太陽(yáng)能電池研究報(bào)告

1、 太陽(yáng)能電池目錄摘要.2關(guān)鍵詞.2引言.2太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)介.2PN結(jié).4（1）pn結(jié)及其能帶圖.4（2） PN結(jié)的電場(chǎng)與電勢(shì).6（3）PN結(jié)的耗盡層的計(jì)算.7（4）PN結(jié)中的電流.7（5）光照下的PN結(jié). .9太陽(yáng)能電池的等效電路.11太陽(yáng)能電池的效率的分析.11提高太陽(yáng)能電池效率的方法.12太陽(yáng)能電池的材料.13（一）硅基太陽(yáng)能電池.13（二）、多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池.14（三）、第三代太陽(yáng)能電池.14結(jié)語(yǔ).15參考文獻(xiàn).15摘要太陽(yáng)能利用的關(guān)健是太陽(yáng)能的捕獲與轉(zhuǎn)換,大陽(yáng)能轉(zhuǎn)換形式有多種,但最基本的是通過(guò)光敏材料將大陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能和化學(xué)能。本文主要介紹太陽(yáng)能電池的原理，從太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵結(jié)

2、構(gòu)PN結(jié)進(jìn)行介紹，主要針對(duì)PN 結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)以及其伏安特性和PN結(jié)中載流子的情況。最后討論太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率的影響因素以及太陽(yáng)能電池的材料介紹。關(guān)鍵詞太陽(yáng)能電池、能帶、PN結(jié)、載流子、效率、材料 引言 隨著傳統(tǒng)能源的枯竭以及人們對(duì)于環(huán)保的要求我們?cè)絹?lái)越重視開(kāi)發(fā)新能源和利用可再生能源。太陽(yáng)能作為一種清潔的能源對(duì)其的利用是當(dāng)今的一大熱題，我國(guó)作為太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)大國(guó)所以我們對(duì)于太陽(yáng)能電池的研究是很有必要的，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池的研究我們可以了解其工作的深成原理，有助于我們開(kāi)發(fā)新的材料以及提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，是我們從生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的大國(guó)變?yōu)榧夹g(shù)大國(guó)，就可以避免其他國(guó)家的經(jīng)濟(jì)制裁。太陽(yáng)能電池是一種

3、大面積的不加偏壓pn結(jié)器件，這些器件以高效率把太陽(yáng)電磁輻射的能量直接轉(zhuǎn)換為電能，可以長(zhǎng)期為人們提供動(dòng)力，最常見(jiàn)的就是人造衛(wèi)星以及其他太空飛行 器中使用，近年來(lái)在道路照明以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電方面也得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹太陽(yáng)能電池的原理以及太陽(yáng)能電池的效率的影響。一、太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介太陽(yáng)電池工作時(shí)必須具備下述條件：首先，必須有光的照射，可以是單色光、太陽(yáng)光或模擬太陽(yáng)光等；其次，光了注入到半導(dǎo)體內(nèi)后，激發(fā)出電子空穴對(duì)，這些電子和字穴應(yīng)該有足夠長(zhǎng)的壽命，在分離之前不會(huì)復(fù)合消失；第三，必須有一個(gè)靜電場(chǎng)，電子空穴在靜電場(chǎng)的作用下分離，電子集中在一邊空穴集中征另一邊；第四被分離的電子和空穴由電極收集，輸出到

4、太陽(yáng)電池外，形成電流。太陽(yáng)能電池最常見(jiàn)的就是單晶硅太陽(yáng)能電池，如下圖1就是其典型結(jié)構(gòu)，其核心部分是一個(gè)n區(qū)很薄的pn結(jié)，襯底用p型材料，因?yàn)閜型硅中的少數(shù)載流（電子）子的擴(kuò)散長(zhǎng)度比n型硅中的擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)。在表面涂抗反射涂層作用為減少太陽(yáng)光的反射，使入射光投射到硅中的比例大大提高（達(dá)到80%90%），常用的材料有Si3N4、TiO2、Ta2O5等涂層厚度約為光在其中的四分之一波長(zhǎng)正電極用指狀條形歐姆接觸。由于金屬反射光，所以表面電極占據(jù)的面積越大，太陽(yáng)能電池的效率低，但是但面積小時(shí)因?yàn)殡娏髁鲃?dòng)的電阻大，效率也會(huì)下降，所以應(yīng)當(dāng)把電極寬度和電極間距設(shè)計(jì)成最佳值。 太陽(yáng)能電磁輻射覆蓋由紫外光到紅外光（0

