎo) 體物理基本理論不難得到這個(gè)結(jié)論

11、。此外，從太陽能電池的工作原理考慮，開路電壓 V不會(huì)隨著入射光強(qiáng)度增大而無限增大的，它的最大值是使得pn結(jié)勢壘為零時(shí)的電壓 值。換句話說太陽能電池的最大光生電壓為pn結(jié)的勢壘高度V。，是一個(gè)與材料帶隙、 摻雜水平等有關(guān)的值。實(shí)際情況下最大開路電壓值與材料的帶隙寬度相當(dāng)。4、太陽能電池的效率太陽能電池從本質(zhì)上說一個(gè)能量轉(zhuǎn)化器件，它把光能轉(zhuǎn)化為電能。因此討論太陽能 電池的效率是必要和重要的。根據(jù)熱力學(xué)原理，我們知道任何的能量轉(zhuǎn)化過程都存在效 率問題，實(shí)際發(fā)生的能量轉(zhuǎn)化過程效率不可能是100%。就太陽能電池而言，我們需要 知道轉(zhuǎn)化效率和哪些因素有關(guān)，如何提高太陽能電池的效率，最終我們期望太陽光電池

12、具有足夠高的效率。太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率定義為輸出電能Pm和入射光能的比值: =100% = 4X100%PinPin其中在I-V關(guān)系中構(gòu)成一個(gè)矩形，叫做最大功率矩形。如圖4光特性l-v曲 線與電流、電壓軸交點(diǎn)分別是閉路電流和開路電壓。最大功率矩形取值點(diǎn)Pm的物理含 義是太陽能電池最大輸出功率點(diǎn)，數(shù)學(xué)上是I - V曲線上坐標(biāo)相乘的最大值點(diǎn)。閉路電 流和開路電壓也自然構(gòu)成一個(gè)矩形，面積為IscV”，定義4區(qū)為占空系數(shù)，圖形中它是 兩個(gè)矩形面積的比值。占空系數(shù)反映了太陽能電池可實(shí)現(xiàn)功率的度量，通常的占空系數(shù) 在0.70.8之間。太陽能電池本質(zhì)上是一個(gè)pn結(jié)，因而具有一個(gè)確定的禁帶寬度。從原理我們得知

13、 只有能量大于禁帶寬度的入射光子才有可能激發(fā)光生載流子并繼而發(fā)生光電轉(zhuǎn)化。因 此，入射到太陽能電池的太陽光只有光子能量高于禁帶寬度的部分才會(huì)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn) 化。Si太陽能電池的最大效率大致是28%左右。對太陽能電池效率有影響的還有其它很 多因素，如大氣對太陽光的吸收、表面保護(hù)涂層的吸收、反射、串聯(lián)電阻熱損失等等。 綜合考慮起來，太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率大致在10%15%之間。為了提高單位面積的太陽能電池電輸出功率，可能采取的辦法中通過光學(xué)透鏡集中 太陽光是有效的。太陽光強(qiáng)度可以提高幾百倍，閉路電流線性增大，開路電流指數(shù)式增 大。不過具體的理論分析發(fā)現(xiàn)，太陽能電池的效率隨著光照強(qiáng)度增大是不是急劇增

14、大的, 而是有輕微增大。但是考慮到透鏡價(jià)格相對于太陽能電池低廉，因?yàn)橥哥R集中也是一個(gè) 有優(yōu)勢的技術(shù)選擇。圖5實(shí)測太陽能電池暗特性曲線圖5給出了對某種商用太陽能電池板室溫下（25C）實(shí)際測量得到的暗特性I-V 曲線。25圖6實(shí)測太陽能電池光特性曲線圖6是對某種商用太陽能電池板室溫下（25C）、150W流燈光源直接照射下得到 的光特性IV曲線、功率曲線和最大功率矩形示意圖。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備本實(shí)驗(yàn)選用杭州大華儀器制造有限公司生產(chǎn)的DH6521A型多功能太陽能電池綜合特 性測試儀，設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖7所示。設(shè)備包括光源與太陽能電池、光路和溫度控制裝置外 電路三個(gè)部分。1、光源與太陽能電池部分采用高壓包燈光源，高

