光伏工程師必須掌握的電池理論基礎(chǔ)(共7頁)

1、光伏工程師必須(bx)掌握的電池理論基礎(chǔ) HYPERLINK /CAT-260018-dianchijishu.html o 光伏電池(dinch) t _blank 光伏電池(dinch)生產(chǎn)制造可以說是 HYPERLINK /CATList-2600-8400-solar.html o 光伏產(chǎn)業(yè) t _blank 光伏產(chǎn)業(yè)鏈中最重要，也是技術(shù)含量最高的環(huán)節(jié)，熟悉掌握太陽能電池相關(guān)的理論基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)一步理解電池生產(chǎn)工藝及高效電池的研發(fā)都是很有必要的，為此筆者對(duì) HYPERLINK / o 太陽能光伏 t _blank 太陽能光伏電池理論做了一些基礎(chǔ)總結(jié)。 光學(xué)基礎(chǔ)晶體硅的禁帶寬度為Eg=1.1

2、2ev，其隨溫度而變化，但一般在1.11.3ev之間。由hv=hc/=Eg推出：=hc/Eg=1.24/1.12=1100nm（本征吸收的光波極限）由光生伏特效應(yīng)可知：只有波長(zhǎng)小于1100nm的才能在硅中激發(fā)出出電子空穴對(duì)，即產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。而如下圖所示，97%以上的太陽輻射能的波長(zhǎng)位于2903000nm，可見光波長(zhǎng)為380（紫色）780（紅色）nm。故能產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的光子占大部分的為可見光。太陽光譜中波長(zhǎng)大于1.1m不能產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，而是轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，這部分占光能的25%；而當(dāng)光子能量大于禁帶寬度1.12ev時(shí)，只能激發(fā)產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，剩余的能量轉(zhuǎn)化為熱量，這部分損失的能量同樣占

3、總光能的25%。所以用于轉(zhuǎn)化為電能的能量只占太陽能總能量的50%。半導(dǎo)體材料的光吸收（包括熱能和轉(zhuǎn)換的電能等）當(dāng)一束光照射在物體上時(shí)，一部分入射光線在物體表面反射或散射，一部分被物體吸收，另一部分可能透過物體。也就是說，光能的一部分可以被物體吸收。隨著物體厚度的增加，光吸收也增加。如果(rgu)入射光的能量為I0，則在離表面距離x處，光的能量為I = I0 e-ax式中，a為物體的吸收系數(shù)，表示光在物體中傳播1/a距離時(shí)，能量因吸收而衰減到原來(yunli)的1/e。半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)較大，一般在105cm-1以上，能夠強(qiáng)烈的吸收光的能量。被吸收的光能將使材料中能量低的電子躍遷到較高的能級(jí)。

4、硅材料是間接能帶材料，在可見光范圍內(nèi)，硅的光吸收(xshu)系數(shù)遠(yuǎn)低于其他太陽能光電材料，如吸收95%的太陽光，GaAs太陽電池只需要510m的厚度，而硅太陽電池則需要150m以上的厚度；因此在制備晶體硅太陽電池時(shí)，硅片的厚度在150200m以上，才能有效的吸收太陽能。直接帶隙和間接帶隙的區(qū)別主要體現(xiàn)在光的吸收系數(shù)，直接帶隙半導(dǎo)體的吸收系數(shù)大于間接帶隙，這樣直接帶隙的半導(dǎo)體可以做的更薄且能量損失也少。另外，根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論，平面電磁波在物質(zhì)中傳播時(shí)，其電矢量和磁矢量都按指數(shù)規(guī)律 exp（-xc-1）衰減。將電矢量和磁矢量的exp（-xc-1）相乘積即得：（基本關(guān)系：T=/v， = 2/T ）稱

5、為消光系數(shù)，半導(dǎo)體的消光系數(shù)與入射光的波長(zhǎng)無關(guān)。由上可知，光波越短吸收系數(shù)越大，半導(dǎo)體對(duì)愈短波長(zhǎng)的光吸收愈強(qiáng)，光強(qiáng)隨距離的衰減越嚴(yán)重。對(duì)故短波長(zhǎng)的光來說，其主要在半導(dǎo)體表面被吸收。所以說深結(jié)時(shí)，由短波長(zhǎng)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在到達(dá)pn結(jié)之前嚴(yán)重復(fù)合，影響其光譜響應(yīng)。光生電流的光學(xué)損失 HYPERLINK /CAT-260018-dianchijishu.html o 太陽能電池(dinch) t _blank 太陽能電池(dinch)的效率損失中，有三種是屬于(shy)光學(xué)損失，其主要影響是降低了光生電流值。1、反射損失：從空氣（或真空）垂直入射到半導(dǎo)體材料的光的反射。以硅為例，在感興趣的太陽光譜中