5、.23m）的波長(zhǎng)范圍，太陽(yáng)光的能量是以光子來(lái)輻射的，只有光子能量hv大于半導(dǎo)體能隙Eg（或者波長(zhǎng)小于半導(dǎo)體光吸收的波長(zhǎng)）的光才能被半導(dǎo)體吸收。hv<Eg的光只能透過(guò)去浪費(fèi)掉了，Si具有較小的能隙，所以可以吸收波長(zhǎng)更短的光；但是，hv>Eg的光只能取出能量與Eg相當(dāng)?shù)牟糠郑鴋vEg的能量通過(guò)放出聲子進(jìn)而與晶格碰撞轉(zhuǎn)換成熱能損失掉了。因而GaAs等能隙較大的半導(dǎo)體比硅更具有優(yōu)勢(shì)，能夠吸收更多的能量。綜合來(lái)看有一個(gè)最佳的Eg使得能量的轉(zhuǎn)換的效率最高。據(jù)分析表明Eg的最佳值為1.4eV，這個(gè)值與GaAs的帶隙接近，GaAs已經(jīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率高于25%的太陽(yáng)能電池，而目前最好的硅電池的性能也

6、已經(jīng)接近這個(gè)水平。族化合物及其合金可以提供許多禁帶寬度不同但晶格常數(shù)十分接近的材料，非常適合制作串聯(lián)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，例如AlAs/GaAs、GaInP/GaAs、InP/GaInAs類(lèi)的疊成電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空間飛行器供電，這些電池的效率較高而且抗宇宙輻射損傷的能力強(qiáng)，但是成本較高，二者相互補(bǔ)償。硅是太陽(yáng)能電池中最重要的半導(dǎo)體材料，它無(wú)毒而且是地殼中含量?jī)H次于氧的元素，即使大量的使用也不會(huì)造成環(huán)境污染或是資源衰竭的危險(xiǎn)；而且硅廣泛應(yīng)用于微電子工業(yè)，已經(jīng)有了完備的技術(shù)基礎(chǔ)。制作硅太陽(yáng)能電池的硅片的電阻率、厚度、制作PN結(jié)的摻雜濃度、溫度和時(shí)間等對(duì)光譜響應(yīng)有很大的影響，也對(duì)太陽(yáng)電他的轉(zhuǎn)換效率行很

7、大影響。大約入射光能量的40可有效地用于產(chǎn)生在晶格中運(yùn)動(dòng)的自由電子和空穴。如圖1所示描繪了器件的物理結(jié)構(gòu)以及在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中起支配作用的電子傳輸過(guò)程。電池主體內(nèi)一層厚的P型基區(qū)構(gòu)成，這里吸收了絕大部分的入射光并產(chǎn)生絕大部分的功率。吸收光后，產(chǎn)生的載流子則由電池正反面的金屬電極收集，當(dāng)外電路形成回路時(shí)，光生電于朝著太陽(yáng)電池正表面的柵線運(yùn)功，空穴朝著背電極運(yùn)動(dòng)。如果電子在運(yùn)動(dòng)到柵線之前沒(méi)有被缺陷或者雜質(zhì)復(fù)合，就被柵線收集，形成電流流到外電路，驅(qū)動(dòng)電器。電子從太陽(yáng)電他的背面進(jìn)入，和空穴復(fù)合，在光照射的情形下，此過(guò)程在太陽(yáng)電池中不斷重復(fù)。PN結(jié)（1）pn結(jié)及其能帶圖Pn結(jié)是在一塊半導(dǎo)體單晶片中用摻雜的

8、辦法做成兩個(gè)導(dǎo)電類(lèi)型不同的部分，一般pn結(jié)的兩側(cè)是用同一種材料做成（如Ge、Si、GaAs等），稱(chēng)為同質(zhì)節(jié)。如果把兩種不同的材料做成一塊單晶稱(chēng)為異質(zhì)結(jié)，結(jié)的兩側(cè)導(dǎo)電類(lèi)型由摻雜來(lái)控制。異質(zhì)結(jié)最重要的是晶格常數(shù)的匹配，否則會(huì)出現(xiàn)缺陷，而且異質(zhì)結(jié)會(huì)出現(xiàn)界面態(tài)。兩種材料禁帶寬度的不同以及其他特性不同的使異質(zhì)結(jié)具有一些列同質(zhì)結(jié)所沒(méi)有的特性，所以在器件的設(shè)計(jì)上將得到同質(zhì)結(jié)不能實(shí)現(xiàn)的功能。因?yàn)榻M成異質(zhì)結(jié)的兩種材料的晶格常數(shù)不同，當(dāng)它們生成同一種單晶時(shí)，晶格的周期性在界面處發(fā)生畸變，形成位錯(cuò)與缺陷。這些位錯(cuò)與缺陷將成為少數(shù)載流子的復(fù)合中心。PN結(jié)的制作方法主要有合金法、擴(kuò)散法、離子注入法和薄膜生長(zhǎng)法，其中最常

9、用的方法就是擴(kuò)散法。通過(guò)雜質(zhì)的擴(kuò)散，在基質(zhì)材料上形成一層與基質(zhì)材料導(dǎo)電類(lèi)型相反的材料層；就構(gòu)成了一個(gè)PN結(jié)。單獨(dú)存在的N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體是電中性的。起初兩邊載流子濃度是不同的，P區(qū)多子為空穴，N區(qū)多子為電子，存在濃度梯度，N區(qū)的多子電子向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)的多子空穴向N區(qū)擴(kuò)散，其結(jié)果是在N區(qū)留下了不可移動(dòng)的帶正電的電離施主，在P區(qū)留下了不可移動(dòng)的帶負(fù)電的電離受主，形成一個(gè)電荷存在的區(qū)域，稱(chēng)為空間電荷區(qū)。而這些電離施主和電離受主所帶的電荷稱(chēng)為空間電荷?？臻g電荷區(qū)中的空間電荷產(chǎn)生了從正電荷到負(fù)電荷，即從N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng)，稱(chēng)為內(nèi)建電場(chǎng)，如圖2所示。 在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，載流子做漂移運(yùn)動(dòng)。顯然，載流

