第4章太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換

1、第4章 太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換第1節(jié) 概論太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換是直接將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的主要部件是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池也稱光伏電池，它沒有任何運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件，在能量轉(zhuǎn)換中具有重要的地位，被認(rèn)為是“最優(yōu)雅的能量轉(zhuǎn)換器”。1954年，貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的三名研究人員制造出第一塊硅太陽(yáng)能電池，從此揭開了太陽(yáng)能電池應(yīng)用的序幕。剛問世時(shí)，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率比較低，只有5%左右。1958年，太陽(yáng)能電池應(yīng)用到美國(guó)衛(wèi)星“先鋒一號(hào)”上，這是太陽(yáng)能電池應(yīng)用的一個(gè)重大突破。兩個(gè)月后，即1958年5月，蘇聯(lián)也發(fā)射了一顆利用太陽(yáng)能供電的衛(wèi)星。幾十年以來，太空中出現(xiàn)了幾千顆衛(wèi)星，凡是飛行壽命在幾個(gè)月以上的，大多數(shù)都

2、采用太陽(yáng)能電池作電源。早期設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的輸出功率很小，只有幾十瓦，后來發(fā)展到200300W，到1963年，發(fā)射大型氣象試驗(yàn)衛(wèi)星(NIMBUS)時(shí)，功率已經(jīng)達(dá)到了500W。隨著空間事業(yè)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種應(yīng)用型的衛(wèi)星，比如廣播衛(wèi)星、大型通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等，要求的功率越來越大，達(dá)到了上千瓦，甚至幾千瓦、幾十千瓦。進(jìn)入新千年以來，隨著科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)的日新月異的發(fā)展，光伏電池在很多領(lǐng)域已經(jīng)具有了競(jìng)爭(zhēng)能力。目前太陽(yáng)能電池技術(shù)的主要目標(biāo)是進(jìn)一步降低發(fā)電成本。但是，只有當(dāng)太陽(yáng)能電池與傳統(tǒng)的燃煤、燃油或核能發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，這種經(jīng)濟(jì)性方面的考慮才是必需的。在一些特殊的情況下，比如為太陽(yáng)能很豐富的邊遠(yuǎn)

3、地區(qū)供電，經(jīng)濟(jì)性的考慮就完全不同了。下圖是1988年到2004年世界上利用太陽(yáng)能電池的情況。日本、歐洲、美國(guó)一直是發(fā)展和利用太陽(yáng)能電池的主要國(guó)家和地區(qū)，但從新千年開始，世界其他國(guó)家和地區(qū)的發(fā)展速度明顯加快了，尤其是中國(guó)。下表所示為20022007年世界主要國(guó)家和地區(qū)的太陽(yáng)能電池產(chǎn)量。第2節(jié) 光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)光生伏特效應(yīng)是太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的基本過程。太陽(yáng)光是由光子組成的，光子的能量和太陽(yáng)光譜的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。光照射到太陽(yáng)能電池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就可以產(chǎn)生電能。光生伏特效應(yīng)是1839年由貝克勒爾(Becquerel)發(fā)現(xiàn)的。光生伏特(PV)效應(yīng)的基本概念如下圖所示。本節(jié)將

4、講述光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)。一、半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和非導(dǎo)體之間，導(dǎo)電性能非常獨(dú)特。如對(duì)于同一塊半導(dǎo)體，在不同的溫度或不同強(qiáng)度光的照射下，導(dǎo)電能力就會(huì)有很大的差別；而在純半導(dǎo)體中加入微量的有用雜質(zhì)，它的導(dǎo)電能力就可以增加百萬(wàn)倍。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與金屬不同，金屬依靠自由電子導(dǎo)電，而半導(dǎo)體則依靠電子-空穴對(duì)導(dǎo)電。這些獨(dú)特的導(dǎo)電性是由其內(nèi)部的微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)所決定的。下面以半導(dǎo)體硅為例來進(jìn)行介紹。所有物質(zhì)都是由原子組成的。某種物質(zhì)的原子由一定數(shù)量的帶正電荷的質(zhì)子、帶負(fù)電荷的電子和不帶電荷的中子組成。一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子的質(zhì)量約相等，而中子質(zhì)量略大。原子核由質(zhì)子和中子組成，集中了原子

5、的全部正電荷和幾乎是全部的質(zhì)量。與質(zhì)子數(shù)量相等、質(zhì)量很小而且?guī)ж?fù)電荷的電子繞原子核高速運(yùn)動(dòng)。原子的正負(fù)電荷數(shù)相同，呈中性。電子在不同的能級(jí)上圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，能級(jí)越低越接近原子核，能級(jí)越高越遠(yuǎn)離原子核。離原子核最遠(yuǎn)的電子和鄰近的原子相互作用，決定了固體的結(jié)構(gòu)。金屬原子的最外層電子受原子核的束縛很弱，容易脫離原子成為自由電子，能在外電場(chǎng)的作用下形成電流，所以金屬有良好的導(dǎo)電性。絕緣材料原子的最外層電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，受原子核的束縛很強(qiáng)，很難脫離開原子而成為自由電子，所以絕緣材料的導(dǎo)電性很差。半導(dǎo)體材料原子的最外層電子結(jié)構(gòu)介于金屬原子和絕緣材料原子之間，這決定了它的導(dǎo)電特性介于金屬導(dǎo)體和絕緣體之間。硅原子

