第一章 太陽(yáng)電池物理基礎(chǔ)2

1、 高能量光子的吸收系數(shù)很大，所以它在距離表面很短的高能量光子的吸收系數(shù)很大，所以它在距離表面很短的深度就被吸收了（例如硅太陽(yáng)能電池就在幾微米以內(nèi)），深度就被吸收了（例如硅太陽(yáng)能電池就在幾微米以內(nèi)），而紅光在這種距離的吸收就很弱。即使是在幾微米之后，而紅光在這種距離的吸收就很弱。即使是在幾微米之后，也不是所有的紅光都能被硅吸收。也不是所有的紅光都能被硅吸收。材料吸收深度x吸收深度吸收深度光在被完全吸收之前進(jìn)入半導(dǎo)體的深度。光在被完全吸收之前進(jìn)入半導(dǎo)體的深度。與吸收系數(shù)成反比關(guān)系，即為與吸收系數(shù)成反比關(guān)系，即為-1。顯示了光在其能量。顯示了光在其能量下降到最初強(qiáng)度的大概下降到最初強(qiáng)度的大概36%（

2、或者說(shuō)（或者說(shuō)1/e）的時(shí)候在材）的時(shí)候在材料中走的深度。料中走的深度。生成率生成率生成率是指被光線照射的半導(dǎo)體每一點(diǎn)生成電子的是指被光線照射的半導(dǎo)體每一點(diǎn)生成電子的數(shù)目。數(shù)目。 假設(shè)減少的那部分光線能量全部用來(lái)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，那假設(shè)減少的那部分光線能量全部用來(lái)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，那么通過(guò)測(cè)量透射過(guò)電池的光線強(qiáng)度便可以算出半導(dǎo)體材料么通過(guò)測(cè)量透射過(guò)電池的光線強(qiáng)度便可以算出半導(dǎo)體材料生成的電子空穴對(duì)的數(shù)目。生成的電子空穴對(duì)的數(shù)目。 G=N0e-x N0為表面的光子通量（光子為表面的光子通量（光子/單位面積單位面積.秒）秒） 為吸收系數(shù)，為吸收系數(shù)，x為進(jìn)入材料的距離。為進(jìn)入材料的距離。 光的強(qiáng)度隨著

3、在材料中深度的增加呈指數(shù)下降，光的強(qiáng)度隨著在材料中深度的增加呈指數(shù)下降，即材料表面的生成率是最高的。即材料表面的生成率是最高的。 對(duì)于光伏應(yīng)用來(lái)說(shuō)對(duì)于光伏應(yīng)用來(lái)說(shuō)，入射光是由一系列不同，入射光是由一系列不同波長(zhǎng)的光組成的，因此不同波長(zhǎng)光的生成率也是波長(zhǎng)的光組成的，因此不同波長(zhǎng)光的生成率也是不同的。下圖顯示三種不同波長(zhǎng)的光在硅材料中不同的。下圖顯示三種不同波長(zhǎng)的光在硅材料中的生成率。的生成率。 計(jì)算一系列不同波長(zhǎng)的光的生成率時(shí)，凈的生成率等于計(jì)算一系列不同波長(zhǎng)的光的生成率時(shí)，凈的生成率等于每種波長(zhǎng)的總和。下圖顯示入射到硅片的光為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)每種波長(zhǎng)的總和。下圖顯示入射到硅片的光為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜時(shí)，不同

4、深度的生成率大小。光譜時(shí)，不同深度的生成率大小。Y軸的范圍大小是成軸的范圍大小是成對(duì)數(shù)的對(duì)數(shù)的，顯示著在電池表面產(chǎn)生了數(shù)量巨大的電子空穴，顯示著在電池表面產(chǎn)生了數(shù)量巨大的電子空穴對(duì)，而在電池的更深處，生成率幾乎是常數(shù)。對(duì)，而在電池的更深處，生成率幾乎是常數(shù)。五、載流子的復(fù)合五、載流子的復(fù)合 載流子的復(fù)合載流子的復(fù)合所有處在導(dǎo)帶中的電子都是亞穩(wěn)定狀所有處在導(dǎo)帶中的電子都是亞穩(wěn)定狀態(tài)的，并最終會(huì)回到價(jià)帶中更低的能量狀態(tài)。它必須移態(tài)的，并最終會(huì)回到價(jià)帶中更低的能量狀態(tài)。它必須移回到一個(gè)空的價(jià)帶能級(jí)中，所以，當(dāng)電子回到價(jià)帶的同回到一個(gè)空的價(jià)帶能級(jí)中，所以，當(dāng)電子回到價(jià)帶的同時(shí)也有效地消除了一個(gè)空穴。時(shí)

