光伏教程-薄膜太陽能電池的基礎(chǔ)與熱點(diǎn)

薄膜太陽能電池的基礎(chǔ)與熱點(diǎn)2023/11/132

光伏：器件、系統(tǒng)及應(yīng)用

by

ChristianaHonsberg&StuartBowden

一直以來，對(duì)專業(yè)教育的普遍缺乏被認(rèn)為是光伏電池得到恰當(dāng)應(yīng)用的一個(gè)主要障礙。光伏電子課程面向的是學(xué)生和擁有基本專業(yè)知識(shí)的個(gè)人，例如，比較熟悉電子電路知識(shí)，但現(xiàn)在還沒有掌握光伏器件和太陽能系統(tǒng)領(lǐng)域的知識(shí)。內(nèi)容緒論太陽能電池的工作原理傳統(tǒng)硅太陽能電池工藝薄膜太陽能電池概況和制備目前薄膜太陽能電池的研究熱點(diǎn)1.緒論新能源汽車太陽能發(fā)電站屋頂墻幕一體化工程離網(wǎng)部件鳥巢130kw舊金山機(jī)場航站樓450kw1.緒論傳統(tǒng)化石能源→不可再生、環(huán)境污染、能源枯竭可再生能源：風(fēng)能、地?zé)崮?、水能、潮汐能、太陽能等↓資源豐富、利用方便、潔凈無污染中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì)

《中國新能源與可再生能源發(fā)展規(guī)劃1999白皮書》

石油煤天然氣其他世界的能源結(jié)構(gòu)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整太陽能利用的重要途徑之一是研制太陽能電池！每年排放的二氧化碳達(dá)210萬噸化石能源開采高峰2020~2030年

未來能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)預(yù)測圖1.緒論光伏發(fā)展的契機(jī)？一次能源的面臨枯竭；社會(huì)發(fā)展對(duì)能源需求的增加，加劇全球能源緊張。人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。環(huán)境惡化的壓力和減排CO2的需要，促進(jìn)了可再生能源的利用。光伏技術(shù)是最直接和有效的途徑和方法。1.緒論環(huán)境壓力1.緒論相關(guān)的政府政策：太陽能的春天日本、歐洲、美國已經(jīng)出臺(tái)相關(guān)政策和法令,鼓勵(lì)和補(bǔ)貼可再生能源發(fā)展2005年3月中華人民共和國主席令33號(hào)正式頒布了《中華人民共和國可再生能源法》，2006年開始實(shí)施太陽能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃1.緒論“十二五”發(fā)展重點(diǎn)

（一）高純多晶硅

（二）硅碇/硅片

（三）晶硅電池

（四）薄膜電池

（五）高效聚光太陽能電池

（六）BIPV組件

（七）光伏生產(chǎn)專用設(shè)備

（八）配套輔料

（九）并網(wǎng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)

（十）公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)

2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)102023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)11（三）晶硅電池大力發(fā)展高轉(zhuǎn)換率、長壽命晶硅電池技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。重點(diǎn)支持低反射率的絨面制備技術(shù)、選擇性發(fā)射極技術(shù)及后續(xù)的電極對(duì)準(zhǔn)技術(shù)、等離子體鈍化技術(shù)、低溫電極技術(shù)、全背結(jié)技術(shù)的研究及應(yīng)用。關(guān)注薄膜硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)等新型太陽能電池成套關(guān)鍵技術(shù)。（四）薄膜電池重點(diǎn)發(fā)展非晶與微晶相結(jié)合的疊層和多結(jié)薄膜電池。降低薄膜電池的光致衰減，鼓勵(lì)企業(yè)研發(fā)5.5代以上大面積高效率硅薄膜電池，開發(fā)柔性硅基薄膜太陽電池卷對(duì)卷連續(xù)生產(chǎn)工藝等。及時(shí)跟進(jìn)銅銦鎵硒和有機(jī)薄膜電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，開發(fā)并掌握低成本非真空銅銦鎵錫薄膜電池制備技術(shù)，磁控濺射電池制備技術(shù)，真空共蒸法電池制備技術(shù)，規(guī)模化制造關(guān)鍵工藝。太陽電池的歷史1839年法國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家EdmundBacquerel（貝克勒爾）發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)1941年奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)1954年Chaipin（恰賓）和Carlson(卡爾松)等人在貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)6%的世界上第一塊實(shí)用的硅太陽電池，標(biāo)志著太陽電池研制工作的重大進(jìn)展1959年第一個(gè)光電轉(zhuǎn)換效率為5％的多晶硅太陽電池問世1960年硅太陽電池發(fā)電首次并入常規(guī)電網(wǎng)1975年，美國科學(xué)家制作出非晶硅太陽電池

80年代初，太陽電池開始規(guī)?；a(chǎn)1.緒論太陽能電池的發(fā)展太陽能電池逐漸由航天等特殊的用電場合進(jìn)入到地面應(yīng)用中。一個(gè)4KW的屋頂家用光伏系統(tǒng)可以滿足普通家庭的用電需要，每年少排放的CO2的數(shù)量相當(dāng)于一輛家庭轎車的年排放量。由于材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的不斷改進(jìn)，現(xiàn)在太陽能電池的價(jià)格不到20世紀(jì)70年代的1%。預(yù)期10年內(nèi)太陽能電池能源在美國、日本和歐洲的發(fā)電成本將可與火力發(fā)電競爭。目前，年均增長率35%，是能源技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展最快的行業(yè)。1.緒論Ref:Prof.Zhang’sreport2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)141.緒論

太陽能

太陽能，從某種形式上說，是地球上幾乎所有能源的源頭。而人類，像所有其它的動(dòng)物和植物一樣，因?yàn)闇嘏褪澄锒蕾囉谔?。然而，人類同時(shí)還以許多不同的方式利用太陽的能量。比如，化石燃料，一種來自以前地質(zhì)時(shí)代的植物材料，就被用在交通運(yùn)輸和發(fā)電上。本質(zhì)上它就是儲(chǔ)存了無數(shù)年以前的太陽能。類似的，生物把太陽能轉(zhuǎn)換成可以用來加熱、運(yùn)輸和發(fā)電的燃料。風(fēng)能，幾百年來被人們用來提供機(jī)械能以及用于運(yùn)輸?shù)哪茉?，利用的是被太陽光加熱的空氣和地球轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的空氣流動(dòng)。如今，風(fēng)力渦輪機(jī)把風(fēng)2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)15&0.1太陽能

能轉(zhuǎn)換成電能，同時(shí)也用在傳統(tǒng)用途上。甚至水電也是源之太陽能。水力發(fā)電依賴于太陽光蒸發(fā)的水蒸氣，水蒸氣以雨水的形式回到地球并流向水壩。光伏發(fā)電（通常簡稱為PV）是一種簡易而優(yōu)美的利用太陽能的方式。光伏器件（太陽能電池）是獨(dú)特的，因?yàn)樗馨讶肷涔饩€直接轉(zhuǎn)換成電而不會(huì)產(chǎn)生噪音、污染且不需要移動(dòng)零部件，這使得它們很牢固、可靠以及壽命長久。需要指出的是，太陽能電池跟通訊及電腦革命基于同樣的原理和材料。而我們這個(gè)電子教程包括了光伏器件和系統(tǒng)的運(yùn)行和應(yīng)用。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)16第一章：光的特性&1.1光的基本原理&1.2黑體輻射&1.3太陽輻射&1.4地表太陽輻射&1.5太陽輻射數(shù)據(jù)2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)17&1.1.1光的基本原理

—光的特性

每秒鐘地球接收到的太陽能是人類每年能量需求的好幾倍。我們每天能看到的光只是從太陽發(fā)射然后進(jìn)入地球的能量的一小部分而已。太陽光是電磁波的其中一種形式，而我們看到的可見光也只是我們右邊顯示的電磁波普的一個(gè)小子集。在電磁波普里，光被描述成有特定波長的波。光是一種波的說法首先在18世紀(jì)早期被人們接受，當(dāng)時(shí)由楊、阿拉戈和菲涅耳所做的實(shí)驗(yàn)顯示出了光的干涉可見光2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)18&1.1.1光的基本原理

—光的特性

效應(yīng)，表明光是由波構(gòu)成的。到了1860年代，光被認(rèn)為是電磁波普中的一部分。然而，到了18世紀(jì)后期，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中測量的由熱體所發(fā)出的電磁波的波普不能被波動(dòng)方程所解釋時(shí)，光是波的觀點(diǎn)所引發(fā)的問題便開始顯現(xiàn)出來。這個(gè)矛盾被普朗克在1900年和愛因斯坦在1905年的工作化解了。普朗克認(rèn)為，光的總能量是由不可分的能量元素或能量量子所構(gòu)成。而愛因斯坦在研究光電效應(yīng)（當(dāng)光照射在特定的金屬或半導(dǎo)體上時(shí)會(huì)釋放電子）時(shí)準(zhǔn)確地得出了這些能量量子的值。鑒于他們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域的成就，普朗克和愛因斯坦分別在1918年和1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，同時(shí)，基于他們的工作，人們認(rèn)為光可能是由一系列的“包”或被叫做光子的能量粒子組成。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)19&1.1.1光的基本原理

