【文章內(nèi)容簡介】 有太空用太陽電池的理想材料硅、砷化鎵、 磷化銦單晶； 多晶硅， 還有適宜發(fā)展低成本太陽電池的非晶硅、 硒銦銅、 碲化鎘、 硫化鎘等薄膜材料。 pn型 pin型 肖特基勢壘型 帶反型層的 MIS型及異質(zhì)結(jié)型 按光伏結(jié)構(gòu)中勢壘的不同，太陽電池可分為： 光電子技術研究所 一 、 光伏效應的兩個基本條件 光伏效應就是半導體材料吸收光能后 ， 在其勢壘區(qū)兩邊產(chǎn)生電動勢的效應 。 光伏效應是半導體太陽電池實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的理論基礎 。 半導體太陽電池的光生伏特效應 光電子技術研究所 第一 ， 半導體材料對一定波長的入射光有足夠大的光吸收系數(shù) α ， 即要求入射光子的能量 hv大于或等于半導體材料的帶隙 Eg， 使該入射光子能被半導體吸收而激發(fā)出光生非平衡的電子空穴對 。 第二 ， 具有光伏結(jié)構(gòu) ， 即有一個內(nèi)建電場所對應的勢壘區(qū) 。 為使這些光電器件能產(chǎn)生光生電動勢(或光生積累電荷 )， 它們應該滿足以下兩個條件： 光電子技術研究所 1．半導體中的光吸收 考慮某單色光入射進半導體后 ， 其光子流密度隨透入深度 x而變化的規(guī)律： Nph(x)＝ Nph (０ )exp ［ α (λ ) ｘ ] 式中 Nph (0)為投射到半導體表面的單色光的光子流密度， α(λ)是半導體材料的光吸收系數(shù)，單位為 cm－１ ，它除了與材料有關外，又是入射光波長 λ(或光子能量 )的函數(shù)。 α 的物理意義是：該單色光在半導體中透入 1 /α 深度時其光子流密度已衰減到原值的 1/e。 故可用 1/ α來表征該波長光在材料中透入深度。 光電子技術研究所 第一類 α從零很快上升到 α＞ 104cm －１ ，這發(fā)生在直 接帶隙半導體材料中，如砷化鎵、磷化銦和硫化鎘等； 第二類上升緩慢，這發(fā)生在間接帶隙半導體材料中，如硅、鍺、磷化鎵、碲化鎘和非晶硅等。 圖給出某些半導體材料的光吸收曲線 (即光透入深度曲線 )。這些曲線的特點是，當入射光子能量低于某種半導體材料的帶隙，即 hvEg時，其 α值小到接近于零； 當 hv大于 Eg時， α值增加很快。根據(jù) α值上升情況，可把半導體材料分為兩類： 光電子技術研究所 根據(jù)這些材料的吸收曲線，可以發(fā)現(xiàn)砷化鎵和非晶硅的吸收系數(shù)比單晶硅的大得多，透入深度只有 1μｍ左右，即幾乎全部吸收入射陽光。所以，這兩種電池都可以做成薄膜，節(jié)省材料 硅太陽電池 ， 緩慢上升的吸收曲線 ， 對太陽光譜中長波長光 ， 要求較厚的硅片 ( 約 100— 300μm) ，才能較充分吸收 ， 而對短波長光 ， 只在入射表面附近 lμm區(qū)域內(nèi)已充分吸收了 。 光電子技術研究所 在零偏條件下 ， 如用光照射 p區(qū)或 n區(qū) ， 只要照射光的波長滿足 λ?λc， 都會激發(fā)出光生電子 空穴對 。 光照 p區(qū) ， 由于 p區(qū)的多數(shù)載流子是空穴 ， 光照前熱平衡空穴濃度本來就比較大 ， 因此光生空穴對 p區(qū)空穴濃度影響很小 。 相反 ， 光生電子對 p區(qū)的電子濃度影響很大 ， 從 p區(qū)表面 (吸收光能多 ，光生電子多 )向 p區(qū)內(nèi)自然形成電子擴散趨勢 。 如果 p區(qū)厚度小于電子擴散長度 ，那么大部分光生電子都能擴散進入Pn結(jié) 。 2． pn結(jié)的光電轉(zhuǎn)換原理 光電子技術研究所 一進入 pn結(jié) ． 就被內(nèi)電場拉向 n區(qū) 。這樣 ． 光生電子一空穴對就被內(nèi)電場分離開來 ， 空穴留在 p區(qū) ， 電子通過擴散流向 n區(qū) 。 這時用電壓表就能測量出 p區(qū)正 , n區(qū)負的開路電壓 un， 稱為光生伏特效應 。 如果用一個理想電流表接通 pn結(jié) ， 則有電流 i0通過 ． 稱為短路電流 。 綜上所述， 光照零偏 pn結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應，稱為光伏效應。 這也是光電池的工作原理。 光電子技術研究所 從上面分析可知 ， 光生電壓起源于定向光生電流提供的 、在勢壘兩邊分別積累的兩種光生電荷 。 假設勢壘區(qū)中復合可以忽略 ， 各區(qū)電子空穴對產(chǎn)生率為恒定值 G的簡單情況下 ， 光生電流表達式可寫成： IPh ＝ qAG(Ln+W+Lp ) 式中 q是電子電荷，A為勢壘區(qū)面積，Ln、 Lp是電子和空穴的擴散長度，Ｗ是勢壘區(qū)寬度。 光電子技術研究所 由上述分析可知 ， 理想 pn結(jié)太陽電池可以用一恒定電流源 Iph (光生電流 )及一理想二極管的并聯(lián)來表示 。 故理想 pn結(jié)太陽電池的等效電路如圖所示 。 考慮實際太陽電池上存在泄漏電阻 Rsh和串聯(lián)電阻 Rs， 那么 ， 實際等效電路如圖示 。 二、等效電路、伏安特性及輸出特性 l． pn結(jié)太陽電池的等效電路 光電子技術研究所 2． 理想情況 在理想情況下 ， pn結(jié)太陽電池的 Rsh很大 ，Rs很小 ， 兩者影響都可忽略 。 根據(jù)圖所示理想等效電路 ， 三股電流應滿足如下關系： Iph— IF＋ I＝０ 其中理想 pn結(jié)二極管的正向注入電流為： 式中 I0是 pn結(jié)反向飽和電流 ， q是電子電荷 ， k是玻耳茲曼常數(shù) ， T為絕對溫度 。 將式代入得到通過負載的電流： ]1[e xp0 ???????? kTqVII FphphF IkTqVIIII ??????????? ]1[e xp0光電子技術研究所 這就是理想情況下負載電阻上電流與電壓的關系 ， 即太陽電池的伏安特性 。 其曲線如圖所示 。 從式及其伏安特性曲線上 ， 可以得出描