太阳能电池研究报告概论.docx
《太阳能电池研究报告概论.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能电池研究报告概论.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
太阳能电池研究报告概论
摘要.....................................................2
关键词...................................................2
引言.....................................................2
太阳能电池的简介.........................................2
PN结....................................................4
（1）pn结及其能带图.............................................4
（2）PN结的电场与电势..........................................6
（3）PN结的耗尽层的计算.........................................7
（4）PN结中的电流...............................................7
（5）光照下的PN结..............................................9
太阳能电池的等效电路....................................11
太阳能电池的效率的分析..................................11
提高太阳能电池效率的方法................................12
太阳能电池的材料........................................13
（一）硅基太阳能电池............................................13
（二）、多元化合物薄膜太阳能电池.................................14
（三）、第三代太阳能电池.........................................14
结语....................................................15
参考文献................................................15
摘要
太阳能利用的关健是太阳能的捕获与转换,大阳能转换形式有多种,但最基本的是通过光敏材料将大阳能转化为电能和化学能。
本文主要介绍太阳能电池的原理，从太阳能电池的关键结构PN结进行介绍，主要针对PN结的能带结构以及其伏安特性和PN结中载流子的情况。
最后讨论太阳能电池的转换效率的影响因素以及太阳能电池的材料介绍。
关键词
太阳能电池、能带、PN结、载流子、效率、材料
引言
随着传统能源的枯竭以及人们对于环保的要求我们越来越重视开发新能源和利用可再生能源。
太阳能作为一种清洁的能源对其的利用是当今的一大热题，我国作为太阳能电池的生产大国所以我们对于太阳能电池的研究是很有必要的，通过对太阳能电池的研究我们可以了解其工作的深成原理，有助于我们开发新的材料以及提高太阳能电池的转换效率，是我们从生产太阳能电池的大国变为技术大国，就可以避免其他国家的经济制裁。
太阳能电池是一种大面积的不加偏压pn结器件，这些器件以高效率把太阳电磁辐射的能量直接转换为电能，可以长期为人们提供动力，最常见的就是人造卫星以及其他太空飞行器中使用，近年来在道路照明以及偏远地区的用电方面也得到了广泛的应用。
本文介绍太阳能电池的原理以及太阳能电池的效率的影响。