6、有14個(gè)電子，其最外層有4個(gè)電子，稱為價(jià)電子，在光生伏特效應(yīng)中起重要作用。大量的硅原子通過價(jià)電子結(jié)合在一起，形成晶體。在晶體中，每個(gè)硅原子通常和鄰近的4個(gè)硅原子以共價(jià)鍵的形式分別共享4個(gè)價(jià)電子。這樣，一個(gè)硅原子和4個(gè)與其共享價(jià)電子的硅原子構(gòu)成了一個(gè)基本單位，一系列的由5個(gè)硅原子組成的基本單位構(gòu)成了硅晶體。硅原子的這種有規(guī)律的、固定的結(jié)構(gòu)稱為晶格，如下圖所示。單晶硅的這種結(jié)構(gòu)叫做共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：共價(jià)鍵內(nèi)的共有電子所受的束縛力并不太緊，在一定溫度或強(qiáng)光的照射下，由于熱能或光能轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，如果動(dòng)能足夠大，電子就可以掙脫束縛而成為自由電子。共價(jià)電子掙脫束縛而成為自由電子以后，便留下

7、一個(gè)空穴。通常把電子看成帶負(fù)電的載流子，把空穴看成帶正電的載流子。由光照產(chǎn)生的載流子叫做光生載流子。由半導(dǎo)體共價(jià)鍵產(chǎn)生的自由電子在電場(chǎng)或熱作用下運(yùn)動(dòng)。有的自由電子可能遇到已經(jīng)產(chǎn)生的空穴，與空穴進(jìn)行復(fù)合，從而使載流子消失?？昭ㄝd流子的不斷產(chǎn)生和消失，相當(dāng)于空穴(正電荷)的移動(dòng)。由于電子和空穴的移動(dòng)，就使半導(dǎo)體具有導(dǎo)電性。純半導(dǎo)體在外界因素作用下所產(chǎn)生的電導(dǎo)率叫本征電導(dǎo)率。這種電導(dǎo)率僅取決于半導(dǎo)體本身原子的激發(fā)狀態(tài)。自由電子空穴對(duì)隨著外界條件的消失而消失，電子與空穴互相復(fù)合，恢復(fù)到激發(fā)前的平衡狀態(tài)，使本征電導(dǎo)率趨近于零。即使在激發(fā)的非平衡狀態(tài)下，純半導(dǎo)體中電子-空穴對(duì)的數(shù)目仍然有限，離導(dǎo)電的實(shí)際要

8、求還差得很遠(yuǎn)，故純半導(dǎo)體的用處不大。二、半導(dǎo)體禁帶寬度和光學(xué)特性硅原子遵守量子力學(xué)的下述原理：原子中的電子分布在層次分明的各個(gè)能級(jí)上；電子從能量較低的能級(jí)躍遷到能量較高的能級(jí)，需要吸收一定的能量；當(dāng)原子形成晶體時(shí)，由于原子之間的影響，單一的能級(jí)變成具有一定幅度的能帶，每個(gè)能帶由若干能級(jí)組成。原子中最外層電子或價(jià)電子所在的能帶為價(jià)帶，通常也是被電子占用的能量最高的能帶，也叫滿帶。少數(shù)電子由于熱運(yùn)動(dòng)的緣故，可以躍遷到上面空著的具有較高能量的能帶，成為導(dǎo)電的自由電子，具有能導(dǎo)電的電子的最高能帶為導(dǎo)帶。價(jià)帶和導(dǎo)帶之間有一個(gè)空隙帶，叫做禁帶。禁帶具有一定的能量，這種能量叫做禁帶寬度。實(shí)際上，這個(gè)能量是導(dǎo)

9、帶的最低能級(jí)與滿帶的最高能級(jí)的能量差。禁帶寬度用Eg表示。對(duì)于絕緣體Al2O3，其室溫下的禁帶寬度為10eV，而半導(dǎo)體鍺的禁帶寬度僅為0.7eV，硅的禁帶寬度為1.12eV。當(dāng)電子受到激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶以后，在滿帶中留下空穴?？昭ㄖ辉诎雽?dǎo)體的晶格中形成。當(dāng)半導(dǎo)體表面受到光的照射時(shí)，光可能被反射、吸收或透射。有些光子的能量大到是以使電子掙脫原子的束縛，同時(shí)把電子由價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，使半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)。這種現(xiàn)象叫內(nèi)光電效應(yīng)(光子把電子打出金屬的現(xiàn)象是外光電效應(yīng))。實(shí)現(xiàn)內(nèi)光電效應(yīng)的條件是其中，為光子的能量，eV；h為普朗克常數(shù)，4.136×1015eV·s；v是光的頻率，

10、1/s。半導(dǎo)體材料就是依靠?jī)?nèi)光電效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)化為電能的。只有當(dāng)射入光子的能量大于禁帶寬度的能量時(shí)，才能使半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，實(shí)現(xiàn)光電的能量轉(zhuǎn)換；否則光子對(duì)光電能量轉(zhuǎn)換過程不起作用。被半導(dǎo)體材料吸收的每個(gè)具有>Eg的光子能產(chǎn)生一個(gè)而且僅是一個(gè)電子-空穴對(duì)。光子的能量決定于其頻率或波長(zhǎng)。能量高于禁帶寬度的入射光子可以被電子完全吸收，吸收了能量的電子就躍過禁帶，到達(dá)導(dǎo)帶中的較高的能級(jí)。當(dāng)電子最終落到導(dǎo)帶底層時(shí)，其從光子接受的多余能量就以熱能的形式釋放到晶格中。由此可見，禁帶寬度這個(gè)物理量，對(duì)于太陽(yáng)能電池來說，具有舉足輕重的影響，它使每種太陽(yáng)能電池對(duì)所吸收的光的波長(zhǎng)都有一定的選擇性。