10、子擴(kuò)散的趨勢(shì)和漂移的趨勢(shì)是相反的。隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，空間電荷數(shù)量會(huì)增多，空間電荷區(qū)擴(kuò)展，內(nèi)建電場(chǎng)增大，載流子漂移趨勢(shì)增強(qiáng)。若半導(dǎo)體沒(méi)有受到外界作用，載流子擴(kuò)散的趨勢(shì)和漂移的趨勢(shì)最終會(huì)相互抵消，空間電荷的數(shù)量一定，空間電荷區(qū)保持一定的寬度，其中存在一定的內(nèi)建電場(chǎng)。一般稱(chēng)這種情況為熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)。正因?yàn)榭臻g電荷區(qū)內(nèi)不存在任何可以移動(dòng)的電荷，所以該區(qū)又稱(chēng)為耗盡區(qū)。而空間電荷區(qū)兩端由于不帶電荷而稱(chēng)為中性區(qū)。當(dāng)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體材料組成PN結(jié)時(shí)，由于空間電荷區(qū)導(dǎo)致的電場(chǎng)，在N結(jié)處能帶發(fā)生扭曲，此時(shí)導(dǎo)帶底能級(jí)、價(jià)帶頂能級(jí)、本征費(fèi)米能級(jí)和缺陷能級(jí)都發(fā)在了彎曲。動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的費(fèi)米

11、能級(jí)是相同的。因此，在平衡PN結(jié)的空間電荷區(qū)兩端的電勢(shì)差UD就等于原來(lái)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)之差。由以上可知，PN結(jié)的N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的摻雜濃度越高，兩者的費(fèi)米能級(jí)相差越大，禁帶越寬，PN結(jié)的接觸電勢(shì)差UD就越大。在PN結(jié)的空間電荷區(qū)中能帶發(fā)生彎曲(PN結(jié)形成前后的能帶結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示（同質(zhì)結(jié)）、圖4（異質(zhì)結(jié)）)(出現(xiàn)尖峰是由于能帶在界面處不連續(xù)引起的，尖峰的出現(xiàn)阻礙電子向?qū)拵б粋?cè)運(yùn)動(dòng)。尖峰出現(xiàn)的位置由兩側(cè)材料相對(duì)摻雜濃度決定，隨著寬禁帶一側(cè)摻雜濃度的增加，尖峰的位置將從由勢(shì)壘頂部向根部移動(dòng)，呈下降趨勢(shì))這是空間電荷區(qū)中電勢(shì)能變化的結(jié)果。因能帶彎曲，電子從勢(shì)能低助N區(qū)向勢(shì)能

12、高的P區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須克服這一勢(shì)能“高坡”，才能到達(dá)P區(qū)；同理，空穴也必須克服這一勢(shì)能“高坡”，才能從P區(qū)到達(dá)力區(qū)。這一勢(shì)能“高坡”通常稱(chēng)為PN結(jié)的勢(shì)壘，故空間電荷區(qū)也稱(chēng)勢(shì)壘區(qū)。平衡PN結(jié)的空間電荷區(qū)兩端的電勢(shì)差UD，稱(chēng)為PN結(jié)的接觸電勢(shì)差或內(nèi)建電勢(shì)差。相應(yīng)的電子電勢(shì)能之差即能帶的彎曲量qUD，稱(chēng)為PN結(jié)的勢(shì)壘高度。對(duì)于同質(zhì)結(jié)勢(shì)壘高度正好補(bǔ)償了N區(qū)和P區(qū)費(fèi)米能級(jí)之差，使平衡PN結(jié)的費(fèi)米能級(jí)處處相等，因此 通過(guò)以上式子表明同質(zhì)結(jié)UD與PN結(jié)兩側(cè)的摻雜濃度、溫度以及材料本身有關(guān)對(duì)于異質(zhì)結(jié)時(shí)總電勢(shì)差VD是由兩種材料的費(fèi)米能級(jí)決定的 VD =1 2 = VD1 + VD2 （為費(fèi)米能級(jí)到真空的距離)通過(guò)