一、太阳能电池简介
太阳电池工作时必须具备下述条件：
首先，必须有光的照射，可以是单色光、太阳光或模拟太阳光等；其次，光了注入到半导体内后，激发出电子—空穴对，这些电子和字穴应该有足够长的寿命，在分离之前不会复合消失；第三，必须有一个静电场，电子—空穴在静电场的作用下分离，电子集中在一边．空穴集中征另一边；第四．被分离的电子和空穴由电极收集，输出到太阳电池外，形成电流。
太阳能电池最常见的就是单晶硅太阳能电池，如下图1就是其典型结构，其核心部分是一个n区很薄的pn结，衬底用p型材料，因为p型硅中的少数载流（电子）子的扩散长度比n型硅中的扩散长度长。
在表面涂抗反射涂层作用为减少太阳光的反射，使入射光投射到硅中的比例大大提高（达到80%~~90%），常用的材料有Si3N4、TiO2、Ta2O5等涂层厚度约为光在其中的四分之一波长正电极用指状条形欧姆接触。
由于金属反射光，所以表面电极占据的面积越大，太阳能电池的效率低，但是但面积小时因为电流流动的电阻大，效率也会下降，所以应当把电极宽度和电极间距设计成最佳值。
太阳能电磁辐射覆盖由紫外光到红外光（0.2~~3μm）的波长范围，太阳光的能量是以光子来辐射的，只有光子能量hv大于半导体能隙Eg（或者波长λ小于半导体光吸收的波长）的光才能被半导体吸收。
hvEg的光只能取出能量与Eg相当的部分，而hv—Eg的能量通过放出声子进而与晶格碰撞转换成热能损失掉了。
因而GaAs等能隙较大的半导体比硅更具有优势，能够吸收更多的能量。
综合来看有一个最佳的Eg使得能量的转换的效率最高。
据分析表明Eg的最佳值为1.4eV，这个值与GaAs的带隙接近，GaAs已经实现转换效率高于25%的太阳能电池，而目前最好的硅电池的性能也已经接近这个水平。
Ⅲ—Ⅴ族化合物及其合金可以提供许多禁带宽度不同但晶格常数十分接近的材料，非常适合制作串联结构的太阳能电池，例如AlAs/GaAs、GaInP/GaAs、InP/GaInAs类的叠成电池已经广泛应用于空间飞行器供电，这些电池的效率较高而且抗宇宙辐射损伤的能力强，但是成本较高，二者相互补偿。
硅是太阳能电池中最重要的半导体材料，它无毒而且是地壳中含量仅次于氧的元素，即使大量的使用也不会造成环境污染或是资源衰竭的危险；而且硅广泛应用于微电子工业，已经有了完备的技术基础。
制作硅太阳能电池的硅片的电阻率、厚度、制作PN结的掺杂浓度、温度和时间等对光谱响应有很大的影响，也对太阳电他的转换效率行很大影响。
大约入射光能量的40％可有效地用于产生在晶格中运动的自由电子和空穴。
如图1所示描绘了器件的物理结构以及在能量转换过程中起支配作用的电子传输过程。
电池主体内一层厚的P型基区构成，这里吸收了绝大部分的入射光并产生绝大部分的功率。
吸收光后，产生的载流子则由电池正反面的金属电极收集，当外电路形成回路时，光生电于朝着太阳电池正表面的栅线运功，空穴朝着背电极运动。
如果电子在运动到栅线之前没有被缺陷或者杂质复合，就被栅线收集，形成电流流到外电路，驱动电器。
电子从太阳电他的背面进入，和空穴复合，在光照射的情形下，此过程在太阳电池中不断重复。
PN结
（1）pn结及其能带图
Pn结是在一块半导体单晶片中用掺杂的办法做成两个导电类型不同的部分，一般pn结的两侧是用同一种材料做成（如Ge、Si、GaAs等），称为同质节。
如果把两种不同的材料做成一块单晶称为异质结，结的两侧导电类型由掺杂来控制。
异质结最重要的是晶格常数的匹配，否则会出现缺陷，而且异质结会出现界面态。
两种材料禁带宽度的不同以及其他特性不同的使异质结具有一些列同质结所没有的特性，所以在器件的设计上将得到同质结不能实现的功能。
因为组成异质结的两种材料的晶格常数不同，当它们生成同一种单晶时，晶格的周期性在界面处发生畸变，形成位错与缺陷。
这些位错与缺陷将成为少数载流子的复合中心。
PN结的制作方法主要有合金法、扩散法、离子注入法和薄膜生长法，其中最常用的方法就是扩散法。
通过杂质的扩散，在基质材料上形成一层与基质材料导电类型相反的材料层；就构成了一个PN结。
