晶體硅太陽電池（沈輝）（第二版）課件 第6-11章 硅片生產(chǎn)-太陽電池IV測試

晶體硅太陽電池06-硅片生產(chǎn)Loremipsumdolorsitamet,consecteturadipisicing

elit.金剛線切片技術(shù)：成本下降是最強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力硅片加工技術(shù)金剛線切片技術(shù)金剛線切片技術(shù)金剛線切片技術(shù)兩種金剛線結(jié)構(gòu)：電鍍金剛線與樹脂金剛線利用電鍍或樹脂粘結(jié)的方法將高硬度高耐磨性的金剛石砂粒牢固的粘結(jié)在鋼線基線上金剛線切片技術(shù)金剛線切割與砂漿切割硅片的表面形貌對比砂漿切割：表面粗糙，沒有硅片的切割方向鋸痕痕跡；碳化硅摩擦硅片距離較短，產(chǎn)生隨機(jī)的凸凹；金剛線切割：表面相對平滑，可見由于金剛線的摩擦產(chǎn)生平行的溝槽；溝槽中有不規(guī)則金剛石摩擦產(chǎn)生的沿著溝槽方向的凸凹坑；金剛線切片技術(shù)短時(shí)間內(nèi)，兩種硅表面差異比較明顯。更長的時(shí)間后，腐蝕長時(shí)間金字塔尺寸將變得相同腐蝕時(shí)間增加金剛線切片技術(shù)金剛線切片技術(shù)單晶硅片生產(chǎn)多晶硅片生產(chǎn)“直接法硅片”技術(shù)突破能源革命即將到來對比傳統(tǒng)切片技術(shù)，1366科技首席執(zhí)行官弗蘭克?范?米爾洛指出：“直接硅片法突破性的進(jìn)展在于消除切片過程，這點(diǎn)是最本質(zhì)的區(qū)別。毋容置疑的是傳統(tǒng)的切片工藝是在不斷地進(jìn)步，但是我們更加大膽創(chuàng)新，直接刪除了這一過程。通過舍棄這一傳統(tǒng)過程，我們成功將成本降低了50%?！敝苯臃ü杵夹g(shù)如圖所示，藍(lán)色的線就是多晶金剛線切割所達(dá)到的成本極限，1366科技認(rèn)為，當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到3GW時(shí)采用直接法硅片技術(shù)，硅成本可達(dá)＄0.158／片，當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到7GW時(shí)，硅成本達(dá)到＄0.099／片。直接法硅片技術(shù)為延續(xù)多晶的市場主導(dǎo)地位提供了一種成本極低的選擇。直接法硅片技術(shù)直接法硅片技術(shù)直接法硅片的技術(shù)優(yōu)勢：1）漂移電場對少子更有效的利用2）通過局部溫度控制實(shí)現(xiàn)硅片3D生長，通過局部溫度控制決定生長厚度,在硅片內(nèi)部行成3D結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)電池產(chǎn)線可接受的薄片化。3）優(yōu)異的柔性，可以使用更薄的玻璃封裝，進(jìn)一步降低成，提高良率，減少碎片直接法硅片技術(shù)07-光伏發(fā)電原理Photovoltaicgeneration

principle.光伏產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用光伏效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是指光子入射到半導(dǎo)體的

p-n

結(jié)后，從

p-n

結(jié)的二端電極產(chǎn)生可輸出功率的電壓伏特值。這一過程包括①光子入射到半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，②電子和空穴因半導(dǎo)體

p-n

結(jié)形成的內(nèi)建電場作用而分離，③電子和空穴往相反的方向各自傳輸至二端電極來輸出。所以，光生伏特效應(yīng)一般是和

p-n

結(jié)的特征有關(guān)。以硅晶體為例，n-型硅是指加入V族元素(如磷)作為施主(donor)，提供導(dǎo)帶電子。p-型硅則是指加入III族元素(如硼)作為受主(acceptor)，提供價(jià)帶空穴。如此半導(dǎo)體便可以有四種帶電荷的粒子：帶負(fù)電荷的電子，帶正電荷的空穴，帶負(fù)電荷的受主離子，和帶正電荷的施主離子。前二者是可動(dòng)的，而后二者是不可動(dòng)的。光伏效應(yīng)哪四種帶電荷的粒子？光伏效應(yīng)-PN結(jié)形成未接觸前

，

n

-

型和 p

-

型半導(dǎo)體都是維持各自的電中性 (charge

neutrality)，也就是說，n-型半導(dǎo)體中，施主離子所帶正電荷，約等于電子(n-型之多子)

