【文章內容簡介】 即可得到導帶中的電子濃度。由以上分析加推導可知導帶中的電子濃度為：（27）同理可知價帶中的空穴的濃度為：（28）4）本征半導體的載流子濃度本征半導體是指沒有雜質、沒有缺陷的近乎完美的單晶半導體。在其中電子和空穴是成對出現的，因此，在本征半導體中，電子濃度與空穴濃度是相等的。如果設本征半導體載流子濃度為ni，則（29）由式29可知，ni是溫度T的函數。如果忽略T3/2的影響，ni就近似隨溫度呈線性變化。5）pn結和空間電荷區(qū)將一塊p型硅和一塊n型硅通過一定的方法使其結合在一起就形成了太陽電池中最重要的結構：pn結。在n型硅中，電子很多而空穴很少。在p型硅中，空穴很多而電子很少。但是，在n型中的電離施主與少量空穴的正電荷嚴格平衡電子電荷。而p型中的電離受主與少量電子的負電荷平衡空穴電荷。因此，單獨的n型和p型半導體是電中性的。當在兩塊半導體結合成pn結時，由于它們之間存在載流子濃度梯度，導致了空穴從p區(qū)到n區(qū)、電子從n區(qū)到p區(qū)的擴散運動。對于p區(qū)空穴離開后，留下了不可動的帶負電荷的電離受主，這些電離受主，沒有正電荷與之保持電中性。因此，在pn結附近p區(qū)一側出現了一個負電區(qū)。同理，在pn結附近n區(qū)一側出現了由電離施主構成的一個正電荷區(qū)，通常就把pn結附近的這些電離施主和電離受主所帶電荷稱為空間電荷。它們所在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)，如圖23所示。圖23 pn結的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)中存在正、負電荷區(qū)，形成了一個從n型半導體指向p型半導體的電場，稱為內建電場。隨著載流子擴散的進行，空間電荷區(qū)部斷擴展增大，空間電荷量不斷增加。在內建電場的作用下，載流子受到與擴散方向相反的作用力，產生漂移。由于載流子的擴散和漂移，導致空間電荷區(qū)和內建電場的存在，引起該部位的電勢V和相關空穴勢能（eV）或電子勢能（eV）隨位置的改變，最終改變了pn結的能帶結構。6）電池的伏安特性[6]圖24 太陽能電池等效電路圖由圖24可知，其中有一個恒流源與pn結并聯，電流源I1是太陽光照射生成的過剩載流子產生的，I0為二極管的飽和電流，r為負載電阻，此時pn結太陽電池的IV特性為：（210）ID為太陽能電池在無光照時的飽和電流，A；q為電子電荷，C；K為波爾茲曼常數；T為熱力學常數，K；A為常數因子；由式210可以得到圖25所示太陽能電池的伏安特性曲線。圖25 常用太陽能電池伏安特性曲線由圖25可知在電壓為0時，電流最大，稱為短路電流（Isc），在電流為0時，電壓最大，稱為開路電壓（Voc），由式210可知：（211）7）填充因子指太陽能電池最大功率與開路電壓和短路電流乘積的比值用”FF”表示，是評價太陽能電池輸出特性好壞的一個重要參數，它的值越高，表明太陽能電池輸出特性越趨于矩形，電池的光電轉換效率越高。它與太陽能電池的的開路電壓、短路電流和負載電壓、負載電流有著密切的關系。影響填充因數的因素很多，串聯電阻、旁路電阻對填充因數有直接的影響。從本質上講，P—N結的電流—電壓關系決定了電池的填充因數。不計入串聯電阻及旁路電阻的影響，電池P—N結的電流與電壓關系是e指數關系。電池基區(qū)的摻雜濃度也會影響電池的填充因數。當摻雜濃度增加時，少子壽命就會衰減。除了串聯電阻、旁路電阻外，光照強度對填充因數也有影響。在條件相同的情況下，在一定光照強度范圍內，隨著光強的減小，填充因素相應增加。8）太陽電池的轉換效率太陽電池的轉換效率是指電池受光照時的最大輸出功率與照射到電池上的入射功率Pin的比值，用符號η表示。轉換效率是評定一個器件好壞的最重要的參數之一，但是現在轉換效率的測量還沒有一個固定的標準，第一是光源的問題，外層空間的太陽光譜不同于地面的光譜，而在地面晴天和陰天的光譜又有區(qū)別，有點人采取人工合成，但是還沒有模擬出良好的AM1和AM2光源。還有一個含混不清的地方就是接觸面積、光的表面反射、串聯電阻和旁路電阻的損失問題，未經校正的效率反應了電池的實際輸出功率，而校正過后的效率反應的是電池的固有效率。在太陽電池中，大的短路電流、開路電壓和填充因素可以獲得很高的效率。