—光的特性今天，量子力學(xué)即解釋了光的波動(dòng)性又解釋了光的粒子性。在量子力學(xué)中，像所有其它量子力學(xué)粒子（如電子、質(zhì)子等）一樣，對(duì)光子最準(zhǔn)確的描述就是“波包”。波包被定義為一群平面波的疊合，這些平面波有可能以干涉在一個(gè)局限的空間的形式（就像一個(gè)方波是由無數(shù)的正弦波所組成一樣）出現(xiàn)，也有可能只是簡單地像一個(gè)波一樣交替出現(xiàn)。當(dāng)波包以局限在一個(gè)小空間的形式出現(xiàn)時(shí)，它就被看做粒子。因此，視情況的不同，一個(gè)光子有可能以波的形式或粒子的形式出現(xiàn)，這個(gè)概念就就叫“波粒二象性”。

2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)20&1.1.1光的基本原理

—光的特性右邊動(dòng)畫描述的是不同波長的光的波包。對(duì)光的特性的完整物理學(xué)描述需要用量子力學(xué)分析，因?yàn)楣馐橇孔恿W(xué)粒子中的一種，所以被叫做光子。對(duì)光伏應(yīng)用來說，較少要求這么詳細(xì)的知識(shí)，因此，在這里，在光的量子特性方面只給出了少量的文字描述。盡管如此，在某些情況下（幸運(yùn)的是，僅僅涉及到光伏系統(tǒng)方面），根據(jù)這里的簡單解釋，2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)21&1.1.1光的基本原理

—光的特性

光的行為方式可能會(huì)違背常識(shí)?！俺ＷR(shí)”指的是我們自己的觀察，觀察量子效應(yīng)不能依靠常識(shí)，因?yàn)檫@些效應(yīng)產(chǎn)生的條件超出了人類的觀察范圍。如果需要了解更多關(guān)于光的知識(shí)，請(qǐng)參考《費(fèi)恩曼.1985》。下面列出幾個(gè)入射太陽光的重要特性，這些特性在決定入射光與太陽能電池或其他器件如何作用時(shí)非常重要。這些重要的特性是：入射光的光譜容量太陽輻射的功率強(qiáng)度太陽光入射到太陽能電池的角度一年或一天，太陽光照射到特定表面的總能量學(xué)完這章之后，你應(yīng)該對(duì)以上的四個(gè)概念有所掌握。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)22&1.1.2光的基本原理

--光子的能量

一般用波長（符號(hào)為λ）或相對(duì)應(yīng)的能量（符號(hào)為E）來描述一個(gè)光子的特性。子的能量與波長之間存在反比例關(guān)系，方程如下：

E=hc/λ

其中h是普朗克常數(shù)，c表示光速。它們以及其它常用的常數(shù)的數(shù)值都顯示在常數(shù)頁.

上面的反比例關(guān)系表示，由光子組成的光的能量越高（比如藍(lán)光），波長就越短。能量越低（如紅光），波長越長。當(dāng)描述光子、電子等粒子時(shí)，共同使用的能量單位是

2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)23&1.1.2光的基本原理

--光子的能量

“電子伏特”（eV），而不是“焦耳”（J）。一個(gè)電子伏特的能量相當(dāng)于把一個(gè)電子的電勢提高一伏所需要的功，所以

要實(shí)現(xiàn)電子伏特與焦耳的轉(zhuǎn)換，只需用電荷量q乘于1電子伏特的能量。公式如下:

E(J)=q×E(eV)在表達(dá)關(guān)于eV和μm方面的光子能量方程的時(shí)候，我們找到了表示能量與波長之間的關(guān)系

E（eV）=1.24/λ（μm）2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)24&1.1.2光的基本原理

--光子的能量

通過上面的公式，可求出特定波長的光子的能量大小。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)25&1.3.1太陽輻射

--太陽太陽是一個(gè)充滿氣體的熱球，其內(nèi)部因太陽內(nèi)核發(fā)生核聚變反應(yīng)（氫轉(zhuǎn)化成氦），溫度超過20000000k。但因?yàn)榻咏柋砻娴臍湓訉拥膹?qiáng)烈吸收，來自內(nèi)核的輻射無法被看見。熱量通過對(duì)流的方式被轉(zhuǎn)移出這一氫原子層。太陽被叫做光球，其表面溫度大概在6000K左右或者更精確點(diǎn)5762±50K，接近于一個(gè)黑體。通過功率強(qiáng)度乘于太陽的表面積可以計(jì)算得到太陽輻射的總功率，為9.5×1025w

太陽輻射的總功率不只是由單一的波長構(gòu)成的，而是由許多波長組成，因此在人眼中呈現(xiàn)白色或黃色。使太陽光透過棱鏡便可以看到這些不同波長的光了，或者透過水霧便可看見彩虹。不同波長的光呈現(xiàn)不同的顏色，但不是所有波長的光都能被看見因?yàn)橛幸恍?duì)人的眼睛來說是不可見的。低能量光子高能量光子玻璃三棱鏡2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)26&1.3.2太陽輻射

--太空中的太陽輻射在太空中與太陽有一定距離的物體，其吸收的太陽光只占太陽總輻射的一小部分。太陽光照度（Ho單位W/m2）指的是照射到物體的太陽光的功率強(qiáng)度。在太陽的表面，輻射功率強(qiáng)度相當(dāng)于6000k黑體的輻射強(qiáng)度，其總的功率強(qiáng)度等于這個(gè)值乘于太陽表面積。然而，在遠(yuǎn)離太陽表面的地方，太陽總的功率強(qiáng)度就被擴(kuò)散至大得多的表面。因此，隨著太空中的物體距離太陽越來越遙遠(yuǎn)，照射到其表面的太陽光照度也越來越小。距離太陽為D的物體接收到的太陽光照度可以通過總的太陽功率強(qiáng)度在物體所在球面的平均劃分得到。太陽輻射的總功率強(qiáng)度可由σT4乘于太陽的表面積（4πR2）給出，其中R為太陽半徑。當(dāng)物體距離太陽為D時(shí)，太陽光照射在此處的球面面積為4πD2.因此，入射到物體的太陽光輻射強(qiáng)度2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)27&1.3.2太陽輻射

--太空中的太陽輻射Ho（單位W/m2），為：式中Hsun（單位W/m2）為太陽表面的功率強(qiáng)度，由斯特番—波耳茲曼(Stefan-Boltzmann)的黑體方程確定。R和D分別為太陽的半徑和與太陽的距離，單位都為m，如下圖所示：在距離為D處，來自太陽的同樣多的能量擴(kuò)散到面積大得多的區(qū)域，太陽光的功率強(qiáng)度也隨之減小了許多。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)28&1.3.2太陽輻射

--太空中的太陽輻射行星

距離（x109m）太陽光（W/m2）水星578908.0金星1082481.3地球1501286.3火星227561.7木球77847.8土星142614.2天王星28683.5海王星44971.4冥王星58060.9右邊的表格給出了太陽系每個(gè)行星的太陽光照度的標(biāo)準(zhǔn)值2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)29&1.4.2地面太陽輻射

--大氣影響

大氣效應(yīng)在幾個(gè)方面影響著地球表面的太陽輻射。在光伏應(yīng)用領(lǐng)域其主要影響為：由大氣吸收、散射和反射引起的太陽輻射能量的減少。由于大氣對(duì)某些波長的較為強(qiáng)烈地吸收和散射而導(dǎo)致光譜含量的變化。分散的或間接的光譜組合被引入到太陽輻射中。當(dāng)?shù)卮髿鈱拥淖兓鹑肷涔饽芰?、光譜和方向的額外改變。這些影響總結(jié)在下圖中：2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)30&1.4.2地面太陽輻射