所帶負(fù)電荷。p-型半導(dǎo)體中，受主離子所帶負(fù)電荷，約等于空穴(p-型之多子)

所帶正電荷。一旦

n-型和

p-型半導(dǎo)體接觸，則形成

p-n

結(jié)區(qū)

(junction)。在結(jié)區(qū)附近，電子會從濃度高的

n-型區(qū)擴(kuò)散至濃度低的

p-型區(qū)，相對地，空穴會從濃度高的

p-型區(qū)擴(kuò)散至濃度低的

n-型區(qū)。這樣，在結(jié)附近的區(qū)域，電中性便會被打破。光伏效應(yīng)n-型區(qū)在結(jié)附近會有受主負(fù)離子負(fù)電荷區(qū)就總稱和受主負(fù)離子都形成一個(gè)內(nèi)建n-型區(qū)指向 p-型-PN結(jié)會有施主正離子裸露而產(chǎn)生正電荷區(qū)，而

p-型區(qū)在結(jié)附近裸露而產(chǎn)生負(fù)電荷區(qū)。n-型產(chǎn)生的正電荷區(qū)和

p-型產(chǎn)生的為空間電荷區(qū)

(space

charge

region)。因?yàn)槭┲髡x子固定于晶格中，因此

n-型正電荷區(qū)和

p-型負(fù)電荷區(qū)就會(built-in)

電場，這個(gè)空間電荷區(qū)的內(nèi)建電場的方向是從區(qū)。如果入射光子在空間電荷區(qū)被吸收產(chǎn)生電子-空穴對，電子會因?yàn)閮?nèi)建電場的影響而向

n-型區(qū)漂移

(drift)，相對地，空穴會因?yàn)閮?nèi)建電場的影響而向

p-型區(qū)漂移。也就是說，入射光子在空間電荷區(qū)被吸收產(chǎn)生電子和空穴，因?yàn)閮?nèi)建電場的作用而產(chǎn)生從

n-型區(qū)向

p-型區(qū)的漂移電流，就是所謂的光電流(photocurrent)。光生伏特效應(yīng)中的光電流，是從

n-型區(qū)流向

p-型區(qū)，對

p-n

二極管而言，這剛好是反向偏壓

(reverse

bias)

的電流方向。光伏效應(yīng)-光電流的產(chǎn)生光伏效應(yīng)-光電流形成的物理機(jī)制當(dāng)然，入射光并不只有在空間電荷區(qū)內(nèi)被吸收才會產(chǎn)生光電流。光子在

p-

n二極管的其它區(qū)域中被吸收，就是所謂的準(zhǔn)電中性

(quasi-neutral)

區(qū)域，也能貢獻(xiàn)光電流。只是準(zhǔn)電中性區(qū)的光電流是擴(kuò)散電流，而不是漂移電流，這種擴(kuò)散電流是由少數(shù)載流子決定的，多數(shù)載流子并不參與。也就是說，n-型準(zhǔn)電中性區(qū)域的少數(shù)載流子空穴，其在接近空間電荷區(qū)的地方會趨向到

p-型區(qū)而濃度降低，形成濃度梯度，因此

n-型準(zhǔn)電中性區(qū)域內(nèi)的空穴就會形成往

p-型區(qū)方向的擴(kuò)散電流。同理，p-型準(zhǔn)電中性區(qū)域的少數(shù)載流子電子，其在接近空間電荷區(qū)的地方會趨向

n-型區(qū)而濃度降低，因此

p-型準(zhǔn)電中性區(qū)域內(nèi)的電子就會形成往

n-型區(qū)方向的擴(kuò)散電流。所以，p-n

二極管的光生伏特效應(yīng)中的光電流，主要來自于三個(gè)物理機(jī)制：

空間電荷區(qū)內(nèi)電子和空穴的漂移電流，

n-型準(zhǔn)電中性區(qū)域少數(shù)載流子空穴的擴(kuò)散電流，和

p-型準(zhǔn)電中性區(qū)域的少數(shù)載流子電子的擴(kuò)散電流。光伏效應(yīng)-開路與短路在光生伏特效應(yīng)中，p-n

結(jié)的空間電荷區(qū)的內(nèi)建電場的作用，就是使入射光子被吸收產(chǎn)生電子-空穴對，在復(fù)合

(recombination)

前被分開，產(chǎn)生光電流。光電流再經(jīng)由

p-n

二極管的金屬接觸

(metal

contact)