13、計(jì)算最后可以得出qNA（X0-X1）=qND (X2 - X0)其物理意義為界面兩側(cè)耗盡區(qū)中電荷數(shù)相等，即電中性條件，于是可以得到與同質(zhì)結(jié)相似，耗盡區(qū)寬度與摻雜的濃度呈反比，耗盡區(qū)主要落在雜質(zhì)少的一側(cè)。 （2） PN結(jié)的電場(chǎng)與電勢(shì)上圖為PN結(jié)中電荷密度的分布情況，由泊松方程對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行積分可得：令X=-Xp處E=0可以得到C1=-Xp可以得到P區(qū)的電場(chǎng)為 同理可得如圖6所示，同理可以得到異質(zhì)結(jié)的電場(chǎng)如圖7所示對(duì)電場(chǎng)積分可以得到P區(qū)的電勢(shì)分布令X=Xp處UX=0可以得到電勢(shì)（同質(zhì)結(jié)）的表達(dá)式為可以求出電勢(shì)差為同理得出異質(zhì)結(jié)電勢(shì)為 （3）PN結(jié)的耗盡層的計(jì)算 （同質(zhì)結(jié)）在X0處電場(chǎng)面數(shù)是連續(xù)的，將X

14、0代入電場(chǎng)公式中并令它們相等，可以得NAXP=NDXn。然后根據(jù)電勢(shì)差公式，求得N型和P型區(qū)內(nèi)空間電荷區(qū)的寬度分別為總空間電荷區(qū)寬度為 當(dāng)為異質(zhì)節(jié)時(shí)，因?yàn)镻N結(jié)兩側(cè)的材料不同，所以介電系數(shù)不同，只需將二者的介電系數(shù)加上即可其表達(dá)式為當(dāng)有在外加電壓時(shí)，勢(shì)壘將降低，只需要用UD減去外加電壓變?yōu)椋║DVa）即可。因此摻雜濃度降低時(shí)耗盡區(qū)寬度增加，這意味著具有寬的耗盡區(qū)，從而有利于載流子的收集，又有高摻雜水平，從而有利于電池電壓的提高，這樣的PN結(jié)是不可能的。設(shè)計(jì)的需要在各種影響因素之間相互妥協(xié)。（4）PN結(jié)中的電流在PN結(jié)中，多數(shù)載流子向少數(shù)載流子一側(cè)擴(kuò)散，少數(shù)載流子向多數(shù)載流子一側(cè)漂移從而實(shí)現(xiàn)載流

15、子的定向移動(dòng)，形成擴(kuò)散電流。電子在由N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散的過(guò)程中“遇到”勢(shì)壘的阻擋而滯留在了N區(qū)，同樣空穴在出P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散的過(guò)程中“遇到”勢(shì)壘的阻擋而滯留在了P區(qū)。勢(shì)壘維持了熱平衡。 當(dāng)給PN結(jié)加電壓時(shí)，PN結(jié)的勢(shì)壘高度會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)加正向電壓時(shí)（P區(qū)為正、N區(qū)為負(fù)），正向偏壓在勢(shì)壘區(qū)中產(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，因而減弱了勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)強(qiáng)度，勢(shì)壘區(qū)的寬度減小，勢(shì)壘高度由qUD降低為q(UDU)。降低了的勢(shì)壘高度意味著對(duì)電子和空穴的阻擋作用減弱了，引起電子經(jīng)空間電荷區(qū)繼續(xù)向P區(qū)擴(kuò)散，同樣空穴經(jīng)空間電荷區(qū)繼續(xù)向N區(qū)擴(kuò)散。電荷的流動(dòng)在PN結(jié)內(nèi)形成了電流。 反向偏壓在勢(shì)壘區(qū)中產(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向一

16、致，勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)增強(qiáng)，勢(shì)壘區(qū)變寬，勢(shì)壘高度增加到q(UD + U)。增加了的勢(shì)壘高度意味著對(duì)電子和空八的阻擋作用增強(qiáng)，阻止電子與空穴的運(yùn)動(dòng)，因此，PN結(jié)內(nèi)基本上沒(méi)有電荷的流動(dòng)，也就是基本上沒(méi)有電流。加正向電壓前,P區(qū)的電子與空穴濃度為：np0 = ni exp(EFEi)/KT pp0= ni exp(EiEF)/KT np0 pp0= ni2有外加電壓時(shí)：np1=ni exp（EFNEi） pp1= niexp（EiEFP） np1 pp1= ni2（EFNEFP）EFN、EFP分別為電子與空穴的等效費(fèi)米能級(jí) EFNEFP=Va（即外加正向電壓）所以P區(qū)邊界上的電子濃度為：np1=（ni2

17、/ p1）exp(q Va/ KT)= ni exp(q Va/ KT) 因?yàn)镻區(qū)的多子是空穴，在小信號(hào)的情況下p0 p1近似相等。同理可以得到N區(qū)的空穴濃度為：pn1= pn0 exp(q Va/ KT) 利用穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程求解可得：JP=qDPPn0（exp(q Va/ KT)1）/Lp （L=D） Jn=- qDnnp0（exp(q Va/ KT)1）/Ln 二者的方向是相反的所以總電流為二者相加J= JP+ Jn 即PN結(jié)的伏安特性，在總電流中電子電流與空穴電流之比稱(chēng)為注入比（5）光照下的PN結(jié) 當(dāng)PN結(jié)受到光照時(shí)，樣品對(duì)光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。但能引起光伏效應(yīng)的只