--大氣影響由于入射光的散射導(dǎo)致的徑直的和分散的輻射

當(dāng)光穿過大氣層被吸收的同時(shí)也發(fā)生散射。大氣中光的散射機(jī)制之一就是人們熟知的瑞利散射，它由大氣中的分子引起。瑞利散射對(duì)短波光（如藍(lán)光）作用效果顯著，因?yàn)槿鹄⑸涞膹?qiáng)度與波長四次方成反比。除了瑞利散射之外，氣溶膠和塵埃粒子也會(huì)是入射光產(chǎn)生散射。散射光的方向是雜亂無章的，所以它可以來自天空的任何地區(qū)。這種光也叫分散光。由于散射光主要是藍(lán)光，所以除了太陽所處的區(qū)域外，來自天空所有區(qū)域的光都呈現(xiàn)藍(lán)色。假如大氣中沒有散射的話，天空將變成黑色，而太陽則會(huì)變成一個(gè)圓盤狀的光源。在天氣晴朗的日子，入射光線中大概有10%會(huì)被散射。紅光的波長大于多數(shù)的粒子線度，不會(huì)受影響。藍(lán)光的波長與大氣中粒子線度相當(dāng)，所以被強(qiáng)烈散射。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)31&1.4.3地面太陽輻射

--大氣質(zhì)量大氣質(zhì)量被定義為光穿過大氣的路徑長度，長度最短時(shí)的路徑（即當(dāng)太陽處在頭頂正上方時(shí)）規(guī)定為“一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣質(zhì)量”?！按髿赓|(zhì)量”量化了太陽輻射穿過大氣層時(shí)被空氣和塵埃吸收后的衰減程度。大氣質(zhì)量由下式給出：

式中θ表示太陽光線與垂直線的夾角，當(dāng)太陽處在頭頂時(shí)，大氣質(zhì)量為1。

“大氣質(zhì)量”描繪了太陽光到達(dá)地面前所需走過的路程與太陽處在頭頂處時(shí)的路程的比例，也等于Y/X.2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)32&1.4.3地面太陽輻射

--大氣質(zhì)量

估算大氣質(zhì)量的一個(gè)最簡單的方法就是測量一個(gè)垂直立著的標(biāo)桿的投影長度。如上圖，大氣質(zhì)量等于斜邊的長度除于標(biāo)桿的高度h，然后由勾股定理便得到：標(biāo)桿高度h影子長度，s2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)33&1.4.4地面太陽輻射

--太陽的運(yùn)動(dòng)

“太陽視運(yùn)動(dòng)”是由地球繞其軸自轉(zhuǎn)引起的表面現(xiàn)象，它改變著射入地球的光線的直射分量角度。從地面的一個(gè)固定位置來看，太陽橫跨整個(gè)天空運(yùn)動(dòng)。太陽的位置決定于地面上的點(diǎn)的坐標(biāo)、一天中的時(shí)間和一年中的日期。下圖將展示這種太陽視運(yùn)動(dòng)：2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)34&1.4.4地面太陽輻射

--太陽的運(yùn)動(dòng)

太陽視運(yùn)動(dòng)在很大程度上影響著太陽能收集器件獲得的能量。當(dāng)太陽光垂直入射到吸收平面時(shí)，在平面上的功率強(qiáng)度等于入射光的功率強(qiáng)度。然而，當(dāng)太陽光與吸收平面的角度改變時(shí)，其表面的功率強(qiáng)度就會(huì)減小。當(dāng)平面與太陽光平行時(shí)，功率強(qiáng)度基本上變?yōu)榱?。?duì)于0度和90度之間的角，它們相對(duì)的功率強(qiáng)度為最大值乘于cos（θ），其中θ為太陽光與器件平面之間的夾角。

點(diǎn)擊右邊的動(dòng)畫，觀測吸收平面與入射光的夾角的改變所產(chǎn)生的影響。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)35第二章：太陽能電池的工作原理&2.1簡介&2.2基本原理&2.3載流子的產(chǎn)生&2.4載流子的復(fù)合&2.5載流子的運(yùn)動(dòng)&2.6

PN結(jié)2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)36&2.1簡介

一直以來，太陽能電池與其它的電子器件都被緊密地聯(lián)系在一起。接下來的幾節(jié)將講述半導(dǎo)體材料的基本問題和物理原理，這些都是光伏器件的核心知識(shí)。這些物理原理可以用來解釋PN結(jié)的運(yùn)作機(jī)制。PN結(jié)不僅是太陽能電池的核心基礎(chǔ)，還是絕大多數(shù)其它電子器件如激光和二極管的重要基礎(chǔ)。

右圖是一個(gè)硅錠，由一個(gè)大的單晶硅組成，這樣一個(gè)硅錠可以被切割成薄片然后被制成不同半導(dǎo)體器件，包括太陽能電池和電腦芯片。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)37&2.2.1基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體是由許多單原子組成的，它們以有規(guī)律的周期性的結(jié)構(gòu)鍵合在一起，然后排列成型，借此，每個(gè)原子都被8個(gè)電子包圍著。一個(gè)單原子由原子核和電子構(gòu)成，原子核則包括了質(zhì)子（帶正電荷的粒子）和中子（電中性的粒子），而電子則圍繞在原子核周圍。電子和質(zhì)子擁有相同的數(shù)量，因此一個(gè)原子的整體是顯電中性的?；谠觾?nèi)的電子數(shù)目（元素周期表中的每個(gè)元素都是不同的），每個(gè)電子都占據(jù)著特定的能級(jí)。下圖展示了一種半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu).

硅晶格中的共價(jià)鍵示意圖。硅原子共價(jià)鍵2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)38&2.2.1基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體材料可以來自元素周期表中的Ⅴ族元素，或者是Ⅲ族元素與Ⅴ族元素相結(jié)合（叫做Ⅲ-Ⅴ型半導(dǎo)體），還可以是Ⅱ族元素與Ⅵ族元素相結(jié)合（叫做Ⅱ-Ⅵ型半導(dǎo)體）。硅是使用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，它是集成電路（IC）芯片的基礎(chǔ)，也是最為成熟的技術(shù)，而大多數(shù)的太陽能電池也是以硅作為基本材料的。

右圖給出了元素周期表的一部分，藍(lán)色字幕顯示了更多的半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體可以由單原子構(gòu)成，如Si或Ge，鍵合如GaAs、InP、CdTe，還可以是合金，如SixGe（1-x）或AlxGa（1-x）As。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)39&2.2.1基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)決定了半導(dǎo)體材料的性能。其中一個(gè)關(guān)鍵影響就是限制了電子能占據(jù)的能級(jí)和電子在晶格之間的移動(dòng)。半導(dǎo)體中，圍繞在每個(gè)原子的電子都是共價(jià)鍵的一部分。共價(jià)鍵就是兩個(gè)相鄰的原子都拿出自己的一個(gè)電子來與之共用，這樣，每個(gè)原子便被8個(gè)電子包圍著。共價(jià)鍵中的電子被共價(jià)鍵的力量束縛著，因此它們總是限制在原子周圍的某個(gè)地方。因?yàn)樗鼈儾荒芤苿?dòng)或者自行改變能量，所以共價(jià)鍵中的電子不能被認(rèn)為是自由的，也不能夠參與電流的流動(dòng)、能量的吸收以及其它與太陽能電池相關(guān)的物理過程。然而，只有在絕對(duì)零度的時(shí)候才會(huì)讓全部電子都束縛在價(jià)鍵中。在高溫下，電子能夠獲得足夠的能量擺脫共價(jià)鍵，而當(dāng)它成功擺脫后，便能自由地在晶格之間運(yùn)動(dòng)并參與導(dǎo)電。在室溫下，半導(dǎo)體擁有足夠的自由電子使其導(dǎo)電，然而在到達(dá)或接近絕對(duì)零度的時(shí)候，它就像一個(gè)絕緣體。價(jià)鍵的存在導(dǎo)致了電子有兩個(gè)不同能量狀態(tài)。電子的最低能量2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)40&2.2.1基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

態(tài)是其處在價(jià)帶的時(shí)候。然而，如果電子吸收了足夠的熱能來打破共價(jià)鍵，那么它將進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子。電子不能處在這兩個(gè)能帶之間的能量區(qū)域。它要么束縛在價(jià)鍵中除于低能量狀態(tài)，要么獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵，但它吸收的能量有個(gè)最低限度，這個(gè)最低能量值被叫做半導(dǎo)體的“禁帶”。自由電子的數(shù)量和能量是研究電子器件性能的基礎(chǔ)。電子擺脫共價(jià)鍵后留下來的空間能讓共價(jià)鍵從一個(gè)電子移動(dòng)到另一個(gè)電子，也因此出現(xiàn)了正電荷在晶格中運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。這個(gè)留下的空位置通常被叫做“空穴”，它與電子相似但是帶正電荷。

右邊動(dòng)畫展示了當(dāng)電子能夠逃脫共價(jià)鍵時(shí)自由電子和空穴是如何形成的2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)41&2.2.1基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

對(duì)于太陽能電池來說，半導(dǎo)體最重要的參數(shù)是：禁帶寬度能參與導(dǎo)電的自由載流子的數(shù)目當(dāng)光射入到半導(dǎo)體材料時(shí)，自由載流子的產(chǎn)生和復(fù)合。關(guān)于這些參數(shù)的更詳細(xì)描述將在下面幾頁給出。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)42&2.2.2基本原理