单独存在的N型半导体和P型半导体是电中性的。
起初两边载流子浓度是不同的，P区多子为空穴，N区多子为电子，存在浓度梯度，N区的多子电子向P区扩散，P区的多子空穴向N区扩散，其结果是在N区留下了不可移动的带正电的电离施主，在P区留下了不可移动的带负电的电离受主，形成一个电荷存在的区域，称为空间电荷区。
而这些电离施主和电离受主所带的电荷称为空间电荷。
空间电荷区中的空间电荷产生了从正电荷到负电荷，即从N区指向P区的电场，称为内建电场，如图2所示。
在内建电场的作用下，载流子做漂移运动。
显然，载流子扩散的趋势和漂移的趋势是相反的。
随着扩散的进行，空间电荷数量会增多，空间电荷区扩展，内建电场增大，载流子漂移趋势增强。
若半导体没有受到外界作用，载流子扩散的趋势和漂移的趋势最终会相互抵消，空间电荷的数量一定，空间电荷区保持一定的宽度，其中存在一定的内建电场。
一般称这种情况为热平衡状态下的PN结。
正因为空间电荷区内不存在任何可以移动的电荷，所以该区又称为耗尽区。
而空间电荷区两端由于不带电荷而称为中性区。
当N型半导体和P型半导体材料组成P—N结时，由于空间电荷区导致的电场，在N结处能带发生扭曲，此时导带底能级、价带顶能级、本征费米能级和缺陷能级都发在了弯曲。
动态平衡时，N型半导体和P型半导体的费米能级是相同的。
因此，在平衡P—N结的空间电荷区两端的电势差UD就等于原来N型半导体和P型半导体的费米能级之差。
由以上可知，P—N结的N型半导体和P型半导体的掺杂浓度越高，两者的费米能级相差越大，禁带越宽，P—N结的接触电势差UD就越大。
在PN结的空间电荷区中能带发生弯曲（PN结形成前后的能带结构示意图如图3所示（同质结）、图4（异质结））
（出现尖峰是由于能带在界面处不连续引起的，尖峰的出现阻碍电子向宽带一侧运动。
尖峰出现的位置由两侧材料相对掺杂浓度决定，随着宽禁带一侧掺杂浓度的增加，尖峰的位置将从由势垒顶部向根部移动，呈下降趋势）
这是空间电荷区中电势能变化的结果。
因能带弯曲，电子从势能低助N区向势能高的P区运动时，必须克服这一势能“高坡”，才能到达P区；同理，空穴也必须克服这一势能“高坡”，才能从P区到达力区。
这一势能“高坡”通常称为PN结的势垒，故空间电荷区也称势垒区。
平衡PN结的空间电荷区两端的电势差UD，称为PN结的接触电势差或内建电势差。
相应的电子电势能之差即能带的弯曲量qUD，称为PN结的势垒高度。
对于同质结势垒高度正好补偿了N区和P区费米能级之差，使平衡PN结的费米能级处处相等，因此
通过以上式子表明同质结UD与PN结两侧的掺杂浓度、温度以及材料本身有关
对于异质结时总电势差VD是由两种材料的费米能级决定的
VD=Φ1–Φ2=VD1+VD2（Φ为费米能级到真空的距离）
通过计算最后可以得出qNA（X0-X1）=qND（X2-X0）其物理意义为界面两侧耗尽区中电荷数相等，即电中性条件，于是可以得到
与同质结相似，耗尽区宽度与掺杂的浓度呈反比，耗尽区主要落在杂质少的一侧。
（2）PN结的电场与电势
上图为PN结中电荷密度的分布情况，由泊松方程对电场进行积分可得：
令X=-Xp处E=0可以得到C1=-Xp可以得到P区的电场为
同理可得
如图6所示，同理可以得到异质结的电场如图7所示
对电场积分可以得到P区的电势分布
令X=Xp处UX=0可以得到电势（同质结）的表达式为
可以求出电势差为
同理得出异质结电势为
（3）PN结的耗尽层的计算
（同质结）在X＝0处电场面数是连续的，将X＝0代入电场公式中并令它们相等，可以得NAXP=NDXn。
然后根据电势差公式，求得N型和P型区内空间电荷区的宽度分别为
总空间电荷区宽度为
当为异质节时，因为PN结两侧的材料不同，所以介电系数不同，只需将二者的介电系数加上即可其表达式为
当有在外加电压时，势垒将降低，只需要用UD减去外加电压变为（UD—Va）即可。
因此掺杂浓度降低时耗尽区宽度增加，这意味着具有宽的耗尽区，从而有利于载流子的收集，又有高掺杂水平，从而有利于电池电压的提高，这样的PN结是不可能的。
