第一章-太陽電池物理基礎(chǔ)2

第一章-太陽電池物理基礎(chǔ)2第一頁，共36頁。生成率生成率是指被光線照射的半導(dǎo)體每一點(diǎn)生成電子的數(shù)目。假設(shè)減少的那部分光線能量全部用來產(chǎn)生電子空穴對(duì)，那么通過測(cè)量透射過電池的光線強(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。G=αN0e-αxN0為表面的光子通量（光子/單位面積.秒）

α為吸收系數(shù)，x為進(jìn)入材料的距離。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。第一頁第二頁，共36頁。進(jìn)入硅的深度電子空穴對(duì)的生成率

對(duì)于光伏應(yīng)用來說，入射光是由一系列不同波長的光組成的，因此不同波長光的生成率也是不同的。下圖顯示三種不同波長的光在硅材料中的生成率。第二頁第三頁，共36頁。

計(jì)算一系列不同波長的光的生成率時(shí)，凈的生成率等于每種波長的總和。下圖顯示入射到硅片的光為標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜時(shí)，不同深度的生成率大小。Y軸的范圍大小是成對(duì)數(shù)的，顯示著在電池表面產(chǎn)生了數(shù)量巨大的電子空穴對(duì)，而在電池的更深處，生成率幾乎是常數(shù)。第三頁第四頁，共36頁。五、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)帶的同時(shí)也有效地消除了一個(gè)空穴。復(fù)合途徑直接復(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：導(dǎo)帶底躍遷的電子先躍遷到缺陷能級(jí)，然后再躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合。第四頁第五頁，共36頁。根據(jù)能量釋放的方式，復(fù)合又可分為以下三種形式：①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)合過程中能量釋放的途徑可是直接或間接的。直接復(fù)合是沒有聲子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)射聲子直接復(fù)合間接復(fù)合②非輻射復(fù)合。無論直接或間接復(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，此過程極易發(fā)生。第五頁第六頁，共36頁。③俄歇復(fù)合。是一種非輻射復(fù)合，它的能量釋放途徑不同于非輻射的釋放能量方式。俄歇過程是導(dǎo)帶中的電子1與價(jià)帶中的空穴2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3，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)的電子再通過發(fā)射聲子而回到導(dǎo)帶底。

在外界條件作用下，非平衡載流子產(chǎn)生并出現(xiàn)不同形式的復(fù)合。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)到原來的平衡狀態(tài)。123123第六頁第七頁，共36頁。④表面和界面復(fù)合。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，將增加載流子在表面或界面區(qū)的復(fù)合。在太陽電池的制備中，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素。第七頁第八頁，共36頁。六、載流子輸運(yùn)性質(zhì)

載流子漂移：在電場(chǎng)作用下，自由空穴沿電場(chǎng)方向漂移，或電子逆電場(chǎng)方向漂移，均可形成電流。載流子從電場(chǎng)不斷獲得能量而加速。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)的散射作用，失去原來的運(yùn)動(dòng)方向或損失能量，這種偏離周期勢(shì)的散射作用使載流子漂移速度不會(huì)無限地增大。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。第八頁第九頁，共36頁。

載流子擴(kuò)散：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)。載流子從高濃度向低濃度的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是載流子重要輸運(yùn)方式。載流子在光激發(fā)下的過程——光照在半導(dǎo)體材料的局部位置，產(chǎn)生非平衡載流子，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)域擴(kuò)散，直至非平衡載流子由于復(fù)合而消失。第九頁第十頁，共36頁。1.2pn結(jié)基礎(chǔ)一、pn結(jié)概念及分類pn結(jié)——摻有施主雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體與摻有受主雜質(zhì)的p型半導(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)成半導(dǎo)體器件及其應(yīng)用組成件的基本單元。pn結(jié)同質(zhì)結(jié)：由同一種材料且?guī)秾挾认嗤珜?dǎo)電類型不同的材料組成；異質(zhì)結(jié)：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LEDS、激光、光電二極管還有雙極結(jié)二極管（BJTS）。一個(gè)pn結(jié)把之前所描述的載流子復(fù)合、產(chǎn)生、擴(kuò)散和漂移全部集中到一個(gè)器件中。第十頁第十一頁，共36頁。pn結(jié)的雜質(zhì)分布示意圖pn結(jié)突變結(jié)：半導(dǎo)體的摻雜是均勻的，pn結(jié)形成后在界面兩邊的雜質(zhì)空間分布式突變的；緩變結(jié)：半導(dǎo)體的摻雜是不均勻的，pn結(jié)形成后在界面兩邊的雜質(zhì)空間分布式逐漸變化的；太陽電池工藝中形成的pn結(jié)為緩變結(jié)第十一頁第十二頁，共36頁。二、pn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n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；空穴由p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pn結(jié)的空間電荷區(qū)。