5、也有效地消除了一個(gè)空穴。復(fù)合途徑復(fù)合途徑直接復(fù)合直接復(fù)合：導(dǎo)帶底的電子躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合。：導(dǎo)帶底的電子躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合。間接復(fù)合間接復(fù)合：導(dǎo)帶底躍遷的電子先躍遷到：導(dǎo)帶底躍遷的電子先躍遷到缺陷能級(jí)缺陷能級(jí)，然后再躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合。然后再躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合。根據(jù)能量釋放的方式，復(fù)合又可分為以下三種形式：根據(jù)能量釋放的方式，復(fù)合又可分為以下三種形式：輻射復(fù)合。輻射復(fù)合。電子與空穴復(fù)合的能量以發(fā)射光子的方式釋放。復(fù)電子與空穴復(fù)合的能量以發(fā)射光子的方式釋放。復(fù)合過(guò)程中能量釋放的途徑可是直接或間接的。直接復(fù)合是沒(méi)有聲子合過(guò)程中能量釋放的途徑可是直接或間接的。直接復(fù)合是沒(méi)有聲子參加的絕熱電子

6、躍遷，復(fù)合概率較大。間接復(fù)合需要聲子參加參加的絕熱電子躍遷，復(fù)合概率較大。間接復(fù)合需要聲子參加。發(fā)射光子發(fā)射光子發(fā)射聲子發(fā)射聲子CEVEtE直接復(fù)合直接復(fù)合間接復(fù)合間接復(fù)合非輻射復(fù)合。非輻射復(fù)合。無(wú)論直接或間接復(fù)合，釋放的能量均以發(fā)射聲子無(wú)論直接或間接復(fù)合，釋放的能量均以發(fā)射聲子的方式交給晶格。直接的效果是提高晶格溫度，此過(guò)程極易發(fā)生的方式交給晶格。直接的效果是提高晶格溫度，此過(guò)程極易發(fā)生。俄歇復(fù)合俄歇復(fù)合。是是一種非輻射復(fù)一種非輻射復(fù)合，它合，它的能量釋放途徑不同于非輻的能量釋放途徑不同于非輻射的釋放能量方式。俄歇過(guò)程是導(dǎo)帶中的電子射的釋放能量方式。俄歇過(guò)程是導(dǎo)帶中的電子1與價(jià)帶中的空穴與價(jià)

7、帶中的空穴2復(fù)復(fù)合，帶間復(fù)合釋放的能量交給晶體中另一個(gè)鄰近的電子合，帶間復(fù)合釋放的能量交給晶體中另一個(gè)鄰近的電子3，將電子，將電子3從導(dǎo)帶底躍遷到導(dǎo)帶的高能態(tài)，最后高能態(tài)的電子再通過(guò)發(fā)射聲子從導(dǎo)帶底躍遷到導(dǎo)帶的高能態(tài)，最后高能態(tài)的電子再通過(guò)發(fā)射聲子而回到導(dǎo)帶底。而回到導(dǎo)帶底。 在外界條件作用下，非平衡載流子產(chǎn)生并出現(xiàn)不同形在外界條件作用下，非平衡載流子產(chǎn)生并出現(xiàn)不同形式的式的復(fù)合復(fù)合。如果外界作用消失，這些產(chǎn)生的非平衡載流子。如果外界作用消失，這些產(chǎn)生的非平衡載流子會(huì)因復(fù)合而很快消失，恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)。會(huì)因復(fù)合而很快消失，恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)。CEVE12312 3表面和界面復(fù)合。表面和界

8、面復(fù)合。晶體周期性在表面中斷產(chǎn)生大量懸掛鍵、晶體周期性在表面中斷產(chǎn)生大量懸掛鍵、表面損傷及外來(lái)雜質(zhì)吸附等，都可能在帶隙中引進(jìn)缺陷態(tài)即表面態(tài)。表面損傷及外來(lái)雜質(zhì)吸附等，都可能在帶隙中引進(jìn)缺陷態(tài)即表面態(tài)。表面或界面態(tài)對(duì)電子和空穴起復(fù)合中心的作用，將增加載流子在表表面或界面態(tài)對(duì)電子和空穴起復(fù)合中心的作用，將增加載流子在表面或界面區(qū)的復(fù)合。面或界面區(qū)的復(fù)合。在太陽(yáng)電池的制備中，表面及界面復(fù)合對(duì)短路電流產(chǎn)生直在太陽(yáng)電池的制備中，表面及界面復(fù)合對(duì)短路電流產(chǎn)生直接的影響，低的表面與界面復(fù)合是制備高效電池的重要因接的影響，低的表面與界面復(fù)合是制備高效電池的重要因素。素。六、載流子輸運(yùn)性質(zhì)六、載流子輸運(yùn)性質(zhì) 載

9、流子漂移：載流子漂移：在電場(chǎng)作用下，在電場(chǎng)作用下，自由空穴沿電場(chǎng)方向漂移，或電自由空穴沿電場(chǎng)方向漂移，或電子逆電場(chǎng)方向漂移，均可形成電子逆電場(chǎng)方向漂移，均可形成電流。載流子從電場(chǎng)不斷獲得能量流。載流子從電場(chǎng)不斷獲得能量而加而加速。速。另一方面，載流子在晶體場(chǎng)中受另一方面，載流子在晶體場(chǎng)中受到偏離周期場(chǎng)的畸變勢(shì)的散射作到偏離周期場(chǎng)的畸變勢(shì)的散射作用，失去原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向或損失用，失去原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向或損失能量能量，這種偏，這種偏離周期勢(shì)的散射作離周期勢(shì)的散射作用使載流子漂移速度不會(huì)無(wú)限地用使載流子漂移速度不會(huì)無(wú)限地增大。增大。輸運(yùn)輸運(yùn)導(dǎo)帶和價(jià)帶自由載流子在外場(chǎng)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)）作導(dǎo)帶和價(jià)帶自由載