--禁帶

半導(dǎo)體的禁帶寬度是指一個(gè)電子從價(jià)帶運(yùn)動(dòng)到能參與導(dǎo)電的自由狀態(tài)所需要吸收的最低能量值。半導(dǎo)體的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)顯示了（y軸）電子的能量，此圖也被叫做“能帶圖”。半導(dǎo)體中比較低的能級(jí)被叫做“價(jià)帶”（Ev），而處于其中的電子能被看成自由電子的能級(jí)叫“導(dǎo)帶”（Ec）。處于導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的便是禁帶（EG）了。

固體中電子的能帶示意圖2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)43&2.2.2基本原理

--禁帶

一旦進(jìn)入導(dǎo)帶，電子將自由地在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)并參與導(dǎo)電。然而，電子在導(dǎo)帶中的運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致另外一種導(dǎo)電過程的發(fā)生。電子從原本的共價(jià)鍵移動(dòng)到導(dǎo)帶必然會(huì)留下一個(gè)空位。來自周圍原子的電子能移動(dòng)到這個(gè)空位上，然后又留下了另外一個(gè)空位，這種留給電子的不斷運(yùn)動(dòng)的空位，叫做“空穴”，也可以看作在晶格間運(yùn)動(dòng)的正電荷。因此，電子移向?qū)У倪\(yùn)動(dòng)不僅導(dǎo)致了電子本身的移動(dòng)，還產(chǎn)生了空穴在價(jià)帶中的運(yùn)動(dòng)。電子和空穴都能參與導(dǎo)電并都稱為“載流子”。移動(dòng)的“空穴”這一概念有點(diǎn)類似于液體中的氣泡。盡管實(shí)際上是液體在流動(dòng)，但是把它想象成是液體中的氣泡往相反的方向運(yùn)動(dòng)更容易理解些。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)44&2.2.3基本原理

--本征載流子濃度

把電子從價(jià)帶移向?qū)У臒峒ぐl(fā)使得價(jià)帶和導(dǎo)帶都產(chǎn)生載流子。這些載流子的濃度叫做本征載流子濃度，用符號(hào)ni表示。沒有注入能改變載流子濃度的雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料叫做本征材料。本征載流子濃度就是指本征材料中導(dǎo)帶中的電子數(shù)目或價(jià)帶中的空穴數(shù)目。載流子的數(shù)目決定于材料的禁帶寬度和材料的溫度。寬禁帶會(huì)使得載流子很難通過熱激發(fā)來穿過它，因此寬禁帶的本征載流子濃度一般比較低。但還可以通過提高溫度讓電子更容易被激發(fā)到導(dǎo)帶，同時(shí)也提高了本征載流子的濃度。

右圖顯示了兩個(gè)溫度下的半導(dǎo)體本征載流子濃度。需要注意的是，兩種情況中，自由電子的數(shù)目與空穴的數(shù)目都是相等的。室溫高溫導(dǎo)帶價(jià)帶2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)45&2.2.4基本原理

--摻雜

通過摻入其它原子可以改變硅晶格中電子與空穴的平衡。比硅原子多一個(gè)價(jià)電子的原子可以用來制成n型半導(dǎo)體材料，這種原子把一個(gè)電子注入到導(dǎo)帶中，因此增加了導(dǎo)帶中電子的數(shù)目。相對(duì)的，比硅原少一個(gè)電子的原子可以制成p型半導(dǎo)體材料。在p型半導(dǎo)體材料中，被束縛在共價(jià)鍵中的電子數(shù)目比本征半導(dǎo)體要高，因此顯著地提高了空穴的數(shù)目。在已摻雜的材料中，總是有一種載流子的數(shù)目比另一種載流子高，而這種濃度更高的載流子就叫“多子”，相反，濃度低的載流子就叫“少子”。右邊的示意圖描述了單晶硅摻雜后制成n型和p型半導(dǎo)體。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)46&2.2.4基本原理

--摻雜下表總結(jié)了不同類型半導(dǎo)體的特性P型（正）N型（負(fù)）摻雜Ⅲ族元素（如硼）Ⅴ族元素（如磷）價(jià)鍵失去一個(gè)電子（空穴）多出一個(gè)電子多子空穴電子少子電子空穴2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)47&2.2.4基本原理

--摻雜

下面的動(dòng)畫展示了p型硅與n型硅。在一塊典型的半導(dǎo)體中，多子的濃度可能達(dá)到1017cm-3，少子的濃度則為106cm-3。這是一個(gè)怎樣的數(shù)字概念呢？少子與多子的比例比一個(gè)人與地球總的人口數(shù)目的比還要小。少子既可以通過熱激發(fā)又可以通過光照產(chǎn)生。N型半導(dǎo)體。之所以叫n型是因?yàn)槎嘧邮菐ж?fù)電（negatively）的電子

P型半導(dǎo)體。之所以叫p型是因?yàn)槎嘧邮菐д姡╬ositively)的空穴2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)48&2.2.5基本原理

--平衡載流子濃度

在沒有外加偏壓的情況下，導(dǎo)帶和價(jià)帶中的載流子濃度就叫本征載流子濃度。對(duì)于多子來說，其平衡載流子濃度等于本征載流子濃度加上摻雜入半導(dǎo)體的自由載流子的濃度。在多數(shù)情況下，摻雜后半導(dǎo)體的自由載流子濃度要比本征載流子濃度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此多子的濃度幾乎等于摻雜載流子的濃度。在平衡狀態(tài)下，多子和少子的濃度為常數(shù)，由質(zhì)量作用定律可得其數(shù)學(xué)表達(dá)式。

n0p0=n2i

式中ni表示本征載流子濃度，n0和p0分別為電子和空穴的平衡載流子濃度。使用上面的質(zhì)量作用定律，可得多子和少子的濃度：

n型

n0=NDP0=n2i/ND

p型

P0=NAn0=n2i/NA2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)49&2.2.5基本原理

--平衡載流子濃度

上面的方程顯示少子的濃度隨著摻雜水平的增加而減少。例如，在n型材料中，一些額外的電子隨著摻雜的過程而加入到材料當(dāng)中并占據(jù)價(jià)帶中的空穴，空穴的數(shù)目隨之下降。

右圖描述了低摻雜和高摻雜情況下的平衡載流子濃度。并顯示，當(dāng)摻雜水平提高時(shí)，少子的濃度減小。N型半導(dǎo)體材料低摻雜高摻雜價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)50&2.3.1載流子的產(chǎn)生

--光的吸收

入射到半導(dǎo)體表面的光子要么在表面被反射，要么被半導(dǎo)體材料所吸收，或者兩者都不是，即只是從此材料透射而過。對(duì)于光伏器件來說，反射和透射通常被認(rèn)為損失部分，就像沒有被吸收的光子一樣不產(chǎn)生電。如果光子被吸收，將在價(jià)帶產(chǎn)生一個(gè)電子并運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)帶。決定一個(gè)光子是被吸收還是透射的關(guān)鍵因素是光子的能量?；诠庾拥哪芰颗c半導(dǎo)體禁帶寬度的比較，入射到半導(dǎo)體材料的光子可以分為三種：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。Eph＝Eg光子的能量剛剛好足夠激發(fā)出一個(gè)電子-空穴對(duì)，能量被完全吸收。Eph>Eg光子能量大于禁帶寬度并被強(qiáng)烈吸收。

2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)51&2.3.1載流子的產(chǎn)生

--光的吸收

右邊的動(dòng)畫展示了三種不同能量層次的光子在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的效應(yīng)。對(duì)光的吸收即產(chǎn)生了多子又產(chǎn)生少子。在很多光伏應(yīng)用中，光生載流子的數(shù)目要比由于摻雜而產(chǎn)生的多子的數(shù)目低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在被光照的半導(dǎo)體內(nèi)部，多子的數(shù)量變化并不明顯。但是對(duì)少子的數(shù)量來說情況則完全相反。由光產(chǎn)生的少子的數(shù)目要遠(yuǎn)高于原本無光照時(shí)的光子數(shù)目，也因此在有光照的太陽能電池內(nèi)的少子數(shù)目幾乎等于光產(chǎn)生的少子數(shù)目。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)52&2.3.2載流子的產(chǎn)生

--吸收系數(shù)

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。下圖顯示幾種半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)：砷化鎵磷化銦鍺硅

四種不同半導(dǎo)體才在溫度為300K時(shí)的吸收系數(shù)α，實(shí)驗(yàn)在真空環(huán)境下進(jìn)行。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)53&2.3.2載流子的產(chǎn)生

--吸收系數(shù)