11、由于v=c/，c為光速，m/s，所以有波長(zhǎng)大于截止波長(zhǎng)的光不能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。下表列出了各種半導(dǎo)體材料的禁帶寬度和截止波長(zhǎng)，以及可供利用的太陽(yáng)能比率?？梢钥闯?，禁帶寬度越大，可供利用的太陽(yáng)能就越少。半導(dǎo)體材料在吸收光子時(shí)，還表現(xiàn)出一種“帶隙”的特性。光子不是在半導(dǎo)體表面全部被吸收，而是在材料的一層厚度里逐步被吸收。一般情況下，光子能量通量，即單位時(shí)間通過單位截面的光子能量(光強(qiáng)，亦代表光子數(shù))是光子在材料中運(yùn)動(dòng)的距離x的函數(shù)，即其中，I(x)是在深度x處的光的強(qiáng)度，W/m2；I(0)是射入正交表面的光強(qiáng)，W/m2；a是吸收系數(shù)，1/m。同一種半導(dǎo)體材料，對(duì)頻率高的光子，一般吸收系數(shù)也大；不同的半

12、導(dǎo)體材料，對(duì)同一頻率的光子，一般吸收系數(shù)不同。這就意味著太陽(yáng)能電池對(duì)半導(dǎo)體材料的薄膜厚度有一定的要求。例如，若要吸收90%以上的光子能量，半導(dǎo)體Si的薄膜厚度需超過100um，而半導(dǎo)體GaAs的薄膜厚度只需要1um。三、半導(dǎo)體的摻雜特性沒有雜質(zhì)的純半導(dǎo)體也稱為本征半導(dǎo)體。為了使半導(dǎo)體具有實(shí)用性，在半導(dǎo)體中加入少量雜質(zhì)可能改變其導(dǎo)電機(jī)制(電子導(dǎo)電或者空穴導(dǎo)電)，這種半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。如果雜質(zhì)半導(dǎo)體中的導(dǎo)電載流子主要是電子，則稱為n型半導(dǎo)體；若載流子主要是空穴，稱為p型半導(dǎo)體。下圖顯示了在硅晶格中加入雜質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)。當(dāng)摻入具有5個(gè)價(jià)電子的磷原子時(shí)，磷原子替代了硅晶格中的硅原子，其4個(gè)價(jià)電子和周

13、圍的4個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，同時(shí)多出一個(gè)價(jià)電子。這個(gè)價(jià)電子受原子核的束縛較小，其能級(jí)屬于禁帶，但靠近導(dǎo)帶，容易被激發(fā)到導(dǎo)帶中而成為自由電子。當(dāng)在硅晶體中加入的磷原子是夠多時(shí)，就能產(chǎn)生很多自由電子。當(dāng)受到外界條件激發(fā)時(shí)，半導(dǎo)體中的自由電子(負(fù)電荷)數(shù)遠(yuǎn)多于空穴(正電荷)數(shù)，自由電子稱為多數(shù)載流子或多子，空穴稱為少數(shù)載流子或少子。像磷原子這樣的能在半導(dǎo)體中貢獻(xiàn)自由電子的雜質(zhì)原子稱施主。這種主要依靠從施主能級(jí)激發(fā)到導(dǎo)帶中去的電子來導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為電子型或n型半導(dǎo)體，如摻入磷原子的硅就稱為n型硅。當(dāng)摻入有3個(gè)價(jià)電子的硼原子時(shí)，一個(gè)硼原子替代硅晶格中的一個(gè)硅原子，與周圍的4個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)還缺少一個(gè)價(jià)

14、電子，換句話說，有一個(gè)多余的空穴。硼原子的價(jià)電子能級(jí)雖然也屬于禁帶，但靠近滿帶，滿帶中的電子就容易被激發(fā)到硼原子能級(jí)，從而填補(bǔ)該空穴，同時(shí)留下一個(gè)能級(jí)較低的新空穴。這就是說，摻入雜質(zhì)硼的作用是為半導(dǎo)體硅提供了多數(shù)載流子空穴，而電子卻是少數(shù)載流子。像硼原子這樣的能在半導(dǎo)體中貢獻(xiàn)空穴的雜質(zhì)原子稱受主。這種主要依靠受主能級(jí)使?jié)M帶中產(chǎn)生空穴來導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為空穴型或p型半導(dǎo)體，如摻入硼原子的硅就稱為p型硅。在室溫?zé)崞胶鉅顟B(tài)下，半導(dǎo)體中導(dǎo)電電子濃度n和空穴濃度p的關(guān)系如下：其中，B對(duì)所有半導(dǎo)體幾乎是個(gè)常數(shù)，B1039/cm6；Eg是半導(dǎo)體禁帶寬度；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；對(duì)本征半導(dǎo)體，m=p=n

15、i，ni為本征載流子濃度。在n型半導(dǎo)體中，施主濃度Nd>>ni，則在p型半導(dǎo)體中，受主濃度Na>>ni，則可見，n型半導(dǎo)體中電子是多子，空穴是少子；p型半導(dǎo)體中則相反。摻入雜質(zhì)的p型和n型半導(dǎo)體本身都是電中性的，但是在吸收光子以后，由于基體材料(如硅等)中的原子激發(fā)而形成電子-空穴對(duì)和雜質(zhì)產(chǎn)生多數(shù)載流子，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率大為增加。如在室溫下，純凈硅的ni1010 /cm3，若摻雜磷原子的濃度Nd=n=1015/cm3，則p=105/cm3。而金屬的ni>1022/cm3，顯然純凈硅的導(dǎo)電性很差，摻雜后的n型硅的導(dǎo)電性大為增強(qiáng)。需要指出的是，當(dāng)摻雜半導(dǎo)體的溫度很