10、流子在外場(chǎng)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)）作用下運(yùn)動(dòng)，如載流子在電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)、載流子空間分布不用下運(yùn)動(dòng)，如載流子在電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)、載流子空間分布不均勻引起的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)等。均勻引起的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)等。 載流子擴(kuò)散：載流子擴(kuò)散：當(dāng)固體中粒子濃度（原子、分子、電子、空穴當(dāng)固體中粒子濃度（原子、分子、電子、空穴等）在空間分布不均勻時(shí)將發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。等）在空間分布不均勻時(shí)將發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。載流子從高濃度向載流子從高濃度向低濃度的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)低濃度的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是載流子重要輸運(yùn)方式。是載流子重要輸運(yùn)方式。載流子在光激發(fā)下的過(guò)程載流子在光激發(fā)下的過(guò)程光光照在半導(dǎo)體材料的局部位置，照在半導(dǎo)體材料的局部位置，產(chǎn)產(chǎn)生非生非平衡

11、載流子，去除光照后，產(chǎn)生的非平衡載流子產(chǎn)生平衡載流子，去除光照后，產(chǎn)生的非平衡載流子產(chǎn)生復(fù)合；同時(shí)，非平衡載流子將以光照點(diǎn)為中心，向低濃度區(qū)復(fù)合；同時(shí)，非平衡載流子將以光照點(diǎn)為中心，向低濃度區(qū)域擴(kuò)散，直至非平衡載流子由于復(fù)合而消失。域擴(kuò)散，直至非平衡載流子由于復(fù)合而消失。1.2 pn結(jié)基礎(chǔ)結(jié)基礎(chǔ)一、一、pnpn結(jié)概念及分類結(jié)概念及分類pn結(jié)結(jié)摻有施主雜質(zhì)的摻有施主雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體與摻有受主雜質(zhì)的型半導(dǎo)體與摻有受主雜質(zhì)的p型型半導(dǎo)體有機(jī)結(jié)合，形成具有特定功能的結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體有機(jī)結(jié)合，形成具有特定功能的結(jié)構(gòu)。pn結(jié)是構(gòu)成半結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體器件及其應(yīng)用組成件的基本單元。導(dǎo)體器件及其應(yīng)用組成件的基本單元。

12、pnpn結(jié)結(jié)同質(zhì)結(jié)：同質(zhì)結(jié)：由同一種材料且?guī)秾挾认嗤珜?dǎo)電類型由同一種材料且?guī)秾挾认嗤珜?dǎo)電類型不同的材料組成；不同的材料組成；異質(zhì)結(jié)：異質(zhì)結(jié)：由帶隙寬度不同的材料組成；由帶隙寬度不同的材料組成；pn結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)不僅是太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)還是其它許多電結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)不僅是太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)還是其它許多電子器件的基礎(chǔ)，如子器件的基礎(chǔ)，如LEDS、激光、光電二極管還有雙極結(jié)二極管、激光、光電二極管還有雙極結(jié)二極管（BJTS）。一個(gè)）。一個(gè)pn結(jié)把之前所描述的載流子復(fù)合、產(chǎn)生、擴(kuò)散和結(jié)把之前所描述的載流子復(fù)合、產(chǎn)生、擴(kuò)散和漂移全部集中到一個(gè)器件中。漂移全部集中到一個(gè)器件中。pn結(jié)的雜質(zhì)分布示

13、意圖結(jié)的雜質(zhì)分布示意圖pnpn結(jié)結(jié)突變結(jié)：突變結(jié)：半導(dǎo)體的摻雜是均勻的，半導(dǎo)體的摻雜是均勻的，pn結(jié)形成后在結(jié)形成后在界面兩邊的雜質(zhì)空間分布式突變的；界面兩邊的雜質(zhì)空間分布式突變的；緩變結(jié)：緩變結(jié)：半導(dǎo)體的摻雜是不均勻的，半導(dǎo)體的摻雜是不均勻的，pn結(jié)形成后結(jié)形成后在界面兩邊的雜質(zhì)空間分布式逐漸變化的；在界面兩邊的雜質(zhì)空間分布式逐漸變化的；太陽(yáng)電池工藝中形成的太陽(yáng)電池工藝中形成的pn結(jié)為緩變結(jié)結(jié)為緩變結(jié)二、二、pnpn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu) 由于濃度梯度的存在，電子由高濃度的由于濃度梯度的存在，電子由高濃度的n型半導(dǎo)體向低濃度的型半導(dǎo)體向低濃度的p型半導(dǎo)體擴(kuò)散，在界面附近出現(xiàn)正電荷區(qū)域；空穴