18、能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因?yàn)镻區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，以及N區(qū)產(chǎn)生的光生電子都屬于多子，都被勢(shì)壘阻擋而不能過(guò)結(jié)。只有P區(qū)的光生電子、N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)(少子)擴(kuò)散到結(jié)電場(chǎng)附近時(shí)能在內(nèi)建電場(chǎng)作用下漂移過(guò)結(jié)。光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離。這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個(gè)與熱平衡PN結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場(chǎng)使勢(shì)壘降低，其減小量即光生電勢(shì)差，P端正，N端負(fù)。于是有結(jié)電流內(nèi)P區(qū)流向N區(qū)，其方向與光電流相反。光激發(fā)半導(dǎo)體形成電子空穴對(duì)示意圖如圖10所示。 實(shí)際上并非所產(chǎn)生

19、的全部光生載流子都對(duì)光生電流有貢獻(xiàn)。設(shè)N區(qū)中空穴在壽命p（空穴產(chǎn)生到復(fù)合的時(shí)間、復(fù)合可分為直接復(fù)合與間接復(fù)合）的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為L(zhǎng)P（在壽命時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散的距離），P區(qū)中電子在壽命n的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為L(zhǎng)n。Ln+LpL遠(yuǎn)大于PN結(jié)本身的寬度，所以，可以認(rèn)為在結(jié)附近平均擴(kuò)散距離L內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子都對(duì)光生電流有貢獻(xiàn)。而產(chǎn)生的位置與結(jié)區(qū)的距離超過(guò)L的電子空穴對(duì)，在擴(kuò)散過(guò)程中將全部復(fù)合掉，對(duì)PN結(jié)光電效應(yīng)無(wú)貢獻(xiàn)。 半導(dǎo)體的光吸收。半導(dǎo)體對(duì)光的吸收主要由半導(dǎo)體材料的禁帶寬度所決定。對(duì)一定禁帶寬度的半導(dǎo)體，頻率小的低能量光子，半導(dǎo)體對(duì)它的吸光程度小，大部分光都能穿透；隨著頻率變高，半導(dǎo)體吸收光的能力急劇增

20、強(qiáng)。實(shí)際上，半導(dǎo)體的光吸收由各種因素決定，這里僅考慮在太陽(yáng)電池上用到的電子能帶間的躍遷。一般禁帶寬度越寬，對(duì)某個(gè)波長(zhǎng)的吸收系數(shù)就越小。除此以外，光的吸收還依賴(lài)于導(dǎo)帶、價(jià)帶的態(tài)密度。詳細(xì)劃分為兩種情況：光為價(jià)帶電子提供能量，直接使它躍遷到導(dǎo)帶，在躍遷過(guò)程中，能量和動(dòng)量守恒，對(duì)沒(méi)有聲子參與的情況，即不伴隨有動(dòng)量變化的躍遷稱(chēng)為直接躍遷；反之，伴隨聲子的躍遷稱(chēng)為間接躍遷。所以，制造太陽(yáng)電池時(shí)，用直接躍遷型材料（價(jià)帶頂與導(dǎo)帶底在同一個(gè)波矢K值），即使厚度很薄，也能充分地吸收太陽(yáng)光，而用間接躍遷型材料，沒(méi)有一定的厚度，就不能保證光的充分吸收。但是，作為太陽(yáng)電池必要的厚度，并不是僅僅由吸收系數(shù)來(lái)決定的，它與

21、少數(shù)載流子的壽命也有關(guān)系，當(dāng)半導(dǎo)體摻雜時(shí)，吸收系數(shù)將向高能量一側(cè)發(fā)生偏移。與熱平衡時(shí)比較有光照時(shí)，PN結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)附加電流(光電流)Ip，其方向與PN結(jié)反向飽和電流I0相同，且Ip I0光照下的PN結(jié)外電路開(kāi)路時(shí)P端對(duì)N端的電壓，即上式電流方程中I=0時(shí)的U為開(kāi)路電壓，用符號(hào)U0C表示。（令I(lǐng)p=SE）光照下的PN結(jié)，外電路短路時(shí)，從P端流出，經(jīng)過(guò)外電路，從N端流入的電流稱(chēng)為短路電流，用符號(hào)ISC表示，即上述電流方程中U=0時(shí)的I值，因此可得ISC=SE。 在一定溫度下，U0C與光照度成對(duì)數(shù)關(guān)系，但最大值不超過(guò)接觸電勢(shì)差UD。弱光照下，ISC與光照度有線性關(guān)系。無(wú)光照時(shí)的熱平衡態(tài)，半導(dǎo)體有統(tǒng)

22、一的費(fèi)米能級(jí)，勢(shì)壘高度為qUDEFNEFP。穩(wěn)定光照下PN結(jié)外電路開(kāi)路時(shí)，由于光生載流子積累而出現(xiàn)生電壓，U0C不再有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，勢(shì)壘高度為q(UDU0C)穩(wěn)定光照下PN結(jié)外電路短路時(shí)，PN結(jié)兩端無(wú)光生電壓，勢(shì)壘高度為qUD，光生電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離后流人外電路形成短路電流。有光照有負(fù)裁時(shí)，一部分光電流在負(fù)載上建立起電壓Uf另一部分光電流被PN結(jié)因正向偏壓引起的正向電流抵消，勢(shì)壘高度為q(UDUf)。當(dāng)光照射太陽(yáng)電池時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)由N區(qū)到P區(qū)的光生電流Iph。同時(shí)，由于PN結(jié)二極管的特性，存在正向二極管電流ID，此電流方向從P區(qū)到N區(qū)，與光生電流相反。因此，實(shí)際獲得的電流I為式中UD為