傳輸至負(fù)載，這就是光生伏特電池(photovoltaic

cell或PV

cell)

的基本工作原理。如果將光照的p-n二極管二端的金屬接觸用金屬線直接連接，就是所謂的短路(short

circuit)，金屬線的短路電流

(short-circuit

current)

就等于光電流。若光照的p-n二極管二端的金屬不相連，就是所謂的開路

(open

circuit)，則光電流會在

p-型區(qū)累積額外的空穴，n-型區(qū)累積額外的電子，造成

p-端金屬接觸較n-端金屬接觸有一較高的電位勢，也就是開路電壓

(open-circuit

voltage)，這個(gè)開路電壓也被稱為光電壓(photovoltage)，也是光生伏特

(photovoltaics)

這一詞的由來。光伏效應(yīng)-太陽電池工作的三個(gè)必要條件1、入射光子被吸收產(chǎn)生電子-空穴對。對

p-n

半導(dǎo)體二極管而言，入射光子被吸收產(chǎn)生電子-空穴對取決于導(dǎo)帶和價(jià)帶間的帶間光吸收系數(shù)

(interband

absorption

coefficient)2、電子-空穴對在復(fù)合前被分開。空間電荷區(qū)內(nèi)施主正離子和受主負(fù)離子形成的內(nèi)建電場，是提供電子-空穴對分開的物理?xiàng)l件。3、分開的電子和空穴傳輸至負(fù)載。半導(dǎo)體的金屬接觸則將分開的電子和空穴傳輸至負(fù)載。請嘗試制作關(guān)于光伏效應(yīng)的知識圖譜課堂練習(xí)08-太陽電池結(jié)構(gòu)Solarcell

structure太陽電池的基本結(jié)構(gòu)在不同的材料和制造工藝程序下，會產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)的太陽電池。但歸納而言，太陽電池最基本的結(jié)構(gòu)可分為基板、p-n

二極管、抗反射層、和金屬電極四個(gè)主要部分。基板(substrate)

是太陽電池的主體；p-n二極管是光生伏特效應(yīng)的來源；抗反射層乃在減少入射光的反射來增強(qiáng)光電流；金屬電極則是連接器件和外部負(fù)載。太陽電池的基本結(jié)構(gòu)-基板1、硅片 (wafer) 當(dāng)基板，硅片本身就是光生伏特的作用區(qū)。通常使用擴(kuò)散 (diffusion)工藝技術(shù)，在

p-型硅片上進(jìn)行

n-型擴(kuò)散，或在

n-型硅片上進(jìn)行

p-型擴(kuò)散，形成

p-n

二極管。工業(yè)界使用的太陽電池硅片，大都是

p-型。當(dāng)然硅片的制造，不一定非由切割不可，也有其它特殊的方式，如

ribbon

或

sheet

制造方式。2、使用玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當(dāng)基板，非晶或多晶薄膜光生伏特器件則沉積在基板上，基板本身并不參與光生伏特作用。在薄膜太陽電池制造上，可使用各式各樣的沉積技術(shù)，一層又一層地把

p-

型或

n-

型材料沉積上去。常見的薄膜太陽電池有非晶硅、CuInSe2

(CIS)

、

CuInGaSe2

(CIGS)

、和

CdTe

薄膜。隨著薄膜技術(shù)的發(fā)展，microcrystalline，甚至

nanocrytalline

硅薄膜也被研究開發(fā)。薄膜太陽電池最大優(yōu)點(diǎn)就是生產(chǎn)成本較低，但其效率和穩(wěn)定性較差。太陽電池的基本結(jié)構(gòu)-基板3、III-V

族

(如

GaAs、InP、GaN)

太陽電池，則是使用不同的外延（epitaxy） 技術(shù)，如metal-organicchemicalvapordeposition(MOCVD)，或molecularbeam

epitaxy(MBE)

方法，將

p-型和

n-型晶體直接長在芯片基板上，而基板本身通常也不參與光生伏特作用。這樣的

epitaxy

方式生長晶體的優(yōu)點(diǎn)，使得電池結(jié)構(gòu)多樣化，例如：異質(zhì)結(jié)、多結(jié)、量子井、量子點(diǎn)、和超晶格等結(jié)構(gòu)。正因如此，III-V

族太陽電池通常具有較高的效率，但其生產(chǎn)成本也相對的偏高。太陽電池的基本結(jié)構(gòu)-減反射結(jié)構(gòu)太陽電池的光照面一般都會有抗反射層或

texture

結(jié)構(gòu)，來減少入射陽光的反射。如果沒有的話，入射陽光會有約

30%

的反射損失，這對太陽電池而言是相當(dāng)嚴(yán)重的。晶硅太陽電池一般是使用氮化硅

(SiN)

