【正文】 第三章： 太陽能電池的特性 2022/5/26 UNSW新南威爾士大學 1 167。 理想太陽能電池 167。 太陽能電池的 參數(shù) 167。 電阻效應 167。 其他效應 167。 對太陽能電池 的測量 167。 理想太陽能電池 太陽能電池的結(jié)構 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 同時產(chǎn)生電流和電壓 的形式來產(chǎn)生電能 。 這個過程的發(fā)生需要 兩個條件 ，首先 ， 被吸收的光要能在材料中把一個 電子激發(fā)到高能級 ， 第二 ， 處于高能級的電子 能從電池中 移動到外部 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 的半導體材料來完成的 。 2022/5/26 UNSW新南威爾士大學 2 167。 理想太陽能電池 太陽能電池的結(jié)構 太陽能電池的橫截面 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 太陽能電池運行的基本步驟： ? 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 2022/5/26 UNSW新南威爾士大學 4 167。 理想太陽能電池 太陽能電池的結(jié)構 167。 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 兩個主要的過程 。 第一個過程是吸收入射 光子 并產(chǎn)生電子空穴對 。電子空穴對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 ， 在復合之前其平均生存時間等于少數(shù)載流子的壽命 。 如果載流子被復合了 ， 光生電子空穴對將消失 ， 也產(chǎn)生不了電流或電能了 。 2022/5/26 UNSW新南威爾士大學 5 167。 理想太陽能電池 光生電流 第二 個過程是 pn結(jié)通過對這些光生載流子的 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 pn結(jié)，將會被內(nèi)建電場移到另一個區(qū)，然后它便成了 多數(shù) 載流子。如果用一根導線把發(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。 2022/5/26 UNSW新南威爾士大學 7 動畫展示了短路情況下的理想電流 。 理想短路情況下電子和空穴在 pn結(jié)的流動 。 少數(shù)載流子不能穿過半導體和金屬之間的界限 ， 如果要阻止復合并對電流有貢獻的話 ， 必須通過 pn結(jié)的 收集 。 167。 理想太陽能電池 光生電流 “收集概率 ” 描述了光照射到電池的某個區(qū)域產(chǎn)生的載流子被 pn結(jié)收集并參與到電流流動的概率 ， 它的 大小取決于 光生載流子需要運動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 ， 因為在這個區(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 ， 其收集概率將下降 。 當載流子在與電場的距離大于擴散長度的區(qū)域產(chǎn)生時 ， 那么它的收集概率是相當?shù)偷?。相似的 ， 如果載流子是在靠近電池表面這樣的高復合區(qū)的區(qū)域產(chǎn)生 ， 那么它將會被復合 。 下面的圖描述了表面鈍化和擴散長度對收集概率的影響 。 167。 理想太陽能電池 收集概率 167。 理想太陽能電池 收集概率 對收集概率的計算，紅線代表發(fā)射區(qū)的擴散長度，藍線代表基區(qū)的發(fā)射長度。 前端表面 在高復合率的情況下，其表面的收集概率很低。 低擴散長度的太陽能電池。 電池中距離表面的距離 弱鈍化的太陽能電池 強鈍化的太陽能電池 在耗散區(qū)的收集概率相同 背表面 收集概率 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以該處的收集概率 。下面是硅在光照為 ， 包括了生成率和收集概率 。 ? ? ? ?0WLJ q G x C P x dx ? ?? ? ? ?? ? ? ?00 w xq H e d C P x d x??? ? ??? ??2022/5/26 10 收集概率 生成率 在電池中的距離 167。 理想太陽能電池 收集概率 2022/5/26 UNSW新南威爾士大學 11 在 。注意， 電池表面 的生成率是最高 的，因此電池對表面特性是很敏感的。 167。 理想太陽能電池 收集概率 167。 理想太陽能電池 收集概率 收集概率的不一致產(chǎn)生了光生電流的光譜效應 。例如 ， 表面的收集概率低于其他部分的收集概率 。 比較下圖的藍光 、 紅光和紅外光 ， 藍光在硅表面的零點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 ， 入射光中藍光將不對光生電池做出貢 獻 。 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 ， 為 105cm1， 也因此它在非常靠近頂端表面處被吸收 。 波長 103cm1， 因此其吸收長度更深一些 。 103cm1， 但是它幾乎不被吸收因為它的能量接近于硅材料的禁帶寬度 。 167。 理想太陽能電池 收集概率 歸一化的EH對生成率 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應又可以與光子能量相對應 。 如果某個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 。 2022/5/26 UNSW新南威爾士大學 14 167。 理想太陽能電池 量子效率 167。 理想太陽能電池 量子效率 總量子效率的減小是由反射效應和過短的擴散長度引起的。 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 前端表面復合導致藍光響應的減小。 紅光響應的降低是由于背表面反射、對長波光的吸收的減少和短擴散長度 下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 ， 因為在 中 ， 這些短波的光所包含能量很小 。 盡管理想的量子效率曲線是矩形的 （ 如上圖 ） ， 但是實際上幾乎所有的太陽能電池的都會因為復合效應而減小 。 影響收集效率的因素同樣影響著量子效率 。 例如 ， 頂端表面鈍化會影響靠近表面的載流子的生成 ， 而又因為藍光是在非?？拷砻嫣幈晃盏?， 所以頂端表面的高復合效應會強烈地影響藍光部分量子效率 。 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