14、由型半導(dǎo)體擴(kuò)散，在界面附近出現(xiàn)正電荷區(qū)域；空穴由p型半導(dǎo)體向型半導(dǎo)體向n型半導(dǎo)體擴(kuò)散，在界面附近出現(xiàn)負(fù)電荷區(qū)域。此區(qū)域稱為型半導(dǎo)體擴(kuò)散，在界面附近出現(xiàn)負(fù)電荷區(qū)域。此區(qū)域稱為pn結(jié)的結(jié)的空空間電荷區(qū)間電荷區(qū)。 空間電荷區(qū)中形成一個(gè)從空間電荷區(qū)中形成一個(gè)從n區(qū)指向區(qū)指向p區(qū)的電場(chǎng)區(qū)的電場(chǎng)E。同時(shí)，。同時(shí)，電場(chǎng)電場(chǎng)E產(chǎn)生產(chǎn)生漂移流漂移流，其方向與，其方向與擴(kuò)散流擴(kuò)散流相反，阻止由于擴(kuò)散引相反，阻止由于擴(kuò)散引起的空間電荷區(qū)電場(chǎng)的增強(qiáng)。當(dāng)擴(kuò)散流等于漂移流時(shí)兩者起的空間電荷區(qū)電場(chǎng)的增強(qiáng)。當(dāng)擴(kuò)散流等于漂移流時(shí)兩者達(dá)到達(dá)到平衡平衡，在空間電荷區(qū)最終建立的電場(chǎng)稱為，在空間電荷區(qū)最終建立的電場(chǎng)稱為內(nèi)建場(chǎng)內(nèi)建場(chǎng)。

15、- - - - - - - - - - -p區(qū)區(qū)n區(qū)區(qū)Epn結(jié)組成的三部分：（1）空間電荷區(qū)，區(qū)內(nèi)沒(méi)有可移動(dòng)的載流子，載流子耗盡，也稱）空間電荷區(qū)，區(qū)內(nèi)沒(méi)有可移動(dòng)的載流子，載流子耗盡，也稱耗盡區(qū)，或勢(shì)壘區(qū)；耗盡區(qū)，或勢(shì)壘區(qū)；（2）準(zhǔn)中性的）準(zhǔn)中性的p區(qū)；區(qū)； （3）準(zhǔn)中性的）準(zhǔn)中性的n區(qū)。區(qū)。隨著內(nèi)建場(chǎng)的建立，隨著內(nèi)建場(chǎng)的建立，EFn與與n區(qū)能帶一起下區(qū)能帶一起下移，或移，或EFp與與p區(qū)能帶區(qū)能帶一起上移。當(dāng)擴(kuò)散一起上移。當(dāng)擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到平與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡時(shí)，衡時(shí)，pn結(jié)有統(tǒng)一結(jié)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，達(dá)到的費(fèi)米能級(jí)，達(dá)到熱平衡，對(duì)外不呈熱平衡，對(duì)外不呈現(xiàn)電流。能帶的傾現(xiàn)電流。能帶的傾斜就表

16、示著電場(chǎng)的斜就表示著電場(chǎng)的存在。存在。三、三、pnpn結(jié)的電流電壓特性結(jié)的電流電壓特性pn結(jié)的電流電壓特性結(jié)的電流電壓特性太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換就是太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換就是利用利用pn結(jié)自建電場(chǎng)產(chǎn)結(jié)自建電場(chǎng)產(chǎn)生的光生伏特效應(yīng)。生的光生伏特效應(yīng)。 當(dāng)電壓為正向偏置時(shí)（當(dāng)電壓為正向偏置時(shí)（p區(qū)接正，區(qū)接正，n區(qū)接負(fù)），電流基本隨電區(qū)接負(fù)），電流基本隨電壓呈指數(shù)上升，稱為壓呈指數(shù)上升，稱為正向電流正向電流。 當(dāng)電壓反向偏置時(shí)，通過(guò)的電流很小，稱為當(dāng)電壓反向偏置時(shí)，通過(guò)的電流很小，稱為反向電流反向電流，當(dāng)反，當(dāng)反向電壓大于一定數(shù)值時(shí)，電流就會(huì)快速增大，向電壓大于一定數(shù)值時(shí)，電流就會(huì)快速增大，pn結(jié)被擊穿，此電結(jié)被擊

17、穿，此電壓稱為壓稱為擊穿電壓擊穿電壓。正向電流描述載流子的復(fù)合過(guò)程，正向電流描述載流子的復(fù)合過(guò)程，反向電流描述載流子的抽取過(guò)程。反向電流描述載流子的抽取過(guò)程。http:/ 將銦晶體放置在將銦晶體放置在n型的鍺單晶上，加溫至型的鍺單晶上，加溫至500600，銦晶體逐，銦晶體逐漸熔化成液體，在兩者界面處的鍺單晶原子會(huì)溶入液體，在鍺單晶漸熔化成液體，在兩者界面處的鍺單晶原子會(huì)溶入液體，在鍺單晶的表面形成一層合金液體，鍺在其中的濃度達(dá)到飽和。然后降溫，的表面形成一層合金液體，鍺在其中的濃度達(dá)到飽和。然后降溫，合金液體和銦液體重新結(jié)晶，這時(shí)合金液體將會(huì)結(jié)晶成含銦的鍺單合金液體和銦液體重新結(jié)晶，這時(shí)合金液