15、壓頷燈具有與太陽光相近的光譜分布特征。光源標(biāo)稱功率 150W出射光孔徑為50mm,圖8為流燈電源，包氣燈作為光源也可以用作其它實(shí)驗(yàn)的 研究；太陽能電池采用普通商用單晶Si太陽能電池，實(shí)物如圖9所示，標(biāo)稱開路電壓 4.5V,受光面積43mmx43mm.老師也可以研究多晶、非晶、納米等太陽能電池的基本 特性。圖7設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖圖8包:燈電源面板圖圖9單晶硅太陽能電池板2、光路部分本設(shè)備光路由有效通光孔徑056mm的準(zhǔn)直透鏡、組合式濾色片組成。準(zhǔn)直透鏡用 于產(chǎn)生平行入射光束，光強(qiáng)度部分通過調(diào)節(jié)流燈電壓來實(shí)現(xiàn)，通過波長分別為365nm、 405nm、436nm、546nm、577nm的濾色片用于產(chǎn)生近

16、似的單色光來研究太陽能電池的 光譜響應(yīng)特性。各部分均可以調(diào)節(jié)至實(shí)驗(yàn)所需要的最佳位置，調(diào)節(jié)凸透鏡時(shí)，須先將流 燈應(yīng)與光路部分對接，再將包燈點(diǎn)亮，用萬用表監(jiān)視信號(hào)輸入/輸出口（為太陽能電池 的輸出口）的電源輸出值，凸透鏡起始位置在靠近光源處（入光口），當(dāng)凸透鏡調(diào)至某 一合適位置，其輸出電壓值為最大，此時(shí)，該位置便為最佳位置。實(shí)驗(yàn)時(shí)，便不要再去 移動(dòng)凸透鏡。濾色片的位置靠近太陽能電池處（出光口）。3、溫度控制及外電路電源本設(shè)備包括溫度控制裝置和直流電源，溫度控制裝置圖10,溫度控制箱面板圖11,PtlOO溫度變換器圖12,直流電源面板圖13。圖10 溫度控制裝置面板示意圖nicertiw圖11溫度控

17、制箱面板示意圖HZDH'MXRSMMea百僧可做DH6S2I60審區(qū)過中-圖12 PtlOO溫度變換器示意圖圖13直流電源面板示意圖溫控部分的加入主要是用來研究溫度對太陽能電池特性的影響。溫度可在室溫 80c間選擇，加熱電流可調(diào)。太陽能電池特性測試部分包括太陽能電池暗特性、光特性的測試。暗特性測試電壓 范圍。±30V用于暗特性的正偏、反偏測試。光特性測試中電流表量程2A,最小電流 分辨率IRV電壓量程30V,最小電壓分辨率0.01V。負(fù)載電阻變化范圍99999.9 C。 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟連接好沅燈箱電源紋（在箱后側(cè)）；將多功能太陽能電池綜合特性測試儀設(shè)備（黑 色）輸出I與包

18、燈箱上的輸出I對應(yīng)，該路為流燈電源；輸出II與流燈箱上的輸出II對 應(yīng)，該路為風(fēng)扇電源-AC220V。在打開電源之前，一定要檢查輸出II是否已經(jīng)接好，并將 光強(qiáng)調(diào)節(jié)擰到最大，否則難以觸發(fā)流燈。如果風(fēng)扇不能正常工作，請立即關(guān)閉電源，以 免內(nèi)部因溫度過高燒壞燈泡。實(shí)驗(yàn)完畢之后，拔出輸出I端的電源線，輸出II保留著， 讓風(fēng)扇繼續(xù)工作，有利于飪燈均勻降溫。溫度控制裝置DH6521A Ptl00（ 1 ）輸出端（兩芯航空座）與右邊的Ptl00（ I ）口 （兩 芯航空座）相對應(yīng)，后側(cè)有一根輸出線與太陽能加熱電源連接，按住溫度控制裝置DH6521A溫控表頭上的SET鍵一次，數(shù)碼管顯示會(huì)處于閃爍狀態(tài)，可以進(jìn)