16、高時(shí)，不論是p型還是n型，由于施主和受主能級(jí)都居于禁帶中央，摻雜半導(dǎo)體都會(huì)變?yōu)楸菊靼雽?dǎo)體。四、p-n結(jié)在n型半導(dǎo)體內(nèi)，電子很多，空穴很少；而在p型半導(dǎo)體內(nèi)，空穴很多，電子很少。當(dāng)n型和p型半導(dǎo)體接觸時(shí)，在交界面兩側(cè)，電子和空穴的濃度不相等，使空穴由濃度大的p 型區(qū)向濃度小的n型區(qū)擴(kuò)散，同樣，電子由濃度大的n型區(qū)向濃度小的p型區(qū)擴(kuò)散。這就是多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。在未擴(kuò)散以前，n型區(qū)和p型區(qū)都是電中性的。如上所述，多數(shù)載流子的擴(kuò)散使交界面處p型區(qū)一側(cè)出現(xiàn)負(fù)電荷(電子)積累，n型區(qū)一側(cè)出現(xiàn)正電荷(空穴)積累，形成一層電偶極層，這就是p-n結(jié)，其厚度約為0.1um量級(jí)。這樣就在p-n結(jié)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)由n型

17、區(qū)指向p型區(qū)的電場(chǎng)，稱為內(nèi)建電場(chǎng)。內(nèi)建電場(chǎng)的存在，形成一個(gè)從p-n結(jié)的n型區(qū)一側(cè)指向p型區(qū)一側(cè)的電勢(shì)差，叫做勢(shì)壘，也稱為接觸電位差。勢(shì)壘產(chǎn)生對(duì)電荷的作用力。電場(chǎng)的方向與正電荷的受力方向相同，而與負(fù)電荷的受力方向相反。因此，勢(shì)壘起阻止p型區(qū)的空穴繼續(xù)向n型區(qū)擴(kuò)散，甚至被推回p型區(qū)的作用；同樣，勢(shì)壘阻止n型區(qū)的電子向p型區(qū)繼續(xù)擴(kuò)散，甚至被拉回n型區(qū)?？傊瑑?nèi)建電場(chǎng)的建立阻礙了多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。另一方面，當(dāng)p型區(qū)中的電子和n型區(qū)中的空穴移動(dòng)到勢(shì)壘區(qū)附近時(shí)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下卻能向n型區(qū)和p型區(qū)移動(dòng)。這種p-n結(jié)內(nèi)與多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反的少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)叫漂移運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)最后與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)趨于

18、平衡，p-n結(jié)內(nèi)空間電荷區(qū)的厚度不再增加。如果環(huán)境條件不改變，這個(gè)平衡狀態(tài)不會(huì)被破壞?？臻g電荷區(qū)的厚度與半導(dǎo)體中的摻雜濃度有關(guān)。五、太陽(yáng)能電池的工作原理下圖是用p型和n型半導(dǎo)體材料制成的太陽(yáng)能電池的示意圖。在光照下，太陽(yáng)能電池的n型區(qū)和p型區(qū)中原子的價(jià)電子受到激發(fā)，產(chǎn)生一對(duì)對(duì)光生電子-空穴對(duì)，也稱為光生載流子。這樣形成的電子-空穴對(duì)進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)，在各個(gè)方向上(包括向p-n結(jié))遷移。如前所述，由于p-n結(jié)中勢(shì)壘的存在，就可以把遷移到p-n結(jié)附近的電子-空穴對(duì)分開。p型區(qū)內(nèi)的少數(shù)載流子電子被驅(qū)向n型區(qū)，而n型區(qū)內(nèi)的空穴被驅(qū)向p型區(qū)，形成與擴(kuò)散電流相反的漂移電流。結(jié)果在n型區(qū)一側(cè)有過剩的電子積累，而在

19、p型區(qū)有過剩的空穴積累，則在少n結(jié)兩端形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)除了一部分抵消內(nèi)建電場(chǎng)以外，還使p型層帶正電，n型層帶負(fù)電，在n型區(qū)和p型區(qū)之間產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，如下圖所示。第3節(jié) 太陽(yáng)能電池的基本特性一、太陽(yáng)能電池等效電路太陽(yáng)能電池的等效電路如下圖所示，其中開關(guān)元件左側(cè)是p-n型電池的等效電路，右側(cè)是外部負(fù)載的等效電路。光照情況下的太陽(yáng)能電池可以等效為一個(gè)理想電流源、一個(gè)理想二極管、旁路電阻Rsh和串聯(lián)電阻RR的組合。恒定的入射輻射使太陽(yáng)能電池內(nèi)部形成穩(wěn)定的從n型區(qū)到p型區(qū)的反向光生電流Isc，它是由n型區(qū)、空間電荷區(qū)和p型區(qū)中光生載流子的移動(dòng)和漂移而產(chǎn)生的。光生電流在p型區(qū)和

20、n型區(qū)兩端造成一光生電動(dòng)勢(shì)。光生電動(dòng)勢(shì)的電場(chǎng)方向與p-n結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，當(dāng)電池兩級(jí)與外部負(fù)載接通時(shí)，就會(huì)輸出直流電能。理想二極管代表p-n結(jié)。光生電動(dòng)勢(shì)的存在相當(dāng)于在少n結(jié)兩邊加了一個(gè)正偏壓電源(電源正極與p型區(qū)連接，負(fù)極與n型區(qū)連接)，打破了p-n結(jié)內(nèi)擴(kuò)散與漂移兩個(gè)相反過程的平衡，從而推動(dòng)p-n結(jié)交界面上多數(shù)載流子空穴和電子進(jìn)行穩(wěn)定持續(xù)的擴(kuò)散。二極管中的電流ID就是由于這種擴(kuò)散而形成的正向電流，亦稱暗電流。在沒有光輻射的情況下，太陽(yáng)能電池就是一個(gè)普通的半導(dǎo)體二極管。太陽(yáng)能電池的電阻包括等效串聯(lián)電阻RR和等效并聯(lián)電阻Rsh。RR代表p型區(qū)和n型區(qū)半導(dǎo)體材料的體電阻、p-n結(jié)擴(kuò)散層的薄層電