23、結(jié)電壓；I0為二極管的反向飽和電流；Iph為與入射光強(qiáng)度成正比的光生電流，其比例系數(shù)是由太陽(yáng)電他的結(jié)構(gòu)和材料的特性決定的；n稱(chēng)為理想系數(shù)(n值)，是表示PN結(jié)特性的參數(shù)，通常在12之間。當(dāng)沒(méi)有負(fù)載時(shí)且無(wú)損耗的情況下，外電路獲得的最大電流即短路電流ISC等于光生電流Iph。當(dāng)為開(kāi)路時(shí)，獲得最大電壓即PN結(jié)鏈段的最大電壓為： 。當(dāng)有附加電阻時(shí)，其輸出功率P=UI，U、I分別為負(fù)載的電壓與流過(guò)負(fù)載的電流，其伏安特性曲線如圖11所示：當(dāng)U、I的乘積最大時(shí)，此時(shí)輸出的功率最大。太陽(yáng)電他的光電轉(zhuǎn)換效率，是指在外部回路上連接最佳負(fù)載電阻時(shí)的最大能量轉(zhuǎn)換效率，等于太陽(yáng)電他的輸出功率與入射到太陽(yáng)電池表面上的能量

24、之比。光電池將光能直接轉(zhuǎn)換為有用電能的轉(zhuǎn)換效率是判別電池質(zhì)量的重要參數(shù)，用表示，即電他的最大輸出功率與入射光功率之比：FF稱(chēng)為填充因子，為最大功率與短路電流與開(kāi)路電壓的乘積的比值： 太陽(yáng)能電池的等效電路太陽(yáng)電池可用PN結(jié)二極管D、恒流源Iph、太陽(yáng)電池的電極等引起的串聯(lián)電阻RS和相當(dāng)于PN結(jié)泄漏電流的并聯(lián)電阻Rh組成的電路來(lái)表示，如圖12所示，該電路為太陽(yáng)電池的等效電路，由等效電路圖可以得出太陽(yáng)電池兩端的電流和電壓酌關(guān)系為為了使太陽(yáng)電池輸出更大的功率，必須盡量減小串聯(lián)電阻RS及，增大并聯(lián)電阻RSh。太陽(yáng)能電池的效率的分析 高效的太陽(yáng)電池要求有高的短路電流、開(kāi)路電壓和填充因子，這三個(gè)參數(shù)與電池材

25、料幾何結(jié)構(gòu)和制備工藝密切相關(guān)。（1）禁帶寬度的影響：大于禁帶寬度的能量被半導(dǎo)體本征吸收，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，形成光生電流Iph。禁帶寬度變小時(shí)，有更多的能量能被半導(dǎo)體本征吸收，產(chǎn)生更多的電子空穴對(duì)，因而光生電流Iph和短路電流ISC增加。禁帶寬度的減小還會(huì)引起本征載流子濃度指數(shù)地增加：本征載流子濃度的增加又會(huì)引起反向飽和電流的增加, 反向飽和電流的增加會(huì)降低UOC。 所以禁帶寬度的降低一方面能增加光生電流，另一方面又降低開(kāi)路電壓，所以存在一個(gè)最佳的半導(dǎo)體禁帶寬度，使得效率最大化。電池轉(zhuǎn)換效率隨禁帶寬度的變化如圖13所示。經(jīng)過(guò)計(jì)算，最佳禁帶寬度為1.4eV。（2）溫度的影響：因?yàn)闇囟壬?，本征載流子

26、濃度增加，提高了暗飽和電流，導(dǎo)致開(kāi)路電壓的下降。暗飽和電流還包含其他受溫度影響的參數(shù)(擴(kuò)散系數(shù)D、壽命、表面復(fù)合速率S)，但溫度與本征載流于濃度的依賴(lài)關(guān)系占主導(dǎo)。本征載流子濃度且隨著溫度上升，半導(dǎo)體的禁帶寬度也會(huì)發(fā)生變化隨著溫度的上升，半導(dǎo)體的禁帶寬度變小。隨著溫度的上升，半導(dǎo)體的禁帶寬度變小。禁帶寬度降低，短路電流ISC，但向時(shí)又會(huì)降低開(kāi)路電壓UOC。上式表明隨著溫度的升高，UOC近似線性下降，太陽(yáng)電池效率降低。代人硅太陽(yáng)電池的有關(guān)參數(shù)，得到dUOCdT一23mv。實(shí)驗(yàn)表明溫度每升高1硅太陽(yáng)電他的開(kāi)路電壓將下降0.4。（3）少數(shù)載流子的壽命與擴(kuò)散長(zhǎng)度：短的壽命意味著少數(shù)載流子在基區(qū)中的擴(kuò)散長(zhǎng)