18、體將會(huì)結(jié)晶成含銦的鍺單晶，這層單晶鍺是晶，這層單晶鍺是p型半導(dǎo)體，與型半導(dǎo)體，與n型鍺單晶構(gòu)成型鍺單晶構(gòu)成pn結(jié)。結(jié)。2、擴(kuò)散法、擴(kuò)散法指在指在n型或型或p型半導(dǎo)體材料中，利用擴(kuò)散工藝型半導(dǎo)體材料中，利用擴(kuò)散工藝摻入相反類型的雜質(zhì)，在一部分區(qū)域形成與摻入相反類型的雜質(zhì)，在一部分區(qū)域形成與體材料相反類型的半導(dǎo)體，構(gòu)成體材料相反類型的半導(dǎo)體，構(gòu)成pn結(jié)。結(jié)。p-Sip-Sip-SiP2O5n-Si 將硅晶體加熱至將硅晶體加熱至8001200，通入，通入P2O5氣體，氣體在硅表面分氣體，氣體在硅表面分解，磷沉積在硅表面并擴(kuò)散到體內(nèi)，在硅表面形成一層含高濃度磷解，磷沉積在硅表面并擴(kuò)散到體內(nèi)，在硅表面形

19、成一層含高濃度磷的單晶硅，成為的單晶硅，成為n型半導(dǎo)體，其與型半導(dǎo)體，其與p型硅材料的交界處就構(gòu)成型硅材料的交界處就構(gòu)成pn結(jié)。結(jié)。3、離子注入法、離子注入法指將指將n型或型或p型半導(dǎo)體摻雜劑的離子束在靜電型半導(dǎo)體摻雜劑的離子束在靜電場(chǎng)中加速，使之具有高動(dòng)能，注入場(chǎng)中加速，使之具有高動(dòng)能，注入p型半導(dǎo)型半導(dǎo)體（或體（或n型半導(dǎo)體的表面區(qū)域），在表面形型半導(dǎo)體的表面區(qū)域），在表面形成與體內(nèi)相反的半導(dǎo)體，構(gòu)成成與體內(nèi)相反的半導(dǎo)體，構(gòu)成pn結(jié)。結(jié)。p-Sip-Sip-Sin-Si硼離子硼離子 利用靜電場(chǎng)將硼離子加速，使之具有數(shù)萬(wàn)到幾十萬(wàn)電子伏特的利用靜電場(chǎng)將硼離子加速，使之具有數(shù)萬(wàn)到幾十萬(wàn)電子伏特的

20、能量，注入能量，注入n型單晶硅中，在表面形成型單晶硅中，在表面形成p型半導(dǎo)體層，從而組成型半導(dǎo)體層，從而組成pn結(jié)。結(jié)。 將單晶硅材料加熱至將單晶硅材料加熱至6001200，然后加入硅烷氣體，同時(shí)通，然后加入硅烷氣體，同時(shí)通入適量的入適量的P2O5氣體，它們?cè)诰w硅表面遇熱分解，在晶體硅表面形氣體，它們?cè)诰w硅表面遇熱分解，在晶體硅表面形成一層含磷的成一層含磷的n型單晶硅薄膜，與型單晶硅薄膜，與p型單晶硅材料接觸形成型單晶硅材料接觸形成pn結(jié)。結(jié)。4、薄膜生長(zhǎng)法、薄膜生長(zhǎng)法指將指將n型或型或p型半導(dǎo)體表面，通過(guò)氣相、液相型半導(dǎo)體表面，通過(guò)氣相、液相等外延技術(shù)，生長(zhǎng)一層具有相反導(dǎo)電類型的等外延技

21、術(shù)，生長(zhǎng)一層具有相反導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體薄膜，在兩者的界面處形成半導(dǎo)體薄膜，在兩者的界面處形成pn結(jié)。結(jié)。p-Sip-Sip-SiSiH4+P2O5n-Si1.3 太陽(yáng)能電池物理基礎(chǔ)太陽(yáng)能電池物理基礎(chǔ) 入射到太陽(yáng)電池的光通過(guò)入射到太陽(yáng)電池的光通過(guò)同時(shí)產(chǎn)生電流和電壓同時(shí)產(chǎn)生電流和電壓的形式來(lái)產(chǎn)生的形式來(lái)產(chǎn)生電能。這個(gè)過(guò)程的發(fā)生需要電能。這個(gè)過(guò)程的發(fā)生需要兩個(gè)條件：兩個(gè)條件：1、被吸收的光要能在、被吸收的光要能在材料中把一個(gè)材料中把一個(gè)電子電子激發(fā)到高能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)；2、處于高能級(jí)的電子、處于高能級(jí)的電子能從電池中能從電池中移動(dòng)到移動(dòng)到外部外部電路。在外部電路。在外部電路的電子消耗了電路的電子消耗了