21、阻、電池電極的歐姆接觸電阻等。理想情況下，RR=0；實(shí)際的高質(zhì)量太陽(yáng)能電池其阻值很小，一般小于1。Rsh是考慮到p型區(qū)和n型區(qū)中載流子的產(chǎn)生與復(fù)合、p-n結(jié)載流子泄漏以及電池邊緣載流子泄漏等產(chǎn)生的電流損失而增加的一個(gè)電阻，一般它的阻值是幾千歐。串聯(lián)電阻會(huì)降低工作電壓，電流越大，工作電壓下降得越多。好的單晶硅電池在任何情況下都沒有分流或分流很小(Rsh阻值足夠大)；但是多晶硅和非晶硅電池，并聯(lián)電阻的影響就很明顯。當(dāng)流過負(fù)載RL的電流為IL，負(fù)載的端電壓為V時(shí)，從等效電路可知二、伏安特性和轉(zhuǎn)換效率為了分析太陽(yáng)能電池的工作特性，需要了解p-n結(jié)的伏安特性。下圖表示了沒有光照和有光照兩種情況下簡(jiǎn)化的p

22、-n結(jié)典型的電壓(V)和電流(I)曲線，其中上圖中的上方曲線表示沒有光照時(shí)正偏壓下(正向)的暗特性，下方曲線表示有光照時(shí)正向的明特性。沒有光照時(shí)太陽(yáng)能電池的p-n結(jié)就是一個(gè)普通的二極管。在p-n結(jié)兩端加上正偏壓，使p-n結(jié)的自建電場(chǎng)削弱，就產(chǎn)生從p型區(qū)到n型區(qū)的正向電流。但是，當(dāng)正偏壓較小時(shí)，外部電場(chǎng)不足以克服勢(shì)壘對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散的阻擋作用，正向電流仍然很小。只有當(dāng)正偏壓增加到一定的值(稱死區(qū)電壓)時(shí)，p-n結(jié)中的正向擴(kuò)散電流才能大大超過反向漂移電流，使正向電流迅速增加。此時(shí)，p-n結(jié)很窄，載流子的擴(kuò)散、復(fù)合電阻很小，電流增加的變化率很大。在有光照的情況下，光電流的特性疊加到暗特性曲線上，由于

23、光電流方向與正向電流相反，故明特性光伏曲線下移，如圖所示。在明特性曲線中，Voc是未接負(fù)載時(shí)的開路電壓，即是開路狀態(tài)下的光電壓。對(duì)應(yīng)開路電壓的負(fù)載電流等于0，此時(shí)若忽略并聯(lián)電阻Rsh中的電流，則光生電流與暗電流大小相等，即IL=ID。明特性曲線上的Isc是電池p型區(qū)和n型區(qū)兩端電極短路時(shí)的短路電流，其對(duì)應(yīng)的端電壓為0。短路時(shí)，暗電流為0，短路電流就是光生電流，其大小與照射到電池上的光通量成正比，還與電池設(shè)計(jì)有關(guān)。具有理想p-n結(jié)的太陽(yáng)能電池的輸出電流是短路電流和暗電流的代數(shù)和，其I-V曲線由下式確定：式中，V為電壓，V；e為基本電荷，1.6×10-19C；k為玻爾茲曼常數(shù)，1.38&

24、#215;10-23J/K；T為溫度，K；I0為無(wú)光照時(shí)的反向飽和電流，A；Isc為短路電流，A。對(duì)反向飽和電流I0作簡(jiǎn)單說明如下：在無(wú)光照情況下，如果在p-n型電池兩端加反偏壓(電源正極接n型區(qū)，負(fù)極接p型區(qū))，一方面外加電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)方向一致，使p-n結(jié)兩邊多子的擴(kuò)散阻力更大，另一方面也使p型區(qū)和n型區(qū)里擴(kuò)散到p-n結(jié)附近的為數(shù)不多的少子向?qū)Ψ降钠聘吶菀?。少子的漂移形成反向電流，隨反偏壓的增加而緩慢增大。因?yàn)閜型區(qū)和n型區(qū)中沒有光照激發(fā)產(chǎn)生的載流子，當(dāng)反偏壓足夠大時(shí)，反向電流將達(dá)到飽和，稱為反向飽和電流。一般硅p-n結(jié)的I0很小，只有幾微安到幾十微安。將前圖上圖第四象限的明特性曲線

25、向上翻轉(zhuǎn)180°，得到圖的下圖。圖中的曲線是負(fù)載從零變到無(wú)窮大時(shí)，太陽(yáng)能電池的負(fù)載特性曲線。曲線上的任一點(diǎn)都稱為工作點(diǎn)。工作點(diǎn)(Vmp，Imp)界定的矩形面積Pmp=ImpVmp是電池在該工作點(diǎn)的輸出功率。使Pmp達(dá)到最大值Pm的工作點(diǎn)(Vm，Im)稱為最佳工作點(diǎn)，與其對(duì)應(yīng)的Pm、Vm、Im及負(fù)載Rm分別是最大輸出功率、最佳工作電壓、最佳工作電流和最佳負(fù)載電阻。從下圖可見，負(fù)載特性曲線不會(huì)超過開路電壓Voc和短路電流Isc界定的矩形范圍，即太陽(yáng)能電池輸出功率的極限值不會(huì)超過矩形面積VocIsc。這就意味著太陽(yáng)能電池的輸出特性曲線越充滿該矩形越好。因此，常用填充因子的大小來評(píng)價(jià)太陽(yáng)能電

