太陽能電池基本原理-光生伏特原理-PN結(jié)-內(nèi)建電場(chǎng)-等效電路

1、太陽能電池基本原理基本原理光生伏特效應(yīng)太陽能光伏發(fā)電是利用太陽電池的光伏效應(yīng)原理， 直接把太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)?電能的發(fā)電方式。典型太陽電池是一個(gè) p-n結(jié)半導(dǎo)體二極管。光子把電子從價(jià)帶（束縛）激發(fā)到導(dǎo)帶（自由），并在價(jià)帶內(nèi)留下一個(gè)空穴 （自由）一一產(chǎn)生了自由電子-空穴對(duì)（光生載流子），p型材料中的電子與n型 材料中的空穴將在與少子壽命相當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)，以相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)存在，直到復(fù)合。 當(dāng)載流子復(fù)合后，光生電子空穴對(duì)將消失，沒有電流和功率產(chǎn)生。光生電子-空穴對(duì)在耗盡層中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場(chǎng)分離，光生電子被送進(jìn)n區(qū)，光生空穴 則被送進(jìn)p區(qū)。光能就以產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?nèi)建電場(chǎng)當(dāng)把N型和P

2、型材料放在一起的時(shí)候，在N型材料中，費(fèi)米能級(jí)靠近導(dǎo)帶底， 在P型材料中，費(fèi)米能級(jí)靠近價(jià)帶頂，當(dāng)P型材料和N型材料連接在一起時(shí)，費(fèi) 米能級(jí)在熱平衡時(shí)必定恒等，由于在 P型材料中有多得多的空穴，它們將向 N 型一邊擴(kuò)散。與此同時(shí)，在N型一邊的電子將沿著相反的方向向 P型區(qū)擴(kuò)散。由 于電子和空穴的擴(kuò)散，在p-n結(jié)區(qū)產(chǎn)生了耗盡層，即空間電荷區(qū)電場(chǎng)，又稱為內(nèi) 建電場(chǎng)。（3）電荷分離：對(duì)于單層器件，激子在電極與有機(jī)半導(dǎo)體界面處離化，對(duì) 于雙層器件，激子在施主-受主界面形成的 p-n結(jié)處離化。（4）電荷傳輸：在有機(jī)材料中，電荷的傳輸是定域態(tài)間的跳躍，而不是能 帶內(nèi)的傳輸，這意味著有機(jī)材料和聚合物材料中載流子

3、的遷移率通常都比無機(jī)半 導(dǎo)體材料的低。（5）電荷收集：電荷的收集效率也是影響光伏器件功率轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因 素，金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻擋層，阻礙電荷順利地到達(dá)金屬電極。等效電路模型太陽能電池等效電路無光照時(shí)類似二極管特性，外加電壓時(shí)單向電流 Id稱為暗電流；有光照時(shí) 產(chǎn)生光生電流II； R、Rh分別為太陽電池中的串、并聯(lián)電阻 RL為負(fù)載。（1）恒流源：在恒定光照下，一個(gè)處于工作狀態(tài)的太陽電池，其光電流不 隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中可把它看做恒流源。（2）暗電流Id：光電流一部分流經(jīng)負(fù)載 R，在負(fù)載兩端建立起端電壓 U, 反過來，它又正向偏置于PN結(jié)，弓|起一股與光電流方向相反的暗電流

4、 Id。（3）串聯(lián)電阻FS:由于前面和背面的電極接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免的引入附加電阻。流經(jīng)負(fù)載的電阻經(jīng)過它們時(shí)， 必然引起損耗。在等效電路中，他們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻眩表示。并聯(lián)電阻Rsh由于電池邊沿的漏電和制作金屬電極時(shí)在微裂紋、劃痕等處形 成的金屬橋漏電等，使一部分本應(yīng)通過負(fù)載達(dá)到電流短路， 這種作用的大小可以 用一個(gè)并聯(lián)電阻RSh等效。決定太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的三個(gè)參數(shù)分別是短路電流（Isc）、開路電壓 （VOc）和填充因子（FF）。因?yàn)殡娏鳎↖ ）與太陽能電池的面積（A）成正比例關(guān) 系，因此一般用電流密度（J ）取代電流，來描述太陽能電池的伏安特性

5、。|l = I/A當(dāng)電池在光照下，得到的端電壓和電路中通過負(fù)載的工作電流的關(guān)系曲線， 叫做光電池的伏安特性曲線。如圖紅色線所示，圖上所示的第四象限中與紅色線 相交的方形區(qū)域面積就代表太陽能電池的最大輸出功率，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為最佳工作 點(diǎn)。太陽能電池在沒有光照時(shí)可以視為一個(gè)二極管，電壓和電流的關(guān)系如圖藍(lán)色線所示，為太陽能電池的暗特性曲線。（1）開路電壓（VOC一般來說，對(duì)于金屬-絕緣體-金屬（MIM）型的器件，其開路電壓VOc取決于 兩個(gè)金屬電極功函數(shù)之差。而對(duì)于 p-n結(jié)，其最大的可用電壓則是由n-型摻雜 半導(dǎo)體與p-型摻雜半導(dǎo)體兩者的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)之差所決定，開路電壓現(xiàn)行的依賴 于給體的HOM能級(jí)與受

6、體的LUMC能級(jí)。增加VOc的途徑有減少復(fù)合以減小反向 飽和電流，增加各區(qū)摻雜濃度等。2）短路光電流（I SC短路電流的大小與上面提到的光電轉(zhuǎn)換過程的 5個(gè)步驟的效率相關(guān)，要得到 大的短路電流：第一，需要光伏材料在可見區(qū)有寬光譜和強(qiáng)的吸收，以提高太陽光的利用率；第二，需要吸收光子后產(chǎn)生的激子有較長(zhǎng)的壽命和較短的到達(dá)給體 /受體異質(zhì)結(jié)界面的距離，使得激子都能夠擴(kuò)散到異質(zhì)結(jié)界面上；第三，需要激 子在給體/受體界面上有高的電荷分離效率，使到達(dá)界面的激子都能夠分離成位 于受體LUMC能級(jí)上的電子和位于給體 HOM（能級(jí)上的空穴，這要求給體的 LUMO 和HOM能級(jí)分別高于受體的對(duì)應(yīng)能級(jí)0.4 eV以上

7、，以克服激子的束縛能而發(fā)生 電子和空穴的電荷分離；第四，光伏材料有高的純度和高的電荷載流子遷移率； 第五，使用高功函數(shù)的正極和低功函數(shù)的負(fù)極也非常重要；最后，要求電極/活性層界面是歐姆接觸，并且界面接觸電阻要小。提高Jsc的途徑在于提高光生載 流子產(chǎn)生率G增加各區(qū)少子壽命和減少表面復(fù)合。（3）填充因子（FF最大輸出功率與（VoC?I SC）之比稱為填充因子，用FF表示。對(duì)于開路電壓 VOc和短路電流Isc定的特性曲線來說，填充因子越接近于 1,電池效率越高， 伏安特性線彎曲越大。因此FF也稱曲線因子，表示式為% 卩石v or sc v or scFF是用以衡量太陽電池輸出特性好壞的重要指之一。在一定光強(qiáng)下，F(xiàn)F愈大，曲線愈方，輸出功率越高。對(duì)于有合適效率的電池，該值應(yīng)在0.70-0.85范圍之內(nèi)。