22、能量然后回到電池能量然后回到電池中。中。減反射膜減反射膜前端接觸電極前端接觸電極發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)背接觸電極背接觸電極電子空穴對(duì)電子空穴對(duì) 太陽(yáng)能電池運(yùn)行的基本步驟：太陽(yáng)能電池運(yùn)行的基本步驟： 光生載流子的產(chǎn)生光生載流子的產(chǎn)生 光生載流子聚集成電流光生載流子聚集成電流 產(chǎn)生跨越太陽(yáng)能電池的高電壓產(chǎn)生跨越太陽(yáng)能電池的高電壓 能量在電路和外接電阻中消耗能量在電路和外接電阻中消耗 在太陽(yáng)能電池中產(chǎn)生的電流叫做在太陽(yáng)能電池中產(chǎn)生的電流叫做“光生電流光生電流”，它的產(chǎn)生包括了它的產(chǎn)生包括了兩個(gè)主要的過(guò)程兩個(gè)主要的過(guò)程。 第一個(gè)過(guò)程是吸收入射第一個(gè)過(guò)程是吸收入射光子光子并產(chǎn)生電子空穴對(duì)并產(chǎn)生電子空穴對(duì)。

23、電子空穴對(duì)只能由能量大于太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的光電子空穴對(duì)只能由能量大于太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的光子產(chǎn)生。然而，子產(chǎn)生。然而，電子（在電子（在p型材料中）和空穴（在型材料中）和空穴（在n型型材料中）材料中）是處在亞穩(wěn)定狀態(tài)的，在復(fù)合之前其平均生存是處在亞穩(wěn)定狀態(tài)的，在復(fù)合之前其平均生存時(shí)間等于少數(shù)載流子的壽命。如果載流子被復(fù)合了，光時(shí)間等于少數(shù)載流子的壽命。如果載流子被復(fù)合了，光生電子空穴對(duì)將消失，也產(chǎn)生不了電流或電能了。生電子空穴對(duì)將消失，也產(chǎn)生不了電流或電能了。 第二第二個(gè)過(guò)程是個(gè)過(guò)程是pn結(jié)通過(guò)對(duì)這些光生載流子的結(jié)通過(guò)對(duì)這些光生載流子的收集收集，即把電子和空穴分散到不同的區(qū)域，阻即把電子和

24、空穴分散到不同的區(qū)域，阻止它止它們的復(fù)合。們的復(fù)合。pn結(jié)是通過(guò)其結(jié)是通過(guò)其內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)的作用把載流子分開(kāi)的。如果光的作用把載流子分開(kāi)的。如果光生少數(shù)載流子到達(dá)生少數(shù)載流子到達(dá)pn結(jié)，將會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)移到另一個(gè)區(qū)，結(jié)，將會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)移到另一個(gè)區(qū)，然后它便成了然后它便成了多數(shù)多數(shù)載流子。如果用一根導(dǎo)線把發(fā)射區(qū)跟載流子。如果用一根導(dǎo)線把發(fā)射區(qū)跟基區(qū)連接在一基區(qū)連接在一起，起，光生載流子將流到外部電路。光生載流子將流到外部電路。 “收集概率收集概率”光照射到電池的某個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的載流子被光照射到電池的某個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的載流子被pn結(jié)結(jié)收集并參與到電流流動(dòng)的概率，它的收集并參與到電流流動(dòng)的概率，它的大小取

25、決于大小取決于光生載流子需要光生載流子需要運(yùn)動(dòng)的距離和電池的表面特性。運(yùn)動(dòng)的距離和電池的表面特性。 收集概率的不一致產(chǎn)生了光生電流的光譜效應(yīng)。例如，收集概率的不一致產(chǎn)生了光生電流的光譜效應(yīng)。例如，表面的表面的收集概率低于其他部分的收集概率收集概率低于其他部分的收集概率。比較下圖的藍(lán)光、紅光和紅外。比較下圖的藍(lán)光、紅光和紅外光，藍(lán)光在硅表面的零點(diǎn)幾微米處幾乎被全部吸收。因此，如果頂光，藍(lán)光在硅表面的零點(diǎn)幾微米處幾乎被全部吸收。因此，如果頂端表面的收集概率非常低的話，入射光中藍(lán)光將不對(duì)光生電池做出端表面的收集概率非常低的話，入射光中藍(lán)光將不對(duì)光生電池做出貢貢獻(xiàn)獻(xiàn)。波長(zhǎng)波長(zhǎng)0.45m的藍(lán)光擁有高吸收

26、率，的藍(lán)光擁有高吸收率，為為105cm-1，也因此它在非常靠近，也因此它在非?？拷敹吮砻嫣幈晃铡２ㄩL(zhǎng)頂端表面處被吸收。波長(zhǎng)0.8m的紅光的吸收率的紅光的吸收率103cm-1，因此其，因此其吸收長(zhǎng)度更深一些。吸收長(zhǎng)度更深一些。1.1m紅外紅外光的吸收率為光的吸收率為103cm-1，但是它幾，但是它幾乎不被吸收因?yàn)樗哪芰拷咏诤醪槐晃找驗(yàn)樗哪芰拷咏诠璨牧系慕麕挾取９璨牧系慕麕挾取?“量子效率量子效率”太陽(yáng)能電池所太陽(yáng)能電池所收集的載流子的數(shù)量與入射光子收集的載流子的數(shù)量與入射光子的數(shù)量的比例的數(shù)量的比例。量子效率即可以與波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)又可以與光子能量。量子效率即可以與波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)又可以與