26、池輸出特性的優(yōu)劣。填充因子定義為最大輸出功率與VocIsc的比值，即太陽(yáng)能電池最重要的性能指標(biāo)之一是光電轉(zhuǎn)換效率或簡(jiǎn)稱為效率。效率的定義是太陽(yáng)能電池的最大輸出電功率與輸入光功率之比，即其中，IgT是太陽(yáng)能電池單位表面積上的入射太陽(yáng)總輻射，W/m2；A為太陽(yáng)能電池的上表面積，m2。 由上式可以得到上圖指出了開路電壓Voc、短路電流Isc和太陽(yáng)能電池表面的入射太陽(yáng)輻射的關(guān)系。短路電流隨輻射強(qiáng)度線性變化，即其中，m為比例常數(shù)，A·m2/W；IgT為總輻射，W/m2。開路電壓隨入射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度呈對(duì)數(shù)變化，用Isc代替IgT，可以得到其中，Eg為禁帶寬度，J；e為基本電荷，1.6×1

27、0-19C；k為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；T為太陽(yáng)能電池的溫度，K；Iso為和材料有關(guān)的特性電流。開路電壓受到禁帶寬度Eg、溫度和特征值Iso的影響，該值依賴于半導(dǎo)體的特性。將上面兩式代入前式，可以得到上式表明，太陽(yáng)能電池的效率和太陽(yáng)輻射呈對(duì)數(shù)關(guān)系。其定性變化與前圖中Voc的變化相同。效率先是快速增加，在輻射達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，效率增加變得非常緩慢。上式也說明，太陽(yáng)能電池應(yīng)在盡可能低的溫度下運(yùn)行，以提高效率。太陽(yáng)能電池的效率還依賴于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，它代表所吸收的光子的能量。太陽(yáng)輻射的光譜分布很廣，如下圖所示。圖中AM的含義是大氣質(zhì)量；AM0表示大氣層外的太陽(yáng)輻射，未

28、受到大氣層的反射和吸收；AM1表示垂直于地表面的太陽(yáng)輻射。禁帶寬度很小的半導(dǎo)體可以吸收大部分的太陽(yáng)輻射，從而形成很大的光電流。例如，硅的禁帶寬度為1.1eV，從圖可以看出，硅能吸收絕大部分的太陽(yáng)輻射。禁帶寬度小，一方面由于吸收了大量的太陽(yáng)輻射，形成大量的電子-空穴對(duì)，從而增加了短路電流，有利于提高太陽(yáng)能電池的效率；但是另一方面，開路電壓Voc會(huì)降低，又導(dǎo)致電池效率的降低。對(duì)于禁帶寬度非常小的材料，開路電壓低是導(dǎo)致電池效率低的原因；而對(duì)于禁帶寬度很大的材料，低的效率是由于只吸收了有限的太陽(yáng)輻射?？梢云谕硞€(gè)適當(dāng)?shù)慕麕挾饶軐?dǎo)致最大的電池效率。三、影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素由式可知，提高太陽(yáng)能電

29、池轉(zhuǎn)換效率的基本方向是綜合提高開路電壓、短路電流和填充因子。這三個(gè)參數(shù)不是獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)、相互制約，受到多種因素的影響。影響這些參數(shù)的因素主要有三類：太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體材料的性質(zhì)，包括基體材料性質(zhì)和摻雜特性。材料性質(zhì)影響到對(duì)光輻射的吸收和反射，禁帶寬度，載流子的產(chǎn)生、擴(kuò)散與復(fù)合等光電轉(zhuǎn)換中的基本微觀物理過程。太陽(yáng)能電池的制造工藝。制造工藝是否精良直接關(guān)系到電池的等效串聯(lián)電阻和等效并聯(lián)電阻。太陽(yáng)能電池的工作條件，如溫度。這里僅介紹以下幾種影響轉(zhuǎn)換效率的因素。1、光損耗光損耗來自三個(gè)方面。一是入射光在太陽(yáng)能電池表面受到反射。不同材料的表面對(duì)太陽(yáng)光的反射系數(shù)不一樣。硅的反射率很高，如果不采取減反

30、射措施，約等于30。但只要在硅片上蒸鍍一層Ti2O或其他減反射膜，在可見光譜范圍內(nèi)，反射系數(shù)可以減至6。另一方面，能量小于Eg的光子的能量不能轉(zhuǎn)化為電能，而是變?yōu)闊崮軗p耗掉。再加上能量大于Eg的那部分光子，產(chǎn)生光生載流子以后，還可能有多余的能量，也變成熱量損耗掉。另外，光譜中長(zhǎng)波一側(cè)的一小部分輻射能量能夠穿透電池片而到達(dá)背電極，也損失掉了。這些統(tǒng)稱為量子損失，它依賴于材料的禁帶寬度。 這里引入光譜因子的概念。所渭光譜因子，就是受入射光子激發(fā)而產(chǎn)生的光生載流子獲得的能量與入射總光強(qiáng)度的比，表示如下：其中，g為截止波長(zhǎng)，m；Ii為入射光強(qiáng)度，W/m2；c為光速，m/s。2、復(fù)合損失半導(dǎo)體吸收光輻射

31、會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，打破了原有的載流子濃度的平衡。像一切自然過程一樣，隨著舊的平衡被破壞，恢復(fù)新的平衡狀態(tài)的趨勢(shì)也就同時(shí)產(chǎn)生了。這種恢復(fù)過程叫做復(fù)合，是產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的逆過程，即電子從導(dǎo)帶返回價(jià)帶，使受光子激發(fā)生成的電子和空穴湮滅。半導(dǎo)體電池在接受光照工作時(shí)，其內(nèi)部可能同時(shí)存在三種機(jī)制的載流子復(fù)合：直接復(fù)合、通過復(fù)合中心的復(fù)合和表面復(fù)合。載流子的復(fù)合導(dǎo)致被吸收能量的損失。(1)直接復(fù)合。在半導(dǎo)體的p型區(qū)，空穴是多子，電子是少子；在n型區(qū)，電子是多子，空穴是少子。在光生電場(chǎng)和熱運(yùn)動(dòng)的作用下，有一部分電子少子和空穴少子分別向p型方向和n型方向作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，在半導(dǎo)體內(nèi)部形成一股從太陽(yáng)能電池的正極指向