上面的圖表明，即使是那些能量比禁帶寬度高的光子，它們的吸收系數(shù)也不是全都相同的，而是與波長有密切的聯(lián)系。一個(gè)光子被吸收的概率取決于這個(gè)光子能與電子作用（即把電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶）的可能性。對(duì)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(duì)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(huì)增大。然而，對(duì)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。硅的其它光學(xué)性質(zhì)在硅的光學(xué)性質(zhì)一頁中給出。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)54&2.3.3載流子的產(chǎn)生

--吸收深度

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。下面將給出另一個(gè)參數(shù)--吸收深度，它與吸收系數(shù)成反比例關(guān)系，即為α-1。吸收深度是一個(gè)非常有用的參數(shù)，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)候在材料中走的深度。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。右邊的動(dòng)畫顯示了紅光與藍(lán)光的吸收深度的不同。

藍(lán)光在離表面非常近處就被吸收而大部分的紅光則在器件的深處才被吸收。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)55&2.3.3載流子的產(chǎn)生

--吸收深度下圖顯示了幾種半導(dǎo)體的吸收深度：2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)56&2.3.4載流子的產(chǎn)生

--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。忽略反射不計(jì)，半導(dǎo)體材料吸收的光線的多少?zèng)Q定于吸收系數(shù)（α

單位為cm-1）和半導(dǎo)體的厚度。半導(dǎo)體中每一點(diǎn)中光的強(qiáng)度可以通過以下的方程計(jì)算：

I=I0e-αx

式中α為材料的吸收系數(shù)，單位通常為cm-1，x為光入射到材料的深度，I0為光在材料表面的功率強(qiáng)度。上述方程可以用來計(jì)算太陽能電池中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)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。因此，對(duì)上面的方程進(jìn)行微分將得到半導(dǎo)體中任何一點(diǎn)的生成率。即2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)57&2.3.4載流子的產(chǎn)生

--生成率

G=αN0e-αx其中N0=表面的光子通量（光子/單位面積.秒）α=吸收系數(shù)，x=進(jìn)入材料的距離。上面的方程顯示，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。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。進(jìn)入硅的深度電子空穴對(duì)的生成率2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)58&2.3.4載流子的產(chǎn)生

--生成率

計(jì)算一系列不同波長的光的生成率時(shí)，總的生成率等于每種波長的總和。下圖將展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，顯示著在電池表面的產(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)。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)59&2.4.1復(fù)合理論

--復(fù)合的類型

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。這種過程叫做復(fù)合。在單晶半導(dǎo)體材料中，復(fù)合過程大致可以分為三種：輻射復(fù)合俄歇復(fù)合肖克萊-雷德-霍爾復(fù)合這些復(fù)合在右邊的動(dòng)畫中都有描述。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)60&2.4.1復(fù)合理論

--復(fù)合的類型輻射復(fù)合輻射復(fù)合是LED燈和激光這類的半導(dǎo)體器件的主要復(fù)合機(jī)制。然而，對(duì)于由硅制成的陸地用太陽能電池來說，輻射復(fù)合并不是主要的，因?yàn)楣璧慕麕Р⒉皇侵苯咏麕?，它使得電子不能直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。輻射復(fù)合的幾個(gè)主要特征是：在輻射復(fù)合中，電子與空穴直接在導(dǎo)帶結(jié)合并釋放一個(gè)光子。釋放的光子的能量近似于禁帶寬度，所以吸收率很低，大部分能夠飛出半導(dǎo)體。通過復(fù)合中心的復(fù)合通過復(fù)合中心的輻射也被叫做肖克萊-萊德-霍爾或SRH復(fù)合，它2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)61&2.4.1復(fù)合理論

--復(fù)合的類型

不會(huì)發(fā)生在完全純凈的、沒有缺陷的材料中。SRH復(fù)合過程分為兩步：一個(gè)電子（或空穴）被由晶格中的缺陷產(chǎn)生的禁帶中的一個(gè)能級(jí)所俘獲。這些缺陷要么是無意中引入的要么是故意加入到材料當(dāng)中去的，比如往材料中摻雜。如果在電子被熱激發(fā)到導(dǎo)帶之前，一個(gè)空穴（或電子）也被俘獲到同一個(gè)能級(jí)中，那么復(fù)合過程就完成了。載流子被俘獲到禁帶中的缺陷能級(jí)的概率取決于能級(jí)到兩能帶（導(dǎo)帶和禁帶）的距離。因此，如果一個(gè)能級(jí)被引入到靠近其中一能帶的邊緣地區(qū)，發(fā)生復(fù)合的可能性將比較小，因?yàn)殡娮颖容^容易被激發(fā)到導(dǎo)帶去，而不是與從價(jià)帶移動(dòng)到同一個(gè)能級(jí)的空穴復(fù)合?；谶@個(gè)因素，處在禁帶中間的能級(jí)發(fā)生復(fù)合的概率最大。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)62&2.4.1復(fù)合理論

--復(fù)合的類型

俄歇復(fù)合一個(gè)俄歇復(fù)合過程有三個(gè)載流子參與。一個(gè)光子與一個(gè)空穴復(fù)合后，其釋放的能量并不是以熱能或光子的形式傳播出去，而是把它傳給了第三個(gè)載流子，即在導(dǎo)帶中的電子。這個(gè)電子接收能量后因?yàn)闊嶙饔米罱K又回到導(dǎo)帶的邊緣。俄歇復(fù)合是重?fù)诫s材料和被加熱至高溫的材料最主要的復(fù)合形式。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)63&2.4.2復(fù)合理論

--擴(kuò)散長度

如果半導(dǎo)體中少子的數(shù)目因?yàn)橥饨绲亩虝杭ぐl(fā)而在原來平衡的基礎(chǔ)上增加，這些額外激發(fā)的少子將因?yàn)閺?fù)合過程而漸漸衰退回原本平衡時(shí)的狀態(tài)。在太陽能電池中一個(gè)重要的參數(shù)是復(fù)合發(fā)生的速率，這樣也叫做”復(fù)合率”.復(fù)合率決定于額外少子的數(shù)目。例如，當(dāng)沒有額外少子時(shí)，復(fù)合率將為零?！吧僮訅勖保ㄓ梅?hào)和表示）是指產(chǎn)生電子空穴對(duì)之后處在激發(fā)狀態(tài)的載流子在復(fù)合之前能存在的平均時(shí)間。還有一個(gè)相關(guān)的參數(shù)—少子擴(kuò)散長度，是指在復(fù)合之前一個(gè)載流子從產(chǎn)生處開始運(yùn)動(dòng)的平均路程。少數(shù)載流子壽命和擴(kuò)散長度在很大程度上取決于材料的類型和復(fù)合的數(shù)量。對(duì)于許多種類的硅太陽能電池來說，SHR復(fù)合式主要的復(fù)合機(jī)制。而復(fù)合率則決定于材料中存在的缺陷數(shù)量，因此，當(dāng)太陽能電池的摻雜量增加時(shí)，SHR復(fù)合的速率也將隨著增加。另外2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)64&2.4.2復(fù)合理論

--擴(kuò)散長度

，因?yàn)槎硇獜?fù)合更多的是在重?fù)诫s和被加熱的材料發(fā)生，所以俄歇復(fù)合過程也會(huì)隨著摻雜的增加而增強(qiáng)。此外，生成半導(dǎo)體薄片的方法和過程對(duì)擴(kuò)散長度也有重要影響。

右圖為高效率的PERL多晶硅太陽能電池的比色圖。圖下的比例系數(shù)代表著光生載流子的多少以及由于太陽能電池中擴(kuò)散長度的不同而引起的電池中不同區(qū)域的差異，而擴(kuò)散長度的不同是由多晶硅材料的晶界變化照成的。在硅中，少子壽命可以達(dá)到1μs。對(duì)于單晶硅太陽能電池來說，擴(kuò)散長度通常在100-300μm之間。這兩個(gè)參數(shù)表征了材料相對(duì)于電池應(yīng)用的質(zhì)量和適用度。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)65&2.4.3復(fù)合理論

--表面復(fù)合

任何在半導(dǎo)體內(nèi)部或表面的缺陷和雜質(zhì)都會(huì)促進(jìn)復(fù)合。因?yàn)樘柲茈姵乇砻娲嬖谥鴩?yán)重的晶格分裂，所以電池表面是一個(gè)復(fù)合率非常高的區(qū)域。高復(fù)合率導(dǎo)致表面附近的區(qū)域的少子枯竭。就如擴(kuò)散這一節(jié)所解釋的，某些區(qū)域的低載流子濃度會(huì)引起周圍高濃度區(qū)域的載流子往此處擴(kuò)散。因此，表面復(fù)合率受到擴(kuò)散到表面的載流子的速率的限制?！氨砻鎻?fù)合率”的單位為cm/sec，被用來描述表面的復(fù)合。在沒有發(fā)生復(fù)合的表面，往表面運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目也為零，因此表面復(fù)合率也為零。當(dāng)表面復(fù)合非?？鞎r(shí),運(yùn)動(dòng)指向表面的載流子讀速度受到最大復(fù)合速率的限制，而對(duì)大多數(shù)半導(dǎo)體來說最大速度為1×107cm/sec。半導(dǎo)體表面的掛鍵引起了此處的高復(fù)合率2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)66&2.4.3復(fù)合理論