27、光子能量相對(duì)應(yīng)。如果某個(gè)特定波長(zhǎng)的所有光子都被吸收，并且其所產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)。如果某個(gè)特定波長(zhǎng)的所有光子都被吸收，并且其所產(chǎn)生的少數(shù)載流子都能被收集，則這個(gè)特定波長(zhǎng)的所有光子的量子效的少數(shù)載流子都能被收集，則這個(gè)特定波長(zhǎng)的所有光子的量子效率都是相同的。而能量低于禁帶寬度的光子的量子效率為零。下率都是相同的。而能量低于禁帶寬度的光子的量子效率為零。下圖將描述理想太陽(yáng)能電池的量子效率曲線。圖將描述理想太陽(yáng)能電池的量子效率曲線?？偭孔有实臏p小是由反射效應(yīng)和總量子效率的減小是由反射效應(yīng)和過(guò)短的擴(kuò)散長(zhǎng)度引起的。過(guò)短的擴(kuò)散長(zhǎng)度引起的。理想量子理想量子效率曲線效率曲線能量低于禁帶寬度的光能量低于禁帶寬度的光不能

28、被吸收，所以長(zhǎng)波不能被吸收，所以長(zhǎng)波長(zhǎng)的量子效率為零。長(zhǎng)的量子效率為零。量子效率量子效率前端表面復(fù)合導(dǎo)致藍(lán)光響應(yīng)的減小。前端表面復(fù)合導(dǎo)致藍(lán)光響應(yīng)的減小。紅光響應(yīng)的降低是由于背表紅光響應(yīng)的降低是由于背表面反射、對(duì)長(zhǎng)波光的吸收的面反射、對(duì)長(zhǎng)波光的吸收的減少和短擴(kuò)散長(zhǎng)度減少和短擴(kuò)散長(zhǎng)度 “光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)”在概念上類似于量子效率。量子效在概念上類似于量子效率。量子效率描述的是電池產(chǎn)生的光生電子數(shù)量與入射到電池的光率描述的是電池產(chǎn)生的光生電子數(shù)量與入射到電池的光子數(shù)量的比，而光譜響應(yīng)指的是太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電流子數(shù)量的比，而光譜響應(yīng)指的是太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電流大小與入射能量的比例。下圖將描述一光譜響應(yīng)曲線

29、。大小與入射能量的比例。下圖將描述一光譜響應(yīng)曲線。理想的光譜響應(yīng)理想的光譜響應(yīng)硅太陽(yáng)能電池的響應(yīng)曲線硅太陽(yáng)能電池的響應(yīng)曲線能量低于禁帶寬度的光不能能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以在長(zhǎng)波長(zhǎng)段的被吸收，所以在長(zhǎng)波長(zhǎng)段的光譜響應(yīng)為零。光譜響應(yīng)為零。光譜響應(yīng)光譜響應(yīng) “短短路電路電流流”是是指當(dāng)穿過(guò)電池的電壓為零時(shí)流過(guò)電池指當(dāng)穿過(guò)電池的電壓為零時(shí)流過(guò)電池的電流（或者說(shuō)電池被短路時(shí)的電流）。通常記作的電流（或者說(shuō)電池被短路時(shí)的電流）。通常記作ISC。 短路電流源于光短路電流源于光生載流子的產(chǎn)生生載流子的產(chǎn)生和和收收集。對(duì)于電阻阻抗最集。對(duì)于電阻阻抗最小的理想太陽(yáng)能電池小的理想太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，短路電流

30、就等來(lái)說(shuō)，短路電流就等于光生電流。因此短于光生電流。因此短路電流是電池能輸出路電流是電池能輸出的最大電流。的最大電流。 短路電流的大小取決于以下幾個(gè)因素：短路電流的大小取決于以下幾個(gè)因素： 太陽(yáng)能電池的表面太陽(yáng)能電池的表面積，積，要要消除太陽(yáng)能電池對(duì)表面積的依賴，消除太陽(yáng)能電池對(duì)表面積的依賴，通常需改變短路電流強(qiáng)度（通常需改變短路電流強(qiáng)度（JSC單位為單位為mA/cm2）而不是短路）而不是短路電流。電流。 光子的數(shù)量（即入射光的強(qiáng)度光子的數(shù)量（即入射光的強(qiáng)度），），電電池輸出的短路電流池輸出的短路電流ISC的的大小直接取決于光照強(qiáng)大小直接取決于光照強(qiáng)度度。 入射光的光入射光的光譜，譜，測(cè)測(cè)量太