空間電荷區(qū)中形成一個(gè)從n區(qū)指向p區(qū)的電場(chǎng)E。同時(shí)，電場(chǎng)E產(chǎn)生漂移流，其方向與擴(kuò)散流相反，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)兩者達(dá)到平衡，在空間電荷區(qū)最終建立的電場(chǎng)稱為內(nèi)建場(chǎng)。p區(qū)n區(qū)第十二頁第十三頁，共36頁。pn結(jié)組成的三部分：（1）空間電荷區(qū)，區(qū)內(nèi)沒有可移動(dòng)的載流子，載流子耗盡，也稱耗盡區(qū)，或勢(shì)壘區(qū)；（2）準(zhǔn)中性的p區(qū)；（3）準(zhǔn)中性的n區(qū)。隨著內(nèi)建場(chǎng)的建立，EFn與n區(qū)能帶一起下移，或EFp與p區(qū)能帶一起上移。當(dāng)擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡時(shí)，pn結(jié)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，達(dá)到熱平衡，對(duì)外不呈現(xiàn)電流。能帶的傾斜就表示著電場(chǎng)的存在。第十三頁第十四頁，共36頁。三、pn結(jié)的電流電壓特性pn結(jié)的電流電壓特性太陽能光電轉(zhuǎn)換就是利用pn結(jié)自建電場(chǎng)產(chǎn)生的光生伏特效應(yīng)。

當(dāng)電壓為正向偏置時(shí)（p區(qū)接正，n區(qū)接負(fù)），電流基本隨電壓呈指數(shù)上升，稱為正向電流。當(dāng)電壓反向偏置時(shí)，通過的電流很小，稱為反向電流，當(dāng)反向電壓大于一定數(shù)值時(shí)，電流就會(huì)快速增大，pn結(jié)被擊穿，此電壓稱為擊穿電壓。正向電流描述載流子的復(fù)合過程，反向電流描述載流子的抽取過程。第十四頁第十五頁，共36頁。四、pn結(jié)的制備方法1、合金法指在一種半導(dǎo)體單晶上放置金屬或半導(dǎo)體元素，通過升溫等工藝形成pn結(jié)。n-Gen-Gen-GeInInp-Ge

將銦晶體放置在n型的鍺單晶上，加溫至500~600℃，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)晶成含銦的鍺單晶，這層單晶鍺是p型半導(dǎo)體，與n型鍺單晶構(gòu)成pn結(jié)。第十五頁第十六頁，共36頁。2、擴(kuò)散法指在n型或p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)域形成與體材料相反類型的半導(dǎo)體，構(gòu)成pn結(jié)。p-Sip-Sip-SiP2O5n-Si

將硅晶體加熱至800~1200℃，通入P2O5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的單晶硅，成為n型半導(dǎo)體，其與p型硅材料的交界處就構(gòu)成pn結(jié)。第十六頁第十七頁，共36頁。3、離子注入法指將n型或p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p型半導(dǎo)體（或n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pn結(jié)。p-Sip-Sip-Sin-Si硼離子

利用靜電場(chǎng)將硼離子加速，使之具有數(shù)萬到幾十萬電子伏特的能量，注入n型單晶硅中，在表面形成p型半導(dǎo)體層，從而組成pn結(jié)。第十七頁第十八頁，共36頁。

將單晶硅材料加熱至600~1200℃，然后加入硅烷氣體，同時(shí)通入適量的P2O5氣體，它們?cè)诰w硅表面遇熱分解，在晶體硅表面形成一層含磷的n型單晶硅薄膜，與p型單晶硅材料接觸形成pn結(jié)。4、薄膜生長法指將n型或p型半導(dǎo)體表面，通過氣相、液相等外延技術(shù)，生長一層具有相反導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體薄膜，在兩者的界面處形成pn結(jié)。p-Sip-Sip-SiSiH4+P2O5n-Si第十八頁第十九頁，共36頁。1.3太陽能電池物理基礎(chǔ)入射到太陽電池的光通過同時(shí)產(chǎn)生電流和電壓的形式來產(chǎn)生電能。這個(gè)過程的發(fā)生需要兩個(gè)條件：1、被吸收的光要能在材料中把一個(gè)電子激發(fā)到高能級(jí)；2、處于高能級(jí)的電子能從電池中移動(dòng)到外部電路。在外部電路的電子消耗了能量然后回到電池中。減反射膜前端接觸電極發(fā)射區(qū)基區(qū)背接觸電極電子空穴對(duì)第十九頁第二十頁，共36頁。

太陽能電池運(yùn)行的基本步驟：光生載流子的產(chǎn)生光生載流子聚集成電流產(chǎn)生跨越太陽能電池的高電壓能量在電路和外接電阻中消耗

在太陽能電池中產(chǎn)生的電流叫做“光生電流”，它的產(chǎn)生包括了兩個(gè)主要的過程。

第一個(gè)過程是吸收入射光子并產(chǎn)生電子空穴對(duì)。電子空穴對(duì)只能由能量大于太陽能電池的禁帶寬度的光子產(chǎn)生。然而，電子（在p型材料中）和空穴（在n型材料中）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。