设计的
需要在各种影响因素之间相互妥协。
（4）PN结中的电流
在PN结中，多数载流子向少数载流子一侧扩散，少数载流子向多数载流子一侧漂移从而实现载流子的定向移动，形成扩散电流。
电子在由N区向P区扩散的过程中“遇到”势垒的阻挡而滞留在了N区，同样空穴在出P区向N区扩散的过程中“遇到”势垒的阻挡而滞留在了P区。
势垒维持了热平衡。
当给PN结加电压时，PN结的势垒高度会发生变化。
当加正向电压时（P区为正、N区为负），正向偏压在势垒区中产生的电场与内建电场方向相反，因而减弱了势垒区中的电场强度，势垒区的宽度减小，势垒高度由qUD降低为q（UD—U）。
降低了的势垒高度意味着对电子和空穴的阻挡作用减弱了，引起电子经空间电荷区继续向P区扩散，同样空穴经空间电荷区继续向N区扩散。
电荷的流动在PN结内形成了电流。
反向偏压在势垒区中产生的电场与内建电场方向一致，势垒区中的电场增强，势垒区变宽，势垒高度增加到q（UD+U）。
增加了的势垒高度意味着对电子和空八的阻挡作用增强，阻止电子与空穴的运动，因此，PN结内基本上没有电荷的流动，也就是基本上没有电流。
加正向电压前,P区的电子与空穴浓度为：
np0=niexp（EF—Ei）/KTpp0=niexp（Ei—EF）/KTnp0pp0=ni2
有外加电压时：
np1=niexp（EFN—Ei）pp1=niexp（Ei—EFP）np1pp1=ni2（EFN—EFP）
EFN、EFP分别为电子与空穴的等效费米能级EFN—EFP=Va（即外加正向电压）
所以P区边界上的电子浓度为：
np1=（ni2/p1）exp（qVa/KT）=niexp（qVa/KT）
因为P区的多子是空穴，在小信号的情况下p0p1近似相等。
同理可以得到N区的空穴浓度为：
pn1=pn0exp（qVa/KT）利用稳态连续方程求解可得：
JP=qDPPn0（exp（qVa/KT）—1）/Lp（L=√Dτ）
Jn=-qDnnp0（exp（qVa/KT）—1）/Ln
二者的方向是相反的所以总电流为二者相加J=JP+Jn即PN结的伏安特性，在总电流中电子电流与空穴电流之比称为注入比
（5）光照下的PN结
当P—N结受到光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。
但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。
因为P区产生的光生空穴，以及N区产生的光生电子都属于多子，都被势垒阻挡而不能过结。
只有P区的光生电子、N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。
光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子—空穴对被内建电场分离。
这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。
它们产生一个与热平衡P—N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。
此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。
于是有结电流内P区流向N区，其方向与光电流相反。
光激发半导体形成电子—空穴对示意图如图10所示。
实际上并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。
设N区中空穴在寿命τp（空穴产生到复合的时间、复合可分为直接复合与间接复合）的时间内扩散距离为LP（在寿命时间内扩散的距离），P区中电子在寿命τn的时间内扩散距离为Ln。
Ln+Lp＝L远大于P—N结本身的宽度，所以，可以认为在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光生电流有贡献。