來形成抗反射層，它不僅能有效地減少入射光的反射，而且還有鈍化（passivation）的作用，甚至能保護(hù)太陽電池，有防刮傷、防濕氣等功能。除了使用抗反射層外，一般單晶硅太陽能電池，其光照的表面都會先經(jīng)過

texture 處理，來更進(jìn)一步地減少入射陽光的反射。這個(gè)

texture

處理，會在表面形成大小不等的金字塔(pyramid)

結(jié)構(gòu)，

讓入射光至少要經(jīng)過芯片表面的二次反射，因此就大大地降低了入射光經(jīng)過第一次反射就折回的幾率。需要注意的是，因

texture

金字塔的大小約幾個(gè)μm，

而一般

n-型擴(kuò)散的深度只有

0.5μm左右，所以

p-n

二極管實(shí)際上是形成于texture

金字塔的表面。太陽電池的基本結(jié)構(gòu)-減反射結(jié)構(gòu)太陽電池的基本結(jié)構(gòu)-金屬電極太陽電池需要金屬電極來連接外部的電路。通常，光入射的表面有二條平行條狀金屬電極field (BSF)(finger)。來提供外界連接的焊接處。背表面通常會全部涂上一層所謂的back surface金屬層，在光入射的表面，會從條狀金屬電極，伸展出一列很細(xì)的金屬手指BSF

金屬層可以增加載流子的收集，還可回收沒有被吸收的光子。金屬finger的設(shè)計(jì)，除了要能有效地收集載流子，而且要盡量減少金屬線遮蔽入射光的比例

，因光照面的金屬線通常會遮蔽

3~5%

的入射光。太陽電池金屬電極用的材料通常是鋁和其它金屬的合金，但在薄膜太陽電池中，為了實(shí)現(xiàn)一體成型(monolithically)的要求，上層金屬電極則會使用透明導(dǎo)電的氧化物transparent

conducting

oxide

(TCO)。請?jiān)谙铝刑柲茈姵亟Y(jié)構(gòu)示意圖中找出“四部分”課堂練習(xí)太陽電池結(jié)構(gòu)示意N型電池結(jié)構(gòu)示意PERL電池結(jié)構(gòu)示意澳大利亞新南威爾士大學(xué)研發(fā)鈍化發(fā)射區(qū)和背面局部擴(kuò)散（PERL）單晶硅電池

＝24.7%IBC電池結(jié)構(gòu)示意非晶硅電池結(jié)構(gòu)示意CIGS電池結(jié)構(gòu)示意HIT電池結(jié)構(gòu)示意09-光吸收Photon

Absorption光吸收系數(shù)-The

absorption

coefficient光在介質(zhì)中傳播時(shí)，光的強(qiáng)度隨傳播距離(穿透深度)而衰減的現(xiàn)象稱為光的吸收。光的吸收遵循吸收定律（比爾-朗伯定律）。吸收系數(shù)是比爾-朗伯定律（Beer–Lambert

law）中的一個(gè)常數(shù)，符號位α，被稱為介質(zhì)對該單色光的吸收系數(shù)。用透射法測定光在介質(zhì)中傳播的衰減情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)中光的衰減率與光的強(qiáng)度成正比，引入比例系數(shù)得：dxdI

I

xI

I

e0對上式積分反映出吸收系數(shù)α的物理含義是：當(dāng)光在介質(zhì)中傳播1/α距離時(shí)，其能量減弱到原來的1/e。光吸收系數(shù)不同半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù)與波長的關(guān)系曲線硅鍺磷化銦砷化鎵吸收系數(shù)決定著一個(gè)給定波長的光子在被吸收之前能在材料走多遠(yuǎn)的距離。如果某種材料的吸收系數(shù)很低，那么光將很少被吸收，并且如果材料的厚度足夠薄，它就相當(dāng)于透明的。吸收系數(shù)的大小決定于材料和被吸收的光的波長。在半導(dǎo)體的吸收系數(shù)曲線圖中出現(xiàn)了一個(gè)很清晰的邊緣，這是因?yàn)槟芰康陀诮麕挾鹊墓鉀]有足夠的能量把電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶。因此，光線也就沒被吸收了。光吸收系數(shù)一個(gè)光子被吸收的概率還取決于這個(gè)光子與電子作用（即把電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶）的可能性。對于一個(gè)能量大小非常接近于禁帶寬度的光子來說，其吸收的概率是相對較低的，因?yàn)橹挥刑幵趦r(jià)帶邊緣的電子才能與之作用并被吸收。當(dāng)光子的能量增大時(shí)，能夠與之相互作用并吸收光子的電子數(shù)目也會增大。然而，對于光伏應(yīng)用來說，比禁帶寬度多出的那部分光子能量是沒有實(shí)際作用的，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)到導(dǎo)帶后的電子又很快因?yàn)闊嶙饔没氐綄?dǎo)帶的邊緣。光吸收系數(shù)硅鍺磷化銦砷化鎵Eph<EGPhotonswithenergyEphlessthanthebandgapenergyEGinteractonlyweaklywiththesemiconductor,passingthroughitasifitweretransparent.Eph<Eg