--表面復(fù)合

半導(dǎo)體表面的缺陷是由于晶格排列在表面處的中斷照成的，即在表面處產(chǎn)生掛鍵。減少掛鍵的數(shù)目可以通過在半導(dǎo)體表面處生長一層薄膜以連接這些掛鍵，這種方法也叫做表面鈍化。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)67&2.5.1載流子的運(yùn)動(dòng)

--半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)

導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴之所以被叫做自由載流子，是因?yàn)樗鼈兡茉诎雽?dǎo)體晶格間移動(dòng)。一個(gè)很簡單但在多數(shù)情況下都適用的對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)的描述是，在一定溫度下，在隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)的載流子都有特定的速度。在與晶格原子碰撞之前，載流子在隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)的距離長度叫做散射長度。一旦與原子發(fā)生碰撞，載流子將往不同的隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)。載流子的速度決定于晶格的溫度。在溫度為T的半導(dǎo)體內(nèi)載流子的平均運(yùn)動(dòng)能量為1/2mv2

，其中m為載流子的質(zhì)量，v代表熱運(yùn)動(dòng)速度。熱運(yùn)動(dòng)速度指的是載流子速度的平均值，即載流子的速度是分散的、不均勻的，有些速度快有些則很慢。下面的動(dòng)畫將展示載流子運(yùn)動(dòng)的模型2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)68&2.5.1載流子的運(yùn)動(dòng)

--半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)

盡管半導(dǎo)體中的載流子在不停地做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，但是并不存在載流子勢運(yùn)動(dòng)，除非有濃度梯度或電場。因?yàn)檩d流子往每一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的概率都是一樣的，所以載流子往一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)最終會(huì)被它往相反方向的運(yùn)動(dòng)給平衡掉。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)69&2.5.1載流子的運(yùn)動(dòng)

--半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)

在下面的動(dòng)畫中，一個(gè)載流子在與晶格原子碰撞之前在隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)了與散射長度相等的距離（為了看得更加清晰，晶格原子并沒有顯示出來）。在與晶格原子碰撞后，載流子再次以隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)。下面的動(dòng)畫舉出了50個(gè)散射粒子。盡管在動(dòng)畫中碰撞的次數(shù)很少，載流子的勢運(yùn)動(dòng)還是很小的。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)70&2.5.2載流子的運(yùn)動(dòng)

--擴(kuò)散

如果半導(dǎo)體中一個(gè)區(qū)域的載流子濃度要比另一個(gè)區(qū)域的高，那么，由于不停的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，將引起載流子的勢運(yùn)動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，在兩個(gè)不同濃度的區(qū)域之間將會(huì)出現(xiàn)載流子梯度。載流子將從高濃度區(qū)域流向低濃度區(qū)域。這種載流子的流動(dòng)叫做“擴(kuò)散”，是由于載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的。在器件的所有區(qū)域中，載流子往某一方向的運(yùn)動(dòng)的概率是相同的。在高濃度區(qū)域，數(shù)量龐大的載流子不停地往各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，包括往低濃度方向。然而，在低濃度區(qū)域只存在少量的載流子，這意味著往高濃度運(yùn)動(dòng)的載流子也是很少的。這種不平衡導(dǎo)致了從高濃度區(qū)域往低濃度區(qū)域的勢運(yùn)動(dòng)。如下面的動(dòng)畫所示。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)71&2.5.2載流子的運(yùn)動(dòng)

--擴(kuò)散

擴(kuò)散的速率決定于載流子的運(yùn)動(dòng)速度和兩次散射點(diǎn)相隔的距離。在溫度更高的區(qū)域，擴(kuò)散速度會(huì)更快，因?yàn)樘岣邷囟饶芴岣咻d流子的熱運(yùn)動(dòng)速度。擴(kuò)散現(xiàn)象的主要效應(yīng)之一是使載流子的濃度達(dá)到平衡，就像在沒有外界力量作用半導(dǎo)體時(shí)，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合也會(huì)使得半導(dǎo)體達(dá)到平衡。下面的動(dòng)畫將闡述這一現(xiàn)象，圖中一個(gè)區(qū)域有很高濃度的電子，另一個(gè)則有高濃度的空穴。因?yàn)橹挥休d流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，所以最終這兩種濃度會(huì)變成一致的。

這個(gè)動(dòng)畫顯示了半導(dǎo)體的高濃度部分是怎樣趨向于平均分布的。載流子填滿可利用的空間，僅僅是通過隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，靜電斥力的影響甚微，因?yàn)檩d流子之間的距離很遠(yuǎn)。此外，空穴（藍(lán)色）的擴(kuò)散率比電子的低，所以需要更長的時(shí)間來填滿整個(gè)空間。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)72&2.5.3載流子的運(yùn)動(dòng)

--漂移運(yùn)動(dòng)

在半導(dǎo)體外加一個(gè)電場可以使做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的帶電載流子往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。在沒有外加電場時(shí)，載流子在隨機(jī)方向以一定的速度移動(dòng)一段距離。然而，在加了電場之后，其方向與載流子的隨機(jī)方向疊加。那么，如果此載流子是空穴，其在電場方向?qū)⒆黾铀龠\(yùn)動(dòng)，電子則反之。在特定方向的加速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了載流子的勢運(yùn)動(dòng)，如下面動(dòng)畫所示。載流子的方向是其原來方向與電場方向的向量疊加。右邊動(dòng)畫顯示了電場的存在是如何使載流子是如何往一個(gè)總方向運(yùn)動(dòng)的。動(dòng)畫中的粒子是空穴，所以運(yùn)動(dòng)的方向與電場方向相同。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)73&2.5.3載流子的運(yùn)動(dòng)

--漂移運(yùn)動(dòng)

由外加電場所引起的載流子運(yùn)動(dòng)叫“漂移運(yùn)動(dòng)”。漂移運(yùn)動(dòng)不僅發(fā)生在半導(dǎo)體材料中，在金屬材料中同樣存在。而接下來動(dòng)畫將分別展示有伴隨和沒有伴隨電場的載流子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。途中的載流子是電子。因?yàn)殡娮邮菐ж?fù)電的所以它將朝著與電場方向相反的方向運(yùn)動(dòng)。值得注意的是，在大多數(shù)情況下，電子是往電場相反的方向運(yùn)動(dòng)的。但是在有些情況中，例如電子跟隨著一系列往電場方向的運(yùn)動(dòng)，則有可能是勢運(yùn)動(dòng)，并沿著電場方向運(yùn)動(dòng)了一小段距離。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)74&2.5.3載流子的運(yùn)動(dòng)

--漂移運(yùn)動(dòng)

下面一個(gè)動(dòng)畫描述了擁有相等數(shù)目的電子和空穴的本征半導(dǎo)體。沒有外加電場時(shí)，電子和空穴隨機(jī)地在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)。加入電場后電子和空穴往相反的方向漂移。為了看得更加清晰，動(dòng)畫夸大了電場的作用效果。事實(shí)上，對(duì)于通常的半導(dǎo)體來說，電場對(duì)載流子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響是很有限的。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)75&2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管

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。

pn結(jié)的形成

pn結(jié)是n型半導(dǎo)體材料和p型半導(dǎo)體材料的結(jié)合形成的，如下圖所示。因?yàn)閚型半導(dǎo)體區(qū)域的電子濃度很高，而p型區(qū)域的空穴濃度很高，所以電子從n型區(qū)擴(kuò)散到p型區(qū)，同理，空穴也從p型區(qū)擴(kuò)散到n型區(qū)。如果電子和空穴都是不帶電的，擴(kuò)散過程將持續(xù)到兩個(gè)區(qū)域的電子和空穴的濃度都分別相等，就像兩種氣體相互往對(duì)方區(qū)域擴(kuò)散一樣。然而，對(duì)于pn結(jié)來說，當(dāng)電子和空穴運(yùn)動(dòng)到pn結(jié)的另一邊

2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)76&2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管