27、度遠(yuǎn)小于基區(qū)的厚度，輸運(yùn)過(guò)程中基本上被復(fù)合了，擴(kuò)散不到背面電極，收集不到光生載流子。少數(shù)載流子壽命增加，擴(kuò)散長(zhǎng)度Ln增大，暗飽和電流減小，有利于提高UOC。同時(shí)ISC、FF都相應(yīng)增加。擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于基區(qū)長(zhǎng)度時(shí)，載流子基本上都能擴(kuò)散到背面電極，ISC趨于飽和。（4）寄生電阻：實(shí)際的太陽(yáng)能電池存在著串聯(lián)電阻RS和并聯(lián)(旁路)電阻Rf。串聯(lián)電阻主要來(lái)源于半導(dǎo)體材料的體電阻、正面電極金屬柵線與半導(dǎo)體的接觸電阻、柵線之間橫向電流對(duì)應(yīng)的電阻和背面電極與半導(dǎo)體的接觸電阻（MS）等。并聯(lián)電阻是PN結(jié)漏電流引起，包括繞過(guò)電池邊緣的漏電流及由于結(jié)區(qū)存在晶體缺陷和外來(lái)雜質(zhì)的沉淀物所引起的內(nèi)部漏電。實(shí)際的太陽(yáng)能電他還

28、必須考慮與耗盡區(qū)復(fù)合相關(guān)的二極管。（5）此外還有光譜、表面反射、晶格缺陷以及復(fù)合中心與負(fù)載不匹配等的影響。提高太陽(yáng)能電池效率的方法：（1）激光刻槽埋藏柵線技術(shù)。用激光刻槽的方法可在表面制作倒全字塔結(jié)構(gòu)，在500900nm光譜范圍內(nèi)，反射率為46，與表面制作雙1層減反射膜相當(dāng)。用激光制作絨面比在光滑面鍍雙層減反射膜層(ZnSMgF2)電池的短路電流高4左右，這主要是長(zhǎng)波光(波長(zhǎng)大于800nm)斜射進(jìn)入電池的原因。激光制作絨面存在的問(wèn)題是，在刻蝕中表面造成損傷同時(shí)引入一些雜質(zhì)，要通過(guò)化學(xué)處理去除表面損傷層。（2）埋層電極、表面鈍化等。通過(guò)這些技術(shù)減少光生載流子的復(fù)合損失，提高載流子的收集效率，可以

29、提高大陽(yáng)電他的效率。因存在較高的晶界、點(diǎn)缺陷，對(duì)材料表面和體內(nèi)缺陷的鈍化非常重要，鈍化有多種方法，通過(guò)熱氧化使硅懸掛鍵飽和是一種比較常用的方法，可使界面的復(fù)合速度大大下降，其鈍化效果取決于發(fā)射區(qū)的表面濃度，界面態(tài)密度和電子、空穴的浮獲截面。（3）單雙層減反射膜。用優(yōu)化凹凸表面方式減少光的反射及透射損失，以提高太陽(yáng)電池的效率。還有反應(yīng)離子腐蝕方法是一種無(wú)掩膜腐蝕工藝，所形成的絨面反射率特別低，在4501000um光譜范圍內(nèi)的反射率可小于2。但存在的問(wèn)題是硅表面損傷嚴(yán)重。（4）背表面場(chǎng)的形成。制造背PN結(jié)通常采用絲網(wǎng)印刷漿料在網(wǎng)帶爐中熱退火的方法，該工藝在形成背表面結(jié)的同時(shí)，對(duì)多晶硅中的雜質(zhì)具有良

30、好的吸除作用，鋁吸雜過(guò)一般在高溫區(qū)段完成，測(cè)量結(jié)果表明，吸雜作用可使高溫過(guò)程所造成的多晶硅少子的壽命下降得到恢復(fù)。良好的背表面場(chǎng)可明顯地提高電他的開(kāi)路電壓。（5）發(fā)射區(qū)形成和磷吸雜。對(duì)于高效太陽(yáng)電池，發(fā)射區(qū)的形成一般采用選擇擴(kuò)散在金屬電極下方形成重?fù)诫s區(qū)域而在電極間實(shí)現(xiàn)淺濃度擴(kuò)散，發(fā)射區(qū)的淺濃度擴(kuò)散既增強(qiáng)了電池對(duì)藍(lán)光的響應(yīng)，又使硅表面易于鈍化。擴(kuò)散的方法有兩步擴(kuò)散工藝、擴(kuò)散加腐蝕工藝和掩埋擴(kuò)散工藝。對(duì)于多晶磚材料，磷吸雜對(duì)電池的影響得到廣泛的應(yīng)用，較長(zhǎng)時(shí)間的磷吸雜過(guò)程(一般34小時(shí))，可使一些多晶硅的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度提高兩個(gè)數(shù)星級(jí)。在襯底濃度對(duì)吸雜效應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，即便對(duì)高濃度的襯底材料，經(jīng)吸雜也