第二十頁第二十一頁，共36頁。

第二個(gè)過程是pn結(jié)通過對(duì)這些光生載流子的收集，即把電子和空穴分散到不同的區(qū)域，阻止它們的復(fù)合。pn結(jié)是通過其內(nèi)建電場(chǎng)的作用把載流子分開的。如果光生少數(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)，然后它便成了多數(shù)載流子。如果用一根導(dǎo)線把發(fā)射區(qū)跟基區(qū)連接在一起，光生載流子將流到外部電路。第二十一頁第二十二頁，共36頁。

“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pn結(jié)收集并參與到電流流動(dòng)的概率，它的大小取決于光生載流子需要運(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，表面的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)光生電池做出貢獻(xiàn)。波長0.45μm的藍(lán)光擁有高吸收率，為105cm-1，也因此它在非常靠近頂端表面處被吸收。波長0.8μm的紅光的吸收率103cm-1，因此其吸收長度更深一些。1.1μm紅外光的吸收率為103cm-1，但是它幾乎不被吸收因?yàn)樗哪芰拷咏诠璨牧系慕麕挾?。第二十二頁第二十三頁，?6頁。“量子效率”——太陽能電池所收集的載流子的數(shù)量與入射光子的數(shù)量的比例。量子效率即可以與波長相對(duì)應(yīng)又可以與光子能量相對(duì)應(yīng)。如果某個(gè)特定波長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。下圖將描述理想太陽能電池的量子效率曲線?？偭孔有实臏p小是由反射效應(yīng)和過短的擴(kuò)散長度引起的。理想量子效率曲線能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以長波長的量子效率為零。量子效率前端表面復(fù)合導(dǎo)致藍(lán)光響應(yīng)的減小。紅光響應(yīng)的降低是由于背表面反射、對(duì)長波光的吸收的減少和短擴(kuò)散長度第二十三頁第二十四頁，共36頁。

“光譜響應(yīng)”——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子數(shù)量的比，而光譜響應(yīng)指的是太陽能電池產(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。理想的光譜響應(yīng)硅太陽能電池的響應(yīng)曲線能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以在長波長段的光譜響應(yīng)為零。光譜響應(yīng)第二十四頁第二十五頁，共36頁。

“短路電流”是指當(dāng)穿過電池的電壓為零時(shí)流過電池的電流（或者說電池被短路時(shí)的電流）。通常記作ISC。短路電流源于光生載流子的產(chǎn)生和收集。對(duì)于電阻阻抗最小的理想太陽能電池來說，短路電流就等于光生電流。因此短路電流是電池能輸出的最大電流。第二十五頁第二十六頁，共36頁。

短路電流的大小取決于以下幾個(gè)因素：太陽能電池的表面積，要消除太陽能電池對(duì)表面積的依賴，通常需改變短路電流強(qiáng)度（JSC單位為mA/cm2）而不是短路電流。光子的數(shù)量（即入射光的強(qiáng)度），電池輸出的短路電流ISC的大小直接取決于光照強(qiáng)度。入射光的光譜，測(cè)量太陽能電池是通常使用標(biāo)準(zhǔn)的1.5大氣質(zhì)量光譜。電池的光學(xué)特性（吸收和反射）。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)載流子壽命。第二十六頁第二十七頁，共36頁。

“開路電壓”VOC是太陽能電池能輸出的最大電壓，此時(shí)輸出電流為零。開路電壓的大小相當(dāng)于光生電流在電池兩邊加的正向偏壓。開路電壓如下圖伏安曲線所示。開路電壓是太陽能電池的最大電壓，即凈電流為零時(shí)的電壓。第二十七頁第二十八頁，共36頁。

短路電流和開路電壓分別是太陽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)，電池的輸出功率都為零。

“填充因子”“FF”，是由開路電壓VOC和短路電流ISC共同決定的參數(shù)，它決定了太陽能電池的輸出效率。填充因子被定義為電池的最大輸出功率與開路VOC和ISC的乘積的比值。從圖形上看，F(xiàn)F就是能夠占據(jù)IV曲線區(qū)域最大的面積。FF為最大功率除以開路電壓與短路電流的乘積

FF=VmpImp/（VOCISC

）第二十八頁第二十九頁，共36頁。除了反映太陽能電池的性能之外，效率還決定于入射光的光譜和光強(qiáng)以及電池本身的溫度。所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)量陸地太陽能電池的條件是光照AM1.5和溫度25°C。而空間太陽能電池的光照則為AM0。下式為計(jì)算發(fā)電效率的方程：Pmax=VOCISC

FF

η=Pmax/Pin

=VOCISC

FF/Pin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)。效率定義為電池輸出的電能與射入電池的光能的比例。第二十九頁第三十頁，共36頁。

測(cè)量太陽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。下圖展示了測(cè)量伏安曲線的裝置。測(cè)試IV曲線的裝置原理圖因?yàn)樘柲茈姵貙?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)都要知道，并且要控制在標(biāo)準(zhǔn)AM1.5光譜上。光源接近AM1.5光