時(shí)，也在雜質(zhì)原子區(qū)域留下了與之相反的電荷，這種電荷被固定在晶格當(dāng)中不能移動(dòng)。在n型區(qū)，被留下的便是帶正電的原子核，相反，在p型區(qū)，留下的是帶負(fù)電的原子核。于是，一個(gè)從n型區(qū)的正離子區(qū)域指向p型區(qū)的負(fù)離子區(qū)域的電場E就建立起來了。這個(gè)電場區(qū)域叫做“耗盡區(qū)”，因?yàn)榇穗妶瞿苎杆侔炎杂奢d流子移走，因此，這個(gè)區(qū)域的自由載流子是被耗盡的。源于電場E的內(nèi)建電勢Vbi在pn結(jié)中形成。下面的動(dòng)畫將展示n型和p型材料之間的pn結(jié)所形成的電場E的結(jié)構(gòu)。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)77&2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管

平衡狀態(tài)下載流子運(yùn)動(dòng)沒有外加刺激的pn結(jié)代表著，由于耗盡區(qū)的電場的存在，載流子之間的產(chǎn)生、復(fù)合、擴(kuò)散以及漂移將會(huì)達(dá)到平衡。盡管電場的存在阻礙了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)穿過電場，但有些載流子還是依然通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)穿過了電場。在下面的動(dòng)畫中，大多數(shù)進(jìn)入耗盡區(qū)的多子都被移回它們本來的區(qū)域。然而，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，有一些載流子會(huì)以很高的速度往pn結(jié)方向運(yùn)動(dòng)，最終穿過電場。一旦多子穿過電場就會(huì)變成另一區(qū)的少子。在被復(fù)合之前，這個(gè)載流子將繼續(xù)做遠(yuǎn)離電場的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)距離等于平均擴(kuò)散長度。由載流子通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)穿過電場而產(chǎn)生的電流叫做擴(kuò)散電流。在下面的動(dòng)畫中，注意觀察跑入耗盡區(qū)的載流子，并留意穿過pn結(jié)的載流子。需要說明的一點(diǎn)是，實(shí)際的pn結(jié)中載流子的數(shù)目和速度都是比動(dòng)畫中的要高得多，而穿過pn結(jié)的載流子數(shù)目也是非常大的。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)78&2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管

到達(dá)擴(kuò)散區(qū)與耗盡區(qū)的交界處時(shí)，少子會(huì)被電場拉到耗盡區(qū)。由此形成的電流叫做漂移電流。在平衡狀態(tài)下，漂移電流的大小受到少子數(shù)目的限制，這些少子是在與耗盡區(qū)的距離小于擴(kuò)散長度的區(qū)域通過熱激發(fā)產(chǎn)生的。

在平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體的凈電流為零。電子的漂移電流與電子的擴(kuò)散電流是相互抵消的（試想如果沒有抵消的話，將在半導(dǎo)體的其中一邊出現(xiàn)電子的聚集）。同理，空穴的漂移電流與空穴擴(kuò)散電流也是相互抵消的。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)79&2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置

半導(dǎo)體器件共有三種狀態(tài)模式：

1.熱平衡狀態(tài)

在熱平衡模式下，半導(dǎo)體沒有額外的刺激，如光照射或外加電壓。載流子的電流相互抵消所以在器件內(nèi)沒有凈電流。

2.穩(wěn)態(tài)

在恒穩(wěn)模式下，將有光線照射或施有外加電壓，但這些條件并不隨時(shí)間而改變。器件通常處在穩(wěn)定狀態(tài)，要么正向偏壓要么反向偏壓。

3.突變狀態(tài)

當(dāng)施加的電壓迅速改變時(shí)，太陽能電池的對(duì)變化的響應(yīng)將會(huì)出現(xiàn)延遲。鑒于太陽能電池并不是高速運(yùn)轉(zhuǎn)領(lǐng)域使用的電子器件，在這里將不對(duì)突變效應(yīng)多加描述。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)80&2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置

正向偏壓下的二極管正向偏壓（也叫正向偏置）指的是在器件兩邊施加電壓，以使得pn結(jié)的內(nèi)建電場減小。即在p型半導(dǎo)體加正極電壓而在n型半導(dǎo)體加負(fù)極電壓，于是，一個(gè)穿過器件方向與內(nèi)建電場相反的電場便建立起來了。因?yàn)楹谋M區(qū)的電阻要比器件中其他區(qū)域的電阻要大得多（由于耗盡區(qū)的載流子很少的緣故），所以幾乎所有的外加電壓都施加在了耗盡區(qū)上。對(duì)于實(shí)際的半導(dǎo)體器件，內(nèi)建電場的電壓總是要比外加電場的高。而電場的減小將破壞pn結(jié)的平衡，即減小了對(duì)載流子從pn結(jié)的一邊到另一邊的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙，增大擴(kuò)散電流。當(dāng)擴(kuò)散電流增加時(shí)，漂移電流基本保持不變，因?yàn)槠齐娏鞯拇笮≈蝗Q于在與耗盡區(qū)的距離小于擴(kuò)散長度的區(qū)域還有耗散區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生的載流子的數(shù)目。因?yàn)樵谏厦娴倪^程中，耗散區(qū)的寬度只縮小了2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)81&2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置一小部分，所以穿過電場的少子的數(shù)目也基本不變。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)82&2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置

載流子的注入和正向偏置電流從pn結(jié)的一端到另一端的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的增加導(dǎo)致了少數(shù)載流子（少子）往耗散區(qū)邊緣的注入。這些少數(shù)載流子由于擴(kuò)散而漸漸遠(yuǎn)離pn結(jié)并最終與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合。多數(shù)載流子是由外部電流產(chǎn)生的，也因此在正向偏壓下產(chǎn)生凈電流。假設(shè)沒有復(fù)合作用，少數(shù)載流子的濃度將達(dá)到一個(gè)更高的水平，而從結(jié)的一端到另一端的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)將會(huì)停止，這很像兩種不同氣體的相互擴(kuò)散。一開始，氣體分子進(jìn)行著從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域的凈運(yùn)動(dòng)，但當(dāng)兩個(gè)區(qū)域的濃度達(dá)到統(tǒng)一以后，將不會(huì)再有氣體分子的凈運(yùn)動(dòng)。然而在半導(dǎo)體中，注入的少數(shù)載流子會(huì)被復(fù)合掉，因此不斷有更多的載流子擴(kuò)散過pn結(jié)。結(jié)果是，在正向偏置下的擴(kuò)散電流也是復(fù)合電流。復(fù)合的速度越高，通過pn結(jié)的擴(kuò)散電流就越大?！鞍碉柡碗娏鳌保↖0）是區(qū)2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)83&2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置

別兩種不同二極管的非常重要的參數(shù)。I0是衡量一個(gè)器件復(fù)合特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，二極管的復(fù)合速率越大，I0也越大。

反向偏壓

反向偏置電壓是指在器件兩端加電場，以使pn結(jié)增大。在pn結(jié)中的內(nèi)建電場越大，載流子能從pn結(jié)一段擴(kuò)散至另一端的概率就越小，即擴(kuò)散電流就越小。與正向偏壓時(shí)相同，由于受到進(jìn)入耗盡區(qū)的少數(shù)載流子的數(shù)量限制，pn結(jié)的漂移電流并沒有因內(nèi)建電場的增大而相應(yīng)增大。漂移電流的微量增加主要是因?yàn)楹谋M區(qū)寬度的微量擴(kuò)張，但這基本上只是一種二階效應(yīng)。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)84&2.6.3P-N結(jié)

--二極管方程

理想二極管

二極管方程解釋了通過二極管的電流與電壓的關(guān)系，即理想二極管定律：I為通過二極管的凈電流，I0為暗飽和電流（在沒有光照情況下輸出的電流），V是施加在二極管兩端的電壓，q和k分別代表電荷的絕對(duì)值和玻耳茲曼常數(shù)，而T則表示絕對(duì)溫度（K）。值得注意的是，I0隨著T的升高而增大。在溫度為300k時(shí)，KT/q=25.85mV。I0隨著材料質(zhì)量的增大而增大。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)85&2.6.3P-N結(jié)

--二極管方程

非理想二極管方程

對(duì)于實(shí)際的二極管來說，其方程需稍作改變：

其中n為理想因子，數(shù)值在1到2之間，通常隨著電流的增大而增大。上面的兩個(gè)方程都是相對(duì)于硅材料來說的。右圖顯示了硅二極管中電流與電壓和溫度的關(guān)系，當(dāng)電流大小一定時(shí)，曲線的改變規(guī)律大概為2mV/°c2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)86第三章：

太陽能電池的特性&3.1理想太陽能電池&3.2太陽能電池的參數(shù)&3.3電阻效應(yīng)&3.4其他效應(yīng)&3.5對(duì)太陽能電池的測量2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)87&3.1.1理想太陽能電池

太陽能電池的結(jié)構(gòu)