光子能量Eph小于禁帶寬度Eg，光子與半導(dǎo)體的相互作用很弱，只是穿過，似乎半導(dǎo)體是透明的一樣。材料的光吸收

光不被吸收會怎么樣？Eph>EGPhotonswithenergymuchgreaterthanthebandgaparestronglyabsorbed.Eph>Eg 光子能量大于禁帶寬度并被強(qiáng)烈吸收。材料的光吸收Eph=EGhavejustenoughenergytocreateanelectronholepairandareefficiently

absorbed.Eph=Eg 光子的能量剛剛好足夠激發(fā)出一個(gè)電子-空穴對，能量被完全吸收。材料的光吸收吸收系數(shù)與波長的關(guān)系導(dǎo)致了不同波長的光在被完全吸收之前進(jìn)入半導(dǎo)體的深度的不同。吸收深度，它與吸收系數(shù)成反比例關(guān)系，即為α-1。吸收深度它顯示了在光在其能量下降到最初強(qiáng)度的大概36%（或者說1/e）的時(shí)候在材料中的深度。因?yàn)楦吣芰抗庾拥奈障禂?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，也不是所有的紅光都能被硅吸收。吸收深度=α-1吸收深度=α-1波長小于400nm的光在厚度0.01um的硅中，就被全部吸收；波長大于1000nm的光在175um的硅中沒有被完全吸收；50100150200250300Wavelength1umSiliconThickness

175umPenetrationDepth

(

m)0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

m

吸收概率（Collection

Probability）“吸收概率”描述了光照射到電池的某個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的載流子被p-n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。在耗散區(qū)的所有光生載流子的吸收概率都是相同的，因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域的電子空穴對會被電場迅速地分開。在原來電場的區(qū)域，其吸收概率將下降。當(dāng)載流子在與電場的距離大于擴(kuò)散長度的區(qū)域產(chǎn)生時(shí)，那么它的吸收概率是相當(dāng)?shù)偷摹Ｏ鄳?yīng)的，如果載流子是在靠近電池表面這樣的高復(fù)合區(qū)的區(qū)域產(chǎn)生，那么它將會被復(fù)合。吸收概率（Collection

Probability）吸收概率與載流子的生成率決定了電池的光生電流的大小?；貞浌怆娏鱽碓吹娜齻€(gè)物理機(jī)制收集概率很低。強(qiáng)鈍化的太陽能電池弱鈍化的太陽能電池低擴(kuò)散長度的太陽能電池在高復(fù)合率的情況下，其表面的對收集概率的計(jì)算，紅線代表發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散長度，藍(lán)線代表基區(qū)的擴(kuò)散長度參考新南威爾士課件Recombination

Losses部分光譜響應(yīng)SR光譜響應(yīng)指光陰極量子效率與入射波長之間的關(guān)系。表示太陽能電池對不同波長入射光能轉(zhuǎn)換成電能的能力，其單位為安培/瓦(Amp/Watt)。太陽能電池并不能把任何一種光都同樣地轉(zhuǎn)換成電。由于光的顏色（波長）不同，轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷谋壤膊煌?，這種特性稱為光譜響應(yīng)特性。光譜響應(yīng)特性的測量是用一定強(qiáng)度的單色光照射太陽電池，測量此時(shí)電池的短路電流，然后依次改變單色光的波長，再重復(fù)測量以得到在各個(gè)波長下的短路電流，即反映了電池的光譜響應(yīng)特性。光譜響應(yīng)SR因?yàn)槿魏尾牧系恼凵渎?/p>

n(λ)

和光吸收系數(shù)α(λ)