可見光譜和近紅外光譜范圍內，光譜響應寬闊而平坦，峰值光譜響應的量子效率接近1，因此光電流大。禁帶寬度直接影響效率。從理論上將，材料禁帶寬度越大，填充因素和開路電壓就越大；而禁帶寬度小的材料，可獲得大的光電流。推算結果表明。 本章小結本章主要介紹了aSi太陽能電池的基本結構和原理。其中結構包括減反射層、玻璃基片、TCO和金屬電極、p區(qū)、n區(qū)和i區(qū)等等。在這些結構中的前四項主要是起支撐吸光和導電等作用，而后面的三個結構的作用是產生光生載流子，因此后面三項是太陽能電池的核心結構。在原理的分析中詳細的分析了能帶、載流子、pn結等半導體材料中的一些基本概念和光譜響應、少子電流、jv曲線、填充因子、轉換效率等太陽電池的一些重要的參數。通過本章節(jié)的分析，更加清楚的了解了太陽能電池的基本結構和工作原理，為后面的章節(jié)打下了基礎。第3章 aSi太陽電池性能模擬研究通過上面對aSi太陽電池的結構和原理的分析，我們清楚了太陽能電池的工作原理，下面將通過一維微光電子結構分析工具AMPS1D對aSi太陽能電池的i層厚度和摻雜進行模擬研究。 軟件介紹AMPS1D有兩種半導體電子學描述模式對光電器件進行直流模擬[7]，分別是態(tài)密度(DOS)和載流子壽命(life time)模式。在本研究中使用的是DOS模式，aSi半導體的電子態(tài)分為導帶和價帶擴展態(tài)、導帶和價帶帶尾定域態(tài)以及隙間定域態(tài)。帶尾定域態(tài)主要由鍵角畸變引起，可用指數函數描述其密度。隙間定域態(tài)主要由懸掛鍵造成，其密度呈雙高斯函數分布，分別對應呈正相關能關系的類施主態(tài)和類受主態(tài)；也即類施主態(tài)在下，類受主態(tài)在上。對隙間定域態(tài)密度，AMPS還提供了一種平均分布的背景模式。對pin結構的薄膜太陽電池，若已知各層半導體材料的能帶結構、電子和空穴態(tài)濃度分布、電子親和能等信息，根據泊松方程、電子和空穴連續(xù)性方程，在適當的邊界條件下即可求解出器件特性。對于非晶硅來說，帶尾定域態(tài)相當重要，使用指數函數來模擬，用高斯分布來描述非晶硅的懸掛鍵。泊松方程把材料體系中的自由載流子數目，受陷電子和受陷空穴數目，離化雜質數目電場聯系起來。泊松方程表示為：（31）式31中，ψ為器件x點單位正電荷電勢，p(x)，n(x)分別為自由空穴和自由電子的濃度；ND（x）、NA（x）別為電離施主濃度和電離受主濃度；pt(x)，nt(x)分別為受陷空穴和受陷電子濃度。在穩(wěn)態(tài)條件下，若自由載流子的濃度不隨時間變化，則自由電子和自由空穴的連續(xù)性方程分別為：（32）（33）式33中，Jn為電子的電流密度，且有（34）式34中EFN為電子的準費米能級。JP為空穴的電流密度，且有（35）式35中EFP為空穴的準費米能級；GOP(x)為電子空穴對的光生效率，是位置x的函數。運用數值計算方法求解方程中的ψ(x)、p(x)、n(x)進而可以求出各特性參數。 模型結構31 典型非晶硅太陽電池結構典型的aSi:H太陽能電池結構如圖31所示[8]。圖中光從左邊的p進入，該層為p型的非晶SiC材料，中間緩沖層為本征非晶硅，襯底為n型非晶硅材料。pin各層材料的光電特性參數如表31[7]所示。，比非晶硅(aSi)，也就是說p/i界面的能帶不連續(xù)性(—)。模擬過程中涉及到的具體參數如表31所示。表31 太陽能電池AMPS1D模擬參數參數P層（aSiC）i層(aSi)n層(aSi)遷移率帶隙/eV 光學帶隙/eV電子親和能/eV44相對介電常數ε有效態(tài)密度NC/(cm3eV1）102010201020有效態(tài)密度NV/(cm3eV1)102010201020電子遷移率μn/(cm2v1s1）52010空穴遷移率μp/(cm2v1s1）21價帶尾態(tài)特征能量遷移率ED/eV導帶尾態(tài)特征能量遷移率EA/eV摻雜濃度/cm3NA=31019ND=11019Gdo/(cm3ev1）101910191019Gao/(cm3ev1）101910191019EDON/eVEACP/eV隙間定域態(tài)分布/cm3310185101631018 摻雜模擬及結果由于aSi:H太陽能電池的所有光生載流子都是在本征層中產生的，因此本征層的雜質濃度對太陽能電池的性能有強烈的影響，下