31、能夠獲得較大的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度(大于 200um)，電池的開(kāi)路電壓大于638mv，轉(zhuǎn)換效率超過(guò)17。太陽(yáng)能電池的材料：太陽(yáng)能電池完整的示意圖如下所示對(duì)于太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)核心是太陽(yáng)能電池（半導(dǎo)體PN結(jié)）的生產(chǎn)以及封裝技術(shù)（影響使用時(shí)間）。再此我只討論P(yáng)N結(jié)的問(wèn)題。關(guān)于PN結(jié)對(duì)主要的又是材料的選擇，上文我已經(jīng)提到，PN結(jié)可以為同質(zhì)也可以是異質(zhì)，所以選擇材料很廣泛，但是因?yàn)樘?yáng)能電池是在可見(jiàn)光下使用以及成本、轉(zhuǎn)換效率等問(wèn)題，所以對(duì)材料的選擇還是需要擇優(yōu)而行。對(duì)太陽(yáng)能電池材料一般的要求有:(1)半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬。(2)要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。(3)材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染。(4)材料便于工業(yè)化生產(chǎn)

32、,且材料性能穩(wěn)定。根據(jù)所用材料的不同,太陽(yáng)能電池可分為:硅太陽(yáng)能電池、多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池、聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池、納米晶太陽(yáng)能電池和有機(jī)太陽(yáng)能電池等,其中硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟的。（一）硅基太陽(yáng)能電池 硅是最常見(jiàn)太陽(yáng)能電池的材料，地球上含量多，成本較低、生產(chǎn)技術(shù)成熟以及生產(chǎn)規(guī)模大。目前太陽(yáng)電池要求選材料的純度為9999998%。太陽(yáng)電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度是不向的，這就是光譜特性。光譜響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的人射光波長(zhǎng)是不同的，硅材料光電池所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)在0.8um附近，光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為0.41.2um，相比其他材料來(lái)講，硅材料太陽(yáng)電池可以在很寬的波長(zhǎng)他圍內(nèi)得到應(yīng)用。晶體硅材料是

33、間接帶隙材料，帶隙的寬度(12eV)與 14eV有較大的差值，從這個(gè)角度講，硅不是最理想的太陽(yáng)電池材料。但人們劉硅材料研究得最多、加工技術(shù)最成熟，而且性能穩(wěn)定、無(wú)毒。它是制作半導(dǎo)體器件的主要材料，而半導(dǎo)體器件的發(fā)展又決定信息技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)和光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展共同推動(dòng)著硅材料技術(shù)與生產(chǎn)的發(fā)展。雖然單晶硅太陽(yáng)電池成本高，但是由于性能穩(wěn)定，光電轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也比較成熟，太陽(yáng)能級(jí)單晶硅和澆鑄多晶硅仍是當(dāng)前全世界太陽(yáng)電池最重要的材料來(lái)源。所以，無(wú)論從資源，還是從技術(shù)方面看，硅太陽(yáng)電池具有其他材料大法比擬的優(yōu)勢(shì)。Si基太陽(yáng)能電池有晶體Si（包括單晶硅、多晶硅與帶狀硅）材料和薄膜Si（包括aSi，多晶

34、和微晶Si）材料。硅系列太陽(yáng)能電池中,單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高,技術(shù)也最為成熟。1、單晶硅的電池工藝一般都采用表面結(jié)構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù),開(kāi)發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。光電的轉(zhuǎn)化效率主要取決于單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率無(wú)疑是最高的,在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%,規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%。2、為了節(jié)省高質(zhì)量材料,薄膜太陽(yáng)能電池就成了單晶硅電池的替代產(chǎn)品,其中多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和非晶體硅薄膜太陽(yáng)能電池就是典型代表。實(shí)驗(yàn)室的最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。3、由于非晶體硅薄膜太陽(yáng)能電池的成本低

35、, 非晶體硅作為太陽(yáng)能電池材料盡管是一種很好的材料,但由于其光學(xué)帶隙為1.7 eV,使得材料本身對(duì)太陽(yáng)輻射光譜的長(zhǎng)波區(qū)域不敏感,這就限制了非晶體硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外,其光電效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減,即所謂的光致衰退S-W效應(yīng),使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問(wèn)題的途徑就是制備疊層太陽(yáng)能電池,疊層太陽(yáng)能電池是在制備的p-i-n層單結(jié)太陽(yáng)能電池上再沉積一個(gè)或多個(gè)p-i-n子電池制得的。二、多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池 多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池材料為無(wú)機(jī)鹽,主要有砷化鎵III-V族化合物電池、硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池和銅銦硒薄膜電池。1硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶體硅薄膜太陽(yáng)能電池效率高,成本較單晶硅電池低,也易于大規(guī)模生產(chǎn)。但由于鎘有劇毒,會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染,因此并不是晶體硅太陽(yáng)能電池最理想的替代產(chǎn)品。2、GaAs屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料,其能隙為1.4 eV,正好為高吸收率太陽(yáng)光的值,具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強(qiáng),對(duì)熱不敏感,轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%,適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價(jià)格不菲,因而在很大