都是波長的函數(shù)，因此入射光中不同的波長對光電流就有不同的貢獻(xiàn)。公式：λ-波長nm，h-普朗克常數(shù)，c-光速，e-電荷。

e

QE

R

hc

R

1240W

nm

/

A

光譜響應(yīng)SR而光譜響應(yīng)(spectral

response)Sr

(λ)

的定義，通常只是用來描述

p-n

二極管對不同波長的光電流貢獻(xiàn)，因此必須除去入射光的光子強(qiáng)度 (λ)

和其反射系數(shù)

R(λ)的效應(yīng)。和來表示。其中

hν代表光子的能量。

in

適用于晶體硅電池光譜響應(yīng)SR式中：η-量子效率，q-電子電量，f-入射光頻率，h-普朗克常數(shù)。hc簡化公式：SR

光譜響應(yīng)

q

QE

量子效率

hf 1.23985

m

W/A

R

q

m

量子效率QE（Quantum

efficiency）所謂“量子效率”，即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。外量子效率(External

Quantum

Efficiency,

EQE)，太陽能電池的電荷載流子數(shù)目與外部入射到太陽能電池表面的一定能量的光子數(shù)目之比。內(nèi)量子效率(Internal

Quantum

Efficiency,

IQE)，太陽能電池的電荷載流子數(shù)目與外部入射到太陽能電池表面的沒有被太陽能電池反射回去的，沒有透射過太陽能電池的，一定能量的光子數(shù)目之比。量子效率QE（Quantum

efficiency）對于一定的波長的光，假設(shè)太陽能電池能完全吸收了所有的光子，并搜集到由此產(chǎn)生的少數(shù)載流子，那么太陽能電池在此波長的量子效率為1；對于能量低于能帶隙的光子，太陽能電池的量子效率為0；理想的量子效率是一個(gè)正方形，也就是說，對于測試的各個(gè)波長的太陽能電池量子效率是一個(gè)常數(shù)。量子效率QE（Quantum

efficiency）在175um厚度電池中，波長小于1000nm的光基本沒有透射，IQE和EQE

的差別反映的是前表面減反射膜和硅表面陷光結(jié)構(gòu)狀況差異；波長大于1000nm的光有透射，IQE和EQE

的差別反映的是前表面減反射膜，硅表面陷光結(jié)構(gòu)狀況，電池背表面的鈍化情況差異。量子效率QE影響因素電池表面鈍化情況會影響靠近表面的載流子的生成，而藍(lán)光是在非常靠近表面處被吸收的，所以電池表面的高復(fù)合效應(yīng)會強(qiáng)烈地影響藍(lán)光部分的量子效率。同理，綠光在電池體內(nèi)被吸收，但是過低的擴(kuò)散長度將影響吸收概率并減小綠光的量子效率。硅太陽能電池中，“外部量子效率”包括光的損失，如透射和反射。然而，測量經(jīng)反射和透射損失后剩下的光的量子效率還是非常有用的。“內(nèi)部量子效率”指的是那些沒有被反射和透射且能夠產(chǎn)生可收集的載流子的光的量子效率。通過測量電池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲線并得到內(nèi)部量子效率。LOREMIPSUM

DOLOR總量子效率的減小是由反射效應(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、對長波光的吸收的減少和短擴(kuò)散長度10-太陽電池電路模型CircuitModelofSolar

Cells開路電壓與短路電流一個(gè)太陽電池沒有光照時(shí)，它的特性就是一個(gè)

p-n 結(jié)二極管。而一個(gè)理想的二極管其電流-電壓關(guān)系可表為sTV

/VI

I

e

1

其中

I

代表電流，

V

代表電壓，Is是飽和電流(saturation

current)

，VT

KBT/

q0其中kB代表

Boltzmann

常數(shù)，

q0

是單位電量，

T

是溫度。在室溫下，

VT=0.026V

。需注意的是，p-n

二極管電流的方向是定義在器件內(nèi)從

p型流向

n型，而電壓的正負(fù)值，則是定義為

p

型端電勢減去

n

型端電勢。因此若遵循此定義，太陽電池工作時(shí)，其電壓值為正，電流值為負(fù)，I-V

曲線在第四象限。開路電壓與短路電流當(dāng)太陽電池受到光照時(shí)，p-n

二極管內(nèi)就會有光電流。因?yàn)?/p>

p-n

結(jié)的內(nèi)建電場方向是從

n

型指向

p

型，光子被吸收產(chǎn)生的電子-空穴對，電子會往

n

型端跑，而空穴會往

p

型端跑，則電子和空穴二者形成的光電流會由

n

型流到p

型。一般二極管的正電流方向是定義為由

p

型流到

n

型。這樣，相對于理想二極管，太陽電池光照時(shí)產(chǎn)生的光電流乃一負(fù)向電流。而太陽電池的電流-電壓關(guān)系就是理想二極管加上一個(gè)負(fù)向的光電流