而产生的位置与结区的距离超过L的电子—空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对P—N结光电效应无贡献。
半导体的光吸收。
半导体对光的吸收主要由半导体材料的禁带宽度所决定。
对一定禁带宽度的半导体，频率小的低能量光子，半导体对它的吸光程度小，大部分光都能穿透；随着频率变高，半导体吸收光的能力急剧增强。
实际上，半导体的光吸收由各种因素决定，这里仅考虑在太阳电池上用到的电子能带间的跃迁。
一般禁带宽度越宽，对某个波长的吸收系数就越小。
除此以外，光的吸收还依赖于导带、价带的态密度。
详细划分为两种情况：
光为价带电子提供能量，直接使它跃迁到导带，在跃迁过程中，能量和动量守恒，对没有声子参与的情况，即不伴随有动量变化的跃迁称为直接跃迁；反之，伴随声子的跃迁称为间接跃迁。
所以，制造太阳电池时，用直接跃迁型材料（价带顶与导带底在同一个波矢K值），即使厚度很薄，也能充分地吸收太阳光，而用间接跃迁型材料，没有一定的厚度，就不能保证光的充分吸收。
但是，作为太阳电池必要的厚度，并不是仅仅由吸收系数来决定的，它与少数载流子的寿命也有关系，当半导体掺杂时，吸收系数将向高能量一侧发生偏移。
与热平衡时比较．有光照时，P—N结内将产生一个附加电流（光电流）Ip，其方向与P—N结反向饱和电流I0相同，且Ip≧I0
光照下的P—N结外电路开路时P端对N端的电压，即上式电流方程中I=0时的U为开路电压，用符号U0C表示。
（令Ip=SE）
光照下的P—N结，外电路短路时，从P端流出，经过外电路，从N端流入的电流称
为短路电流，用符号ISC表示，即上述电流方程中U=0时的I值，因此可得ISC=SE。
在一定温度下，U0C与光照度成对数关系，但最大值不超过接触电势差UD。
弱光照下，ISC与光照度有线性关系。
①无光照时的热平衡态，半导体有统一的费米能级，势垒高度为qUD＝EFN—EFP。
②稳定光照下P—N结外电路开路时，由于光生载流子积累而出现生电压，U0C不再有统一的费米能级，势垒高度为q（UD—U0C）②稳定光照下P—N结外电路短路时，P—N结两端无光生电压，势垒高度为qUD，光生电子—空穴对被内建电场分离后流人外电路形成短路电流。
④有光照有负裁时，一部分光电流在负载上建立起电压Uf．另一部分光电流被P—N结因正向偏压引起的正向电流抵消，势垒高度为q（UD—Uf）。
当光照射太阳电池时，将产生一个由N区到P区的光生电流Iph。
同时，由于P—N结二极管的特性，存在正向二极管电流ID，此电流方向从P区到N区，与光生电流相反。
因此，实际获得的电流I为
式中UD为结电压；I0为二极管的反向饱和电流；Iph为与入射光强度成正比的光生电流，其比例系数是由太阳电他的结构和材料的特性决定的；n称为理想系数（n值），是表示P—N结特性的参数，通常在1~~2之间。
当没有负载时且无损耗的情况下，外电路获得的最大电流即短路电流ISC等于光生电流Iph。
当为开路时，获得最大电压即PN结链段的最大电压为：
。
当有附加电阻时，其输出功率P=UI，U、I分别为负载的电压与流过负载的电流，其伏安特性曲线如图11所示：
当U、I的乘积最大时，此时输出的功率最大。
太阳电他的光电转换效率，是指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳电他的输出功率与入射到太阳电池表面上的能量之比。
光电池将光能直接转换为有用电能的转换效率是判别电池质量的重要参数，用η表示，即电他的最大输出功率与入射光功率之比：
FF称为填充因子，为最大功率与短路电流与开路电压的乘积的比值：
太阳能电池的等效电路
太阳电池可用P—N结二极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻RS和相当于P—N结泄漏电流的并联电阻Rh组成的电路来表示，如图12所示，该电路为太阳电池的等效电路，由等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压酌关系为