6、，超過30%的光能被裸露的硅表面反射掉了。2、柵線電極遮光損失c：定義為柵線電極遮光面積在 HYPERLINK / o 太陽能 t _blank 太陽能總面積中所占的百分比。對(duì)一般電池來說，c約為4%-15%。3、透射損失：如果電池厚度不足夠大，某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出。這決定了半導(dǎo)體材料之最小厚度。間接帶隙半導(dǎo)體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。能帶理論對(duì)于n型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中線以上，施主雜質(zhì)ND越大，費(fèi)米能級(jí)位置越高甚至進(jìn)入導(dǎo)帶。對(duì)于p型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)位于中線以下，受主雜質(zhì)NA越大，費(fèi)米能級(jí)越低甚至進(jìn)入價(jià)帶。當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成pn結(jié)時(shí)，以EFn和EFp分別表示

7、n型和p型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)。當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成pn結(jié)時(shí)，按費(fèi)米能級(jí)的意義，電子將從費(fèi)米能級(jí)高的n區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)低的p區(qū)，空穴則從p區(qū)流向n區(qū)，因而EFn不斷下移，且EFp不斷上移，直至EFn=EFp時(shí)為止。這時(shí)pn結(jié)中有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)EF，pn結(jié)處于平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)pn結(jié)能帶圖金屬(jnsh)半導(dǎo)體接觸具有整流效應(yīng)(xioyng)的金屬半導(dǎo)體接觸叫做肖特基接觸(jich)，以此為基礎(chǔ)制成的二極管稱為肖特基二極管。沒有整流效應(yīng)的金屬半導(dǎo)體接觸叫做歐姆接觸。在一定范圍內(nèi)，半導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而降低，金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而升高。由于電流通過后要產(chǎn)熱，兩個(gè)按一定比例串聯(lián)接入電路后，剛好互

8、補(bǔ)，從而使電阻不隨溫度的變化而變化。歐姆接觸時(shí)，接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻，大部分的電壓降在于活動(dòng)區(qū)而不在接觸面。即歐姆接觸不會(huì)形成附加的阻抗，不會(huì)影響半導(dǎo)體中的平衡載流子濃度。一般的本征半導(dǎo)體和金屬接觸產(chǎn)生肖特基勢(shì)壘，如果半導(dǎo)體有很高的摻雜濃度，則接觸近似為歐姆接觸。用E0表示真空中金屬表面外靜止電子的能量，那么，一個(gè)電子要從金屬躍遷到體外所需的最小能量為Wm=E0 - Efm稱為金屬的功函數(shù)或逸出功。（由費(fèi)米能級(jí)的意義可知，能量小于費(fèi)米能級(jí)的量子態(tài)被電子占據(jù)的概率是很高的，大部分電子處于費(fèi)米能級(jí)以下）同樣的，對(duì)于半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體 的功函數(shù)就是E0和費(fèi)米能級(jí)Efs之差，即Ws=E

9、0 - Efs當(dāng)金屬和n型半導(dǎo)體材料接觸時(shí)，如果金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，那么金屬的費(fèi)米能級(jí)就低于半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)，而且兩者的費(fèi)米能級(jí)之差就等于功函數(shù)之差，即Efs - Efm = Wm-Ws接觸后，雖然金屬的電子濃度要大于半導(dǎo)體的電子濃度，但由于金屬的費(fèi)米能級(jí)低于半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)，導(dǎo)致半導(dǎo)體中的電子流向(li xin)金屬。（類似于電子由n流向p）理論上講，要形成歐姆接觸，金屬的功函數(shù)必須小于n型半導(dǎo)體功函數(shù)，即n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)小于金屬費(fèi)米能級(jí)。但除了(ch le)金屬的功函數(shù)外，還有其他因素影響歐姆接觸的形成，其中最重要的是表面態(tài)。當(dāng)半導(dǎo)體具有高表面態(tài)密度時(shí)，金屬功函數(shù)的影響甚至

10、將不再重要（這也是WmWs時(shí)，也可形成歐姆接觸的原因）。根據(jù)歐姆接觸的性質(zhì)，實(shí)際工藝中，常用的歐姆接觸制備技術(shù)有：低勢(shì)壘接觸、高復(fù)合接觸和高摻雜接觸。高摻雜接觸，是在半導(dǎo)體表面摻入高濃度的施主或受主電學(xué)雜質(zhì)，導(dǎo)致金屬半導(dǎo)體接觸的勢(shì)壘很?。〒诫s使禁帶寬度變窄？）。在室溫下，電子通過隧道效應(yīng)產(chǎn)生隧道電流(dinli)，從而不能阻擋電子的流動(dòng)，接觸電阻很小，最終形成歐姆接觸。光生伏特效應(yīng)PN結(jié)由p區(qū)和n區(qū)構(gòu)成，p區(qū)多數(shù)載子為空穴（），n區(qū)多子為電子（），結(jié)合在一起之后結(jié)合處空穴與電子復(fù)合形成一定寬度的耗盡區(qū)，同時(shí)p區(qū)一段距離內(nèi)留下不能移動(dòng)的負(fù)電荷，n區(qū)一段距離內(nèi)留下不能移動(dòng)的正電荷，這一段耗盡區(qū)又稱