IL

，其大小為：s LTI

I

e

1

IV

/V沒有光照的情況，

IL

=0

，太陽電池就是一個(gè)普通的二極管。太陽電池短路

(short

circuit)

時(shí)，也就是V

=

0

，其短路電流

(short-circuit

current)則為

Isc=

-IL

。也就是說當(dāng)太陽電池短路，短路電流就是入射光產(chǎn)生的光電流

。太陽電池開路

(open

circuit)

時(shí)，也就是

I=

0

，其開路電壓(open-circuit

voltage)

則為：開路電壓與短路電流s LTI

I

e

1

IV

/V

1

s

oc

TI

IL

V

V

In由前面的公式來看，太陽電池的開路電壓是由光電流與飽和電流來決定。從半導(dǎo)體物理的觀點(diǎn)，開路電壓就等于空間電荷區(qū)中電子和空穴間的Fermi能差。而電子和空穴間的Fermi

能差就是由載流子產(chǎn)生率與復(fù)合率來決定。至于理想

p-n

二極管的飽和電流，則可以用上式來表達(dá)。其中

q0

代表單位電量，

ni代表半導(dǎo)體的

intrinsic

載流子濃度，

ND和

NA

各代表施主和受主的濃度，

Dn

和

Dp

各代表電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)，τ

n

和τ

p各代表電子和空穴的復(fù)合時(shí)間。上面的表達(dá)式是假設(shè)

n-型區(qū)和

p-型區(qū)都很寬的情況。一般使用

p-型基板的太陽電池，n-型區(qū)都非常淺，上面的表達(dá)式是須要修改的。飽和電流

D P A n

N

N

1 DP

1

Dn

2J

s

q0

ni前面我們提到，當(dāng)光照太陽電池時(shí)產(chǎn)生光電流，而光電流就是太陽電池電流-電壓關(guān)系中的閉路電流，這里我們就光電流的由來，做一簡單敘述。載流子在單位時(shí)間單位體積中的產(chǎn)生率(單位

m-3s-1)

是由光吸收系數(shù)來決定，也就是上式。其中α

代表光吸收系數(shù)，

?inc

是入射光子強(qiáng)度

(或稱為光子流量密度)，

R

指反射系數(shù)，因此?inc

(1-

R)

代表沒有被反射的入射光子強(qiáng)度。而產(chǎn)生光電流的主要三個(gè)機(jī)制為：少數(shù)載流子電子在

p-型區(qū)的擴(kuò)散電流、少數(shù)載流子空穴在

n-型區(qū)的擴(kuò)散電流、電子和空穴在空間電荷區(qū)的漂移電流。因此光電流約可表達(dá)為：其中

Ln

和

Lp

各代表

p-型區(qū)電子和

n-型區(qū)空穴的擴(kuò)散長度，

W

是空間電荷區(qū)的寬度。飽和電流g

x

1

R

e

xL incJ

q g

L

L

W

J

L

Jn

Jp sc

0

L

n

p歸納這些結(jié)果，可得到開路電壓的簡單表達(dá)式：其中

rrec代表電子-空穴對的單位體積的復(fù)合率。當(dāng)然這是很自然的結(jié)果，因?yàn)殚_路電壓就等于空間電荷區(qū)中電子和空穴間的

Fermi

能差，而電子和空穴間的Fermi

能差就是由載流子產(chǎn)生率與復(fù)合率來決定。開路電壓

VT

In

IL

/

Is

1

VT

In

gL

/

rrec

1

Voc太陽電池輸出的功率就是電流和電壓的乘積：很明顯，太陽電池輸出的功率并非是個(gè)固定值，它在某個(gè)電流-電壓工作點(diǎn)達(dá)到最大值，而這最大輸出功率

Pmax

，則可由dP

/dV

=

0來決定。我們可以推導(dǎo)得出最大輸出功率

Pmax時(shí)的輸出電壓為：Pmax=IPmax×VPmax太陽電池輸出功率s LTP

IV

I

e

1

I

VV

/V

T

P

maxTIL/Is

1

V

InVP

maxTsVVP

maxP

maxeVP

max

/VT

I

IV /V

1太陽電池的效率

(efficiency)