太陽能電池是一種能直接把太陽光轉(zhuǎn)化為電的電子器件。入射到電池的太陽光通過同時(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，首先，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)，第二，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。許多不同的材料和工藝都基本上能滿足太陽能轉(zhuǎn)化的需求，但實(shí)際上，幾乎所有的光伏電池轉(zhuǎn)化過程都是使用組成PN結(jié)形式的半導(dǎo)體材料來完成的。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)太陽能電池的橫截面2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)88&3.1.1理想太陽能電池

太陽能電池的結(jié)構(gòu)

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穿過電池的高電壓的產(chǎn)生能量在電路和外接電阻中消耗2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)89&3.1.2理想太陽能電池

光生電流

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)過程是吸收入射光電子并產(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，也沒有電流和電能產(chǎn)生。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，阻止了它們的復(fù)合。Pn結(jié)是通過其內(nèi)建電場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)建電場移到另一個(gè)區(qū)，然后它便成了多少載流子。如果用一根導(dǎo)線把發(fā)射區(qū)跟基區(qū)連接在一起（使電池短路），光生載流子將流到外部電路。下面的動(dòng)畫展示了短路情況下的理想電流。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)90&3.1.2理想太陽能電池

光生電流

理想短路情況下電子和空穴在pn結(jié)的流動(dòng)。少數(shù)載流子不能穿過半導(dǎo)體和金屬之間的界限，如果要阻止復(fù)合并對(duì)參與到電流中的話，必須通過pn結(jié)的收集。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)91&3.1.3理想太陽能電池

收集概率

“收集概率”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。在耗散區(qū)的所有光生載流子的收集概率都是相同的，因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域的電子空穴對(duì)會(huì)被電場迅速地分開。在原來電場的區(qū)域，其收集概率將下降。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)，那么它的收集概率是相當(dāng)?shù)偷?。相似的，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(huì)被復(fù)合。下面的圖描述了表面鈍化和擴(kuò)散長度對(duì)收集概率的影響。

對(duì)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)的發(fā)射長度前端表面在高復(fù)合率的情況下，其表面的收集概率很低。低擴(kuò)散長度的太陽能電池。在電池中位置弱鈍化的太陽能電池強(qiáng)鈍化的太陽能電池在耗散區(qū)的收集概率相同背表面收集概率2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)92&3.1.3理想太陽能電池

收集概率

收集概率與載流子的生成率決定了電池的光生電流的大小。光生電流大小等于電池各處的載流子生成速率乘于那一處的收集概率。下面計(jì)算光生電流的方程包括了生成率和收集概率，其材料為硅，光照為1.5AM。收集概率生成率在電池中的距離2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)93&3.1.3理想太陽能電池

收集概率

在1.5光譜下硅的生成速率。注意，電池表面的生成率是最高的，因此電池對(duì)表面特性是很敏感的。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，入射光中將沒有藍(lán)光對(duì)光生電池做出貢2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)94&3.1.3理想太陽能電池

收集概率獻(xiàn)。上圖顯示了不同波長的光在硅材料中的載流子生成率。波長0.45μm的藍(lán)光擁有高吸收率，為105cm-1，也因此它在非?？拷敹吮砻嫣幈晃?。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?023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)95&3.1.4理想太陽能電池

量子效率

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。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)散長度右圖為硅太陽能電池的量子效率。通常，波長小于350nm的光子的量子效率不予測量，因?yàn)樵?.5大氣質(zhì)量光譜中，這些短波的光所包含能量很小。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)96&3.1.4理想太陽能電池

量子效率

盡管理想的量子效率曲線是矩形的（如上圖），但是實(shí)際上幾乎所有的太陽能電池的都會(huì)因?yàn)閺?fù)合效應(yīng)而減小。影響收集效率的因素同樣影響著量子效率。例如，頂端表面鈍化會(huì)影響靠近表面的載流子的生成，而又因?yàn)樗{(lán)光是在非?？拷砻嫣幈晃盏?，所以頂端表面的高復(fù)合效應(yīng)會(huì)強(qiáng)烈地影響藍(lán)光部分量子效率。相似的，綠光能在電池體內(nèi)的大部分被吸收，但是電池內(nèi)過低的擴(kuò)散長度將影響收集概率并減小光譜中綠光部分的量子效率。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?！眱?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。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)97&3.1.5理想太陽能電池

光譜響應(yīng)

”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。

理想的光譜響應(yīng)在長波長段受到限制，因?yàn)榘雽?dǎo)體不能吸收能量低于禁帶寬度的光子。這種限制在量子效率曲線中同樣起作用。然而，不同于量子效率的矩形曲線，光譜響應(yīng)曲線在隨著波長減小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)2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)98&3.1.5理想太陽能電池

光譜響應(yīng)

而下降。因?yàn)檫@些短波長的光子的能量很高，導(dǎo)致光子與能量的比例下降。光子的能量中，所有超出禁帶寬度的部分都不能被電池利用，而是只能加熱電池。在太陽能電池中，高光子能量的不能完全利用以及低光子能量的無法吸收，導(dǎo)致了顯著的能量損失。光譜響應(yīng)是非常重要的量，因?yàn)橹挥袦y量了光譜響應(yīng)才能計(jì)算出量子效率。公式如下2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)99

&3.1.6理想太陽能電池

光伏效應(yīng)

被收集的光生載流子并不是靠其本身來產(chǎn)生電能的。為了產(chǎn)生電能，必須同時(shí)產(chǎn)生電壓和電流。在太陽能電池中，電壓是由所謂的”光生伏打效應(yīng)”過程產(chǎn)生的。pn結(jié)對(duì)光生載流子的收集引起了電子穿過電場移向n型區(qū)，而空穴則移向p型區(qū)。在電池短路的情況下，將不會(huì)出現(xiàn)電荷的聚集，因?yàn)檩d流子都參與了光生電流的流動(dòng)。然而，如果光生載流子被阻止流出電池，那pn結(jié)對(duì)光生載流子的收集將引起n型區(qū)的電子數(shù)目增多，p型區(qū)的空穴數(shù)目增多。這樣，電荷的分開將在電池兩邊產(chǎn)生一個(gè)與內(nèi)建電場方向相反的電場，也因此降低了電池的總電場。因?yàn)閮?nèi)建電場代表著對(duì)前置擴(kuò)散電流的障礙，所以電場減小的同時(shí)也增大擴(kuò)散電流。穿過pn結(jié)的電壓將達(dá)到新的平衡。流出電池的電流大小就等于光生電流與擴(kuò)散電流的差。在電池開路的情況下，pn結(jié)的正向偏壓處在新的一點(diǎn)，此時(shí)，光生2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)100&3.1.6理想太陽能電池

光伏效應(yīng)

電流大小等于擴(kuò)散電流大小，且方向相反，即總的電流為零。當(dāng)兩個(gè)電流達(dá)到平衡時(shí)的電壓叫做“開路電壓”。下面動(dòng)畫將展示載流子在分別在短路和開路的下的流動(dòng)情況。

動(dòng)畫顯示了太陽能電池分別在熱平衡、短路和開路下的載流子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。請(qǐng)注意不同情況下，流過pn結(jié)的電流的不同。在熱平衡下（光照為零），擴(kuò)散電流和漂移電流都非常小。而電池短路時(shí)，pn結(jié)兩邊的少數(shù)載流子濃度以及由少數(shù)載流子決定大小的漂移電流都將增加。在開路時(shí)，光生載流子引起正向偏壓，因此增加了擴(kuò)散電流。因?yàn)閿U(kuò)散電流和漂移電流的方向相反，所以開路時(shí)電池總電流為零。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)101

&3.2.1太陽能電池的參數(shù)

電池的伏安曲線

太陽能電池的伏安曲線是電池二極管在黑暗時(shí)的伏安曲線與光生電流的疊加。光的照射能使伏安曲線移動(dòng)到第四象限，意味著能量來自電池。用光照射電池并加上二極管的暗電流，則二極管的方程變?yōu)椋菏街蠭L為光生電流動(dòng)畫展示了光對(duì)一個(gè)pn結(jié)的電流電壓特性的影響。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)102

&3.2.1太陽能電池的參數(shù)

電池的伏安曲線

接下來的幾節(jié)將討論幾個(gè)用于描述太陽能電池特性的重要參數(shù)。短路電流（ISC），開路電壓（VOC），填充因子（FF）和轉(zhuǎn)換效率都可以從伏安曲線測算出來的重要參數(shù)。2023/11/13UNSW新南威爾士大學(xué)103

&3.2.2太陽能電池的參數(shù)

短路電流

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。太陽能電池的伏安曲線短路電流ISC是電池流出的最大電流，此時(shí)穿過電池的電壓為零。電池產(chǎn)生的電能短路電流源于光生載流子的產(chǎn)生的收集。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。2