32、負(fù)極的電流。當(dāng)一個(gè)少子在擴(kuò)散中遇到一個(gè)多子(空穴或電子)時(shí)，就發(fā)生直接復(fù)合，電子從導(dǎo)帶回歸滿帶，實(shí)現(xiàn)了電子-空穴對(duì)的湮滅，同時(shí)釋放出從輻射光獲得的等于禁帶寬度的能量Eg，從而造成光電轉(zhuǎn)換的能量損失。在統(tǒng)計(jì)意義上，載流子從生成地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到復(fù)合地點(diǎn)這段距離的平均值稱為擴(kuò)散長(zhǎng)度，它是太陽(yáng)能電池性能的一個(gè)重要參數(shù)?？臻g技術(shù)中用的硅電池的擴(kuò)散長(zhǎng)度大約為160um。與p-n結(jié)距離超過擴(kuò)散長(zhǎng)度的載流子，在未到達(dá)p-n結(jié)以前，就能被直接復(fù)合掉。(2)中心復(fù)合。在內(nèi)建電場(chǎng)力的作用下，從p型區(qū)和n型區(qū)運(yùn)動(dòng)到與p-n結(jié)邊界的距離在擴(kuò)散長(zhǎng)度以內(nèi)的多子被吸入勢(shì)壘區(qū)；在這個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生的少子被掃入勢(shì)壘區(qū)；在勢(shì)壘區(qū)里也有電

33、子-空穴對(duì)生成。勢(shì)壘區(qū)內(nèi)電子的能級(jí)屬于禁帶能級(jí)，此處電子與空穴的復(fù)合屬于復(fù)合中心的復(fù)合，復(fù)合使電子釋放出能量。這種中心復(fù)合也產(chǎn)生一股從太陽(yáng)能電池的正極指向負(fù)極的電流。前面提到的太陽(yáng)能電池的暗電流就是由直接復(fù)合和中心復(fù)合共同產(chǎn)生的。(3)表面復(fù)合。由于電池的表面結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，如存在晶格中斷、畸變、缺陷、雜質(zhì)等原因，形成了大量的表面復(fù)合中心。光的輻照首先在電池表面層激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其中一部分少子還來不及向晶體內(nèi)部擴(kuò)散就被表面復(fù)合中心復(fù)合了，導(dǎo)致少子即能量的損失。上述復(fù)合過程使光輻射產(chǎn)生的過剩載流子不能全部被收集到太陽(yáng)能電池的輸出電極上，使能形成負(fù)載電流的載流子只占全部光生載流子的一定比例，這

34、就是所謂的收集效率。收集效率與很多因素有關(guān)，如p-n結(jié)寬度、過剩載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度、光波在半導(dǎo)體中的吸收系數(shù)以及表面復(fù)合速度等。從宏觀角度看，太陽(yáng)能電池中少子的復(fù)合減小了短路電流Isc和開路電壓Voc，從而使轉(zhuǎn)換效率降低。電池晶體內(nèi)因復(fù)合而產(chǎn)生的暗電流使輸出電流減小。因此改善電池表面質(zhì)量、減小暗電流是提高太陽(yáng)能電池效率的重要方面。3、電壓因子損失在理論上，開路電壓Voc應(yīng)等于p-n結(jié)的勢(shì)壘Vj=Eg/e，其中Eg是禁帶寬度，e是基本電荷。但是實(shí)際上，由于電池的p-n結(jié)等處存在電流泄漏(等效并聯(lián)電阻Rsh)，使開路電壓降低，從而造成效率損失。常用電壓損失因子來表示這種損失：如硅光電池的Eg為1.1

35、2eV，而開路電壓只有0.450.61V，理想電池的開路電壓為0.82V。這項(xiàng)損失就達(dá)到40%50%。為了減少電壓因子損失，就必須使p-n結(jié)的漏電流減至最小。4、串聯(lián)電阻上的損失太陽(yáng)能電池串聯(lián)電阻的存在直接影響輸出電壓，亦即填充因子的大小。在運(yùn)行條件下，太陽(yáng)能電池的填充因子永遠(yuǎn)不可能達(dá)到1。對(duì)于理想電池，填充因子為0.8，由于串聯(lián)電阻的存在，填充因子為0.70.75。由于這些原因，太陽(yáng)能電池的效率遠(yuǎn)小于下圖所示的值。電池的轉(zhuǎn)換效率可以表示為電壓因子、填充因子和光譜因子的乘積，即該轉(zhuǎn)換效率稱為極限轉(zhuǎn)換效率或理想轉(zhuǎn)換效率。不同半導(dǎo)體材料的極限轉(zhuǎn)換效率如下圖所示。第4節(jié) 幾種典型的太陽(yáng)能電池一、晶體

36、硅太陽(yáng)能電池晶體硅太陽(yáng)能電池是典型的p-n結(jié)型太陽(yáng)電池，它的研究最早、應(yīng)用最廣。晶體硅太陽(yáng)能電池又可以分為單晶硅電池、鑄造多晶硅電池和帶狀多晶硅電池。目前開發(fā)最多的是典型的單晶硅太陽(yáng)能電池。這種電池的效率為12%14%，在實(shí)驗(yàn)室能達(dá)到20%。電池厚度為0.20.3mm。傳統(tǒng)的制造硅太陽(yáng)能電池的工藝過程，主要包括生長(zhǎng)單晶、切片、摻雜、形成p-n結(jié)和電極、裝配等幾個(gè)獨(dú)立的步驟。首先要用石英砂生產(chǎn)工業(yè)硅。工業(yè)硅經(jīng)過提純生長(zhǎng)成單晶，通常采用Czochralski方法。該過程中，將一個(gè)單晶粒放入盛有含一定量雜質(zhì)的熔融態(tài)硅的坩堝中。晶粒會(huì)慢慢旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，使熔融的硅在離開液面時(shí)固化和生長(zhǎng)。硅的轉(zhuǎn)化過程、熔融