19、行溫度設(shè)置（設(shè) 定最高溫度），按移位鍵，再按設(shè)置鍵，,進(jìn)行溫度增加或者減小，最小分辨率為 注意：加熱溫度不宜設(shè)置過高，一般不超過100C,以免對加熱設(shè)備造成毀滅性損壞。數(shù)碼管顯示的是加熱箱里的內(nèi)部溫度，但不是我們太陽能電池里面的空腔溫度，其溫度 值只作為參考用。加熱時(shí)，可以增大加熱電流，以縮短加熱時(shí)所需的時(shí)間：右邊的 Ptl00（ II）口接在PtlOO溫度變換器IN端，OUT輸出的為電壓值，用萬用表進(jìn)行測量，LC =10mVo右邊的信號(hào)輸入/輸出I I,為太陽能電池的輸出口，在做暗特性實(shí)驗(yàn)時(shí)，直流 電源信號(hào)從此信號(hào)口輸入，做光照特性時(shí)，太陽能電池電壓信號(hào)從此信號(hào)口輸出。1、太陽能電池暗特性測

20、試特性測試不需要開啟光源。按圖14連接電路c注意：測試反偏電壓V下通過太陽 能電池的電流I，電壓范圍-300V：測試正向偏壓下通過太陽能電池的電流I,電壓范 圍。30V,（通過極性切換開關(guān)，可以得到極性相反的電壓。）匯總測試數(shù)據(jù)形成I-V特性曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排測量不同溫度下的特性曲線。 根據(jù)理想pn結(jié)電流電壓方程對正偏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬和。（只測試一個(gè)溫度下的特性曲 線即可）測試中根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)規(guī)律適當(dāng)分配數(shù)據(jù)點(diǎn)密集程度。實(shí)驗(yàn)測試電路如圖14所示：圖14暗特性實(shí)驗(yàn)電路圖說明:D為太陽能電池暗特性時(shí)的表示符號(hào)，接信號(hào)輸入、輸出口（三芯航空座， 四根線，紅色為正，黑色為負(fù)）；R為電阻箱（0Q-lll.

21、lllkQ） ； E為外接直流電源 （極性可以切換）：V、mA均為四位半數(shù)字萬用表。2、太陽熊電池光照特性測試2.1 光照特性實(shí)驗(yàn)時(shí)，先進(jìn)行光路部分的高度調(diào)節(jié)：接好包燈電源的連接線，打開 就燈電源，可以看到有一束光射進(jìn)箱內(nèi)，先將凸透鏡與入光口的高度保持一致，再調(diào)節(jié) 濾色片的高度與出光口的高度一致：2.2 光路最佳位置的調(diào)節(jié)：按圖14實(shí)驗(yàn)電路圖接線，將電阻箱開路，微調(diào)凸透鏡 的前后左右位置，使其輸出數(shù)字萬用表的電壓值顯示為最大，（實(shí)驗(yàn)時(shí)電壓一直在變 化？）濾色片位置可以不變，即貼在出光口上。加熱部分有三個(gè)可用來調(diào)節(jié)水平的銅質(zhì) 螺釘，其作用可使加熱箱能與光路箱緊貼。2.3 光照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）按圖1

22、5連接電路，不加載濾色片、光強(qiáng)度最大條件下通過改變負(fù)載電阻來測 試太陽能電池I V特性曲線，匯總數(shù)據(jù)形成I-V特性曲線，然后根據(jù)特性曲線求解出 開路電壓Voc、閉路電流做 最大功率約在1500。左右：（2）（選做）不加載濾色片，在兩種不同光強(qiáng)下測量IV特性，得到不同光強(qiáng)下 的I-V特性曲線、開路電壓、閉路電流數(shù)據(jù)；最大功率約在2K25KQ左右：（3）（選做）最大光強(qiáng)下，加載不同濾色片，測量LV特性，得到不同單色光照 情況下的I-V特性曲線、開路電壓、閉路電路數(shù)據(jù)：365nm最大功率約在70KQ左右, 405nm最大功率約在5KC左右，436nm最大功率約在70K Q左右，546nm最大功率約 在6KC左右，577nm最大功率約在5KQ左右：（4）（選做）不同溫度下（包括升溫和降溫實(shí)驗(yàn)）的重復(fù)（1）得到不同溫度下IV 特性曲線、開路電壓、閉路電流數(shù)據(jù)。（5）數(shù)據(jù)采集部分詳細(xì)操作在軟件的幫助說明文件里面。對比光強(qiáng)度、濾色片、溫度對太陽能電池的LV特性的影響