就是指太陽電池將入射光的功率

Pin

轉(zhuǎn)換成最大輸出電功率的比例；一般的太陽電池的效率測量，都是使用

Pin

=1000

W

/m2

的類似太陽光的燈光光源。太陽電池效率

PmaxPin論描述，這是因?yàn)楣馍仄骷旧韊sistance)。避免的都會有或多或少的電阻，它由理想

p-n

二極管的其它電流的通如器件中的產(chǎn)生-

復(fù)合(gener

ation

-流，器件的邊緣隔離

(edge

isolation)太陽電池的電流-電壓關(guān)系并沒有完全地遵循上述的理存在所謂的串聯(lián)電阻(series

resistance)

和分流電阻(shunt

r對于任何半導(dǎo)體材料，或是半導(dǎo)體與金屬的接觸，不可們就會形成光生伏特器件的串聯(lián)電阻。另一方面，光生伏特器件的正負(fù)電極間，存在任何非經(jīng)道，

都會造成所謂的漏電流(

leakage current)

，例recombination)

電流，表面復(fù)合

(surface

recombination)電不完全，和金屬接觸穿透

p-n

結(jié)。串聯(lián)電阻與分流電阻通常，我們用分流電阻

(shunt

resistance)

來定義太陽電池的漏電流大小，也就是

Rsh≡

V

/Ileak。分流電阻越大，就表示漏電流越小。如果考慮串聯(lián)電阻Rs 和分流電阻

Rsh ，太陽電池的電流-電壓關(guān)系則可寫成：串聯(lián)電阻與分流電阻LshsRs TI

I

e

1

V

IRs

I

V

IR

/V我們還可以只用一個(gè)參數(shù)，就是所謂的填充因子

(fill

factor)，來同時(shí)概括串聯(lián)電阻與分流電阻這兩個(gè)效應(yīng)。定義為：很明顯，如果沒有串聯(lián)電阻，且分流電阻無窮大

(沒有漏電流)

時(shí)，填充因子最大。任何串聯(lián)電阻的增加或分流電阻的減少，都會減少填充因子。如此一來，太陽電池的效率就可以由三個(gè)重要參數(shù)：開路電壓Voc

、短路電流

I

sc

、和填充因子

FF

來表達(dá)。顯然，要提高太陽電池的效率，則要同時(shí)增加其開路電壓、短路電流

(亦即光電流)，和填充因子

(亦即減少串聯(lián)電阻與漏電流)。填充因子sc

ocPmaxFF

I VFF

I

V

sc oc

Pin請查閱相關(guān)電池或組件參數(shù)資料認(rèn)識IV測試曲線與數(shù)據(jù)課堂練習(xí)11-太陽電池IV測試IVTestofSolar

CellsIV

測試原理示意圖IV曲線（IV

curve）是在AM1.5，光強(qiáng)密度1000W/m2，溫度25℃條件下，通過不斷改變外電路負(fù)載的大小得到的曲線。如圖所示，紅色的為IV曲線，藍(lán)色的通過計(jì)算得到的輸出功率曲線。短路電流Isc（Short-Circuit

Current）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。Theshort-circuitcurrentisthecurrentthroughthesolarcellwhenthevoltage

acrossthesolarcelliszero(i.e.,whenthesolarcellisshortcircuited).UsuallywrittenasISC,theshort-circuitcurrentisshownontheIVcurvebelow.開路電壓Voc（Open-Circuit

Voltage）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前置偏壓。Theopen-circuitvoltage,Voc,isthemaximumvoltageavailablefromasolarcell,andthisoccursatzerocurrent.Theopen-circuitvoltagecorrespondstotheamountofforwardbiasonthesolarcellduetothebiasofthesolarcelljunctionwiththelight-generated

current.太陽電池的輸出功率P：I-V曲線下的面積太陽電池實(shí)際的使用應(yīng)該在最大功率點(diǎn)（MPP）上在這一點(diǎn)上，輸出的功率達(dá)到了最大值=PmaxVmIm填充因子（Fill

Factor）晶硅太陽電池

FF

實(shí)際值

=

0.70

～

0.85轉(zhuǎn)換效率（Efficiency）光電轉(zhuǎn)換效率是人們在比較兩塊電池好壞時(shí)最常使用參數(shù)。效率的定義為電池輸出的電能與射入電池的光能的比例。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。測量陸地太陽能電池的條件是光照電池的光照則為AM0。Pin為入射光的能量密度，即輻照度，通常