为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻RS及，增大并联电阻RSh。
太阳能电池的效率的分析
高效的太阳电池要求有高的短路电流、开路电压和填充因子，这三个参数与电池材料
几何结构和制备工艺密切相关。
（1）禁带宽度的影响：
大于禁带宽度的能量被半导体本征吸收，产生电子—空穴对，形成光生电流Iph。
禁带宽度变小时，有更多的能量能被半导体本征吸收，产生更多的电子—空穴对，因而光生电流Iph和短路电流ISC增加。
禁带宽度的减小还会引起本征载流子浓度指数地增加：
本征载流子浓度的增加又会引起反向饱和电流的增加,反向饱和电流的增加会降低UOC。
所以禁带宽度的降低一方面能增加光生电流，另一方面又降低开路电压，所以存在一个最佳的半导体禁带宽度，使得效率最大化。
电池转换效率随禁带宽度的变化如图13所示。
经过计算，最佳禁带宽度为1.4eV。
（2）温度的影响：
因为温度升高，本征载流子浓度增加，提高了暗饱和电流，导致开路电压的下降。
暗饱和电流还包含其他受温度影响的参数（扩散系数D、寿命τ、表面复合速率S），但温度与本征载流于浓度的依赖关系占主导。
本征载流子浓度
且随着温度上升，半导体的禁带宽度也会发生变化
随着温度的上升，半导体的禁带宽度变小。
随着温度的上升，半导体的禁带宽度变小。
禁带宽度降低，短路电流ISC，但向时又会降低开路电压UOC。
上式表明随着温度的升高，UOC近似线性下降，太阳电池效率降低。
代人硅太阳电池的有
关参数，得到dUOC／dT＝一2．3mv／℃。
实验表明温度每升高1℃．硅太阳电他的开路电压将下降0.4％。
（3）少数载流子的寿命与扩散长度：
短的寿命意味着少数载流子在基区中的扩散长度远小于基区的厚度，输运过程中基本上被复合了，扩散不到背面电极，收集不到光生载流子。
少数载流子寿命增加，扩散长度Ln增大，暗饱和电流减小，有利于提高UOC。
同时ISC、FF都相应增加。
扩散长度远大于基区长度时，载流子基本上都能扩散到背面电极，ISC趋于饱和。
（4）寄生电阻：
实际的太阳能电池存在着串联电阻RS和并联（旁路）电阻Rf。
串联电阻主要来源于半导体材料的体电阻、正面电极金属栅线与半导体的接触电阻、栅线之间横向电流对应的电阻和背面电极与半导体的接触电阻（MS）等。
并联电阻是PN结漏电流引起，包括绕过电池边缘的漏电流及由于结区存在晶体缺陷和外来杂质的沉淀物所引起的内部漏电。
实际的太阳能电他还必须考虑与耗尽区复合相关的二极管。
（5）此外还有光谱、表面反射、晶格缺陷以及复合中心与负载不匹配等的影响。
提高太阳能电池效率的方法：
（1）激光刻槽埋藏栅线技术。
用激光刻槽的方法可在表面制作倒全字塔结构，在500—900nm光谱范围内，反射率为4％~~6％，与表面制作双1层减反射膜相当。
用激光制作绒面比在光滑面镀双层减反射膜层（ZnS／MgF2）电池的短路电流高4％左右，这主要是长波光（波长大于800nm）斜射进入电池的原因。
激光制作绒面存在的问题是，在刻蚀中表面造成损伤同时引入一些杂质，要通过化学处理去除表面损伤层。
（2）埋层电极、表面钝化等。
通过这些技术减少光生载流子的复合损失，提高载流子的收集效率，可以提高大阳电他的效率。
因存在较高的晶界、点缺陷，对材料表面和体内
缺陷的钝化非常重要，钝化有多种方法，通过热氧化使硅悬挂键饱和是一种比较常用的方
法，可使界面的复合速度大大下降，其钝化效果取决于发射区的表面浓度，界面态密度和
电子、空穴的浮获截面。
（3）单双层减反射膜。
用优化凹凸表面方式减少光的反射及透射损失，以提高太阳电池的效率。
还有反应离子腐蚀方法是一种无掩膜腐蚀工艺，所形成的绒面反射率特别低，在450—1000um光谱范围内的反射率可小于2％。
但存在的问题是硅表面损伤严重。
（4）背表面场的形成。
制造背P—N结通常采用丝网印刷浆料在网带炉中热退火的方法，该工艺在形成背表面结的同时，对多晶硅中的杂质具有良好的吸除作用，铝吸杂过一般在高温区