31、陽(yáng)能電池是通常使用標(biāo)準(zhǔn)的量太陽(yáng)能電池是通常使用標(biāo)準(zhǔn)的1.5大氣質(zhì)大氣質(zhì)量光譜。量光譜。 電池的光學(xué)特性電池的光學(xué)特性（吸收和反射（吸收和反射）。）。 電池的收集概率電池的收集概率，主要取決于電池表面鈍化和基區(qū)的少數(shù)載，主要取決于電池表面鈍化和基區(qū)的少數(shù)載流子壽命。流子壽命。 “開(kāi)開(kāi)路電路電壓壓”VOC是太陽(yáng)能電池能輸出的最大電壓，是太陽(yáng)能電池能輸出的最大電壓，此時(shí)輸出電流為零。開(kāi)路電壓的大小相當(dāng)于光生電流在此時(shí)輸出電流為零。開(kāi)路電壓的大小相當(dāng)于光生電流在電池兩邊加的正向偏壓。開(kāi)路電壓如下圖伏安曲線所示。電池兩邊加的正向偏壓。開(kāi)路電壓如下圖伏安曲線所示。開(kāi)路電壓是太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓是太陽(yáng)能電池

32、的最大電壓，即凈電流為零最大電壓，即凈電流為零時(shí)的電壓。時(shí)的電壓。 短路電流和開(kāi)路電壓分別是太陽(yáng)能電池能輸出的最大電短路電流和開(kāi)路電壓分別是太陽(yáng)能電池能輸出的最大電流和最大電壓。然而，當(dāng)電池輸出狀態(tài)在這兩點(diǎn)時(shí)，電池的流和最大電壓。然而，當(dāng)電池輸出狀態(tài)在這兩點(diǎn)時(shí)，電池的輸出功率都為零輸出功率都為零。 “填充因子填充因子”“”“FF”，是由開(kāi)路電壓是由開(kāi)路電壓VOC和短和短路電流路電流ISC共同決定的共同決定的參數(shù)，它參數(shù)，它決定決定了太陽(yáng)了太陽(yáng)能電池的能電池的輸出效率輸出效率。填充因子被定義為電填充因子被定義為電池的最大輸出功率與池的最大輸出功率與開(kāi)路開(kāi)路VOC和和ISC的乘積的乘積的比值。從圖

33、形上看，的比值。從圖形上看，F(xiàn)F就是能夠占據(jù)就是能夠占據(jù)IV曲曲線區(qū)域最大的面積。線區(qū)域最大的面積。FF為最大功率除以開(kāi)路電壓與短路為最大功率除以開(kāi)路電壓與短路電流的乘積電流的乘積 FF=VmpImp/（VOCISC ） 除除了反映太陽(yáng)能電池的性能之外，效了反映太陽(yáng)能電池的性能之外，效率還決定于入射光的光譜和光強(qiáng)以及電池率還決定于入射光的光譜和光強(qiáng)以及電池本身的溫度本身的溫度。 所所以在比較兩塊電池的性能時(shí)，必須以在比較兩塊電池的性能時(shí)，必須嚴(yán)格控制其所處的環(huán)境。測(cè)量陸地太陽(yáng)能嚴(yán)格控制其所處的環(huán)境。測(cè)量陸地太陽(yáng)能電池的條件是光照電池的條件是光照AM1.5和溫度和溫度25C。而。而空間太陽(yáng)能電池

34、的光照則為空間太陽(yáng)能電池的光照則為AM0。 下下式為計(jì)算發(fā)電效率的方程：式為計(jì)算發(fā)電效率的方程：Pmax= VOCISC FF =Pmax/Pin = VOCISC FF /Pin發(fā)電效率發(fā)電效率是人們?cè)诒容^兩塊電池好壞時(shí)最常使用的參數(shù)。是人們?cè)诒容^兩塊電池好壞時(shí)最常使用的參數(shù)。效率定義為電池輸出的電能與射入電池的光能的比例。效率定義為電池輸出的電能與射入電池的光能的比例。 測(cè)量太陽(yáng)能電池性能最常用最基本的方式是，在精確控測(cè)量太陽(yáng)能電池性能最常用最基本的方式是，在精確控制的光源照射下測(cè)量電池的伏安曲線，并嚴(yán)格控制電池的溫度。制的光源照射下測(cè)量電池的伏安曲線，并嚴(yán)格控制電池的溫度。下圖展示了測(cè)量伏安曲線的裝置。下圖展示了測(cè)量伏安曲線的裝置。測(cè)試測(cè)試IV曲線的裝置原理圖曲線的裝置原理圖 因?yàn)樘?yáng)能電池對(duì)光強(qiáng)和溫度都很敏感，所以在測(cè)試的時(shí)候因?yàn)樘?yáng)能電池對(duì)光強(qiáng)和溫度都很敏感，所以在測(cè)試的時(shí)候這種條件都需要仔細(xì)控制。對(duì)于光源，光譜和光強(qiáng)這兩個(gè)數(shù)據(jù)都這種條件都需要仔細(xì)控制。對(duì)于光源，光譜和光強(qiáng)這兩個(gè)數(shù)據(jù)都要知道，并且要控制在標(biāo)準(zhǔn)要知道，并且要控制在標(biāo)準(zhǔn)AM1.5光譜上光譜上。光源接近光源接近AM1.5光源由計(jì)算機(jī)控制