11、為空間電荷區(qū)，內(nèi)形成電場(chǎng)，方向從n區(qū)指向p區(qū)。電場(chǎng)力量導(dǎo)致載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，電子pn，空穴np，而本身p和n區(qū)的載流子濃度又造成相應(yīng)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，電子np，空穴pn，這兩種運(yùn)動(dòng)會(huì)達(dá)成一定的平衡。故無光照時(shí)，硅電池是不帶電的；光照時(shí)，當(dāng)光子能量大于禁帶寬度的光垂直照射在PN結(jié)上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子空穴對(duì)發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)，打破了兩種運(yùn)動(dòng)的平衡，形成了N型流向P型的光生電流I1，從而導(dǎo)致形成了P型指向N型的光生電場(chǎng)及光生電勢(shì)。（但所形成的光生電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)相反，使得擴(kuò)散電流大于漂移電流，從而產(chǎn)生了凈的正向電流If。）此時(shí)光照時(shí)流過外加負(fù)載的電流為I = I1 - If。方塊電阻的

12、定義擴(kuò)散(kusn)層的方塊電阻又叫做方塊電阻，用RS或R來表示。它表示表面為正方形的擴(kuò)散薄層，在電流方向上所呈現(xiàn)(chngxin)出來的電阻。由電阻公式（1）可知，方塊電阻(dinz)表達(dá)式可以寫成：（2）式中、 分別為擴(kuò)散薄層的平均電阻率和平均電導(dǎo)率。d薄層厚度（即結(jié)深）。為了表示方塊電阻不同于一般的電阻，其單位用（歐姆/方塊）或/表示。我們知道，在雜質(zhì)均勻分布的半導(dǎo)體中，假設(shè)在室溫下雜質(zhì)已經(jīng)全部電離，則半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度就可以用凈雜質(zhì)濃度來表示。對(duì)于擴(kuò)散薄層來說，在擴(kuò)散方向上各處的雜質(zhì)濃度是不相同的，載流子遷移率也是不同的。但是當(dāng)我們使用平均值概念時(shí)，擴(kuò)散薄層的平均電阻率 與平均雜質(zhì)

13、濃度 應(yīng)該有這樣的關(guān)系：（3）式中q為電子電荷電量； 為平均雜質(zhì)濃度； 為平均遷移率。把（3）式代入（2）式，可以得到：（4）為單位面積擴(kuò)散層內(nèi)的摻雜劑總量。由（4）式 可以看到，方塊電阻與單位面積擴(kuò)散層內(nèi)的凈雜質(zhì)總量 成反比。因此 的數(shù)值就直接反映了擴(kuò)散后在硅片內(nèi)的雜質(zhì)量的多少，也就是說一片擴(kuò)散后的電池片其表面方塊電阻的均勻性直接反應(yīng)了擴(kuò)散雜質(zhì)濃度的均勻性。方塊電阻對(duì)短波響應(yīng)的影響有實(shí)驗(yàn)表明隨著方塊電阻的增大（3375），短波響應(yīng)總體趨勢(shì)提高。分析方塊電阻對(duì)短波響應(yīng)的影響需要深入分析ND和d對(duì)短波響應(yīng)的影響。方塊電阻的提高，可以是結(jié)越來越淺，也可以是磷濃度的降低。結(jié)越來越淺，提高少數(shù)載流子的壽命和收集率，特別是使高能量的光子在表面層產(chǎn)生的光生空穴在達(dá)到勢(shì)壘區(qū)之前不被大量填隙磷原子、位錯(cuò)和缺陷復(fù)合掉，“死層”對(duì)太陽電池的負(fù)影響越來越小，提高了短波響應(yīng)。磷和硅的共價(jià)半徑分別為1.67A和 1.18A，磷擴(kuò)散進(jìn)入硅晶體作為填隙原子，必然產(chǎn)生應(yīng)力。隨著磷濃度的增加，應(yīng)力越來越大，當(dāng)應(yīng)力大到超過斷裂應(yīng)力，在硅單晶的100面上產(chǎn)生位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)。磷