37、過程及單晶粒的制備過程都是高耗能的，是太陽(yáng)能電池生產(chǎn)中高成本的一步(硅的熔點(diǎn)為1415)。對(duì)于地面應(yīng)用來說，人們考慮更多的是太陽(yáng)能電池的成本而不是效率。因此，全世界都在努力降低生產(chǎn)硅晶體和晶片所需的能耗、時(shí)間和成本。非晶硅也很重要。非晶硅的禁帶寬度為1.6eV，非常接近最優(yōu)值1.5eV。其吸收系數(shù)比單晶硅高12個(gè)數(shù)量級(jí)。因此可以采用非常薄的大約1um厚的膜。和多晶硅相比，非晶硅的晶體結(jié)構(gòu)很不規(guī)則。這也是早期認(rèn)為非晶硅不能用來生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的原因?，F(xiàn)在已經(jīng)知道，通過滲入氫，可以彌補(bǔ)大部分的晶體缺陷，同時(shí)氫又相當(dāng)于硅中的雜質(zhì)。由于制造工藝簡(jiǎn)單，非晶硅受到了科學(xué)家和制造商的極大關(guān)注。二、薄膜太陽(yáng)能電

38、池薄膜太陽(yáng)能電池的厚度一般只有110um，制備在玻璃等相對(duì)廉價(jià)的襯底支撐材料上，可以實(shí)現(xiàn)低成本、大面積的工業(yè)化生產(chǎn)。根據(jù)薄膜材料的不同，主要的薄膜包括砷化鎵薄膜太陽(yáng)電池、非晶硅薄膜太陽(yáng)電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)電池、銅銦硒薄膜太陽(yáng)電池及碲化鎘太陽(yáng)能電池等。1、砷化鎵薄膜太陽(yáng)能電池砷化鎵(GaAs)是硅材料之外的另一種重要的半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為1.43eV，太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換理論效率相對(duì)較高；但是相對(duì)于硅太陽(yáng)電池，GaAs薄膜太陽(yáng)電池的生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜，能耗大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高。一般而言，GaAs薄膜太陽(yáng)電池的制備采用液相外延(LPE)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)等生長(zhǎng)技術(shù)，在GaAs單晶

39、襯底上，生長(zhǎng)n型和p型GaAs薄膜，構(gòu)成單結(jié)、雙結(jié)和多結(jié)薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)。2、非晶硅薄膜太陽(yáng)電池非晶硅薄膜太陽(yáng)電池與晶體硅太陽(yáng)電池相比，具有重量輕、工藝簡(jiǎn)單、成本低和耗能少的特點(diǎn)。非晶硅太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)不同于晶體硅中的簡(jiǎn)單的p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，而是pin結(jié)構(gòu)，即在p層與n層之間加入較厚的本征層i。非晶硅薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)分為單結(jié)和多結(jié)疊層。對(duì)于單結(jié)電池，基本是在玻璃、不銹鋼、陶瓷和塑料等襯底上，制備pin結(jié)構(gòu)的非晶硅層。這種太陽(yáng)能電池是異質(zhì)結(jié)電池，因?yàn)榘瑑煞N能帶結(jié)構(gòu)不同的材料。異質(zhì)結(jié)是不同禁帶寬度p-n結(jié)的組合，禁帶寬度大的半導(dǎo)體通常面對(duì)入射光。這種情況下輻射的吸收主要是在第二種材料的上表面。和普通p-

40、n結(jié)電池相比，異質(zhì)結(jié)電池也具有很寬的光譜敏感性。該電池的有效禁帶寬度大約是1.1eV。單個(gè)電池的最大效率約為8%，串聯(lián)電池組的最大效率大約為3%6%。三、幾種特殊的太陽(yáng)能電池因?yàn)樘?yáng)能電池的成本很高，所以用更高的太陽(yáng)輻射照射太陽(yáng)能電池一直是深入研究的一個(gè)問題。像在集熱器中那樣，采用聚光器，如組合平面鏡或者聚焦透鏡，可以得到更高的太陽(yáng)輻射。使用聚光器的電池要有太陽(yáng)跟蹤設(shè)備。但是，采用高輻射會(huì)導(dǎo)致一些特殊問題，如增加等效電路的串聯(lián)電阻。對(duì)于典型的硅太陽(yáng)能電池，在正常太陽(yáng)輻射條件下，串聯(lián)電阻大約為0.1，對(duì)應(yīng)的功率損失大約為4%。如果輻射增強(qiáng)100倍，那么功率損失達(dá)到90%，因?yàn)楣β蕮p失和電流的平方成正比。因此，聚光的太陽(yáng)能電池必須經(jīng)過特殊的摻雜，采用特殊的金屬電極，以減少由于表面電阻造成的損失。聚光的另一個(gè)問題是太陽(yáng)能電池的效率隨溫度升高而下降，如下圖所示。一種改進(jìn)措施是采取混合收集器，利用循環(huán)水來冷卻收集器，就像在太陽(yáng)能集熱器中那樣。這種混合型收集器對(duì)于效率在100左右開始下降的半導(dǎo)體材料(如砷化鎵)是非?？尚械?。冷卻水可以用作采暖熱水，或者作其他低溫利用。第5節(jié) 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)一、太陽(yáng)能電池的連接太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的基本單位，單個(gè)的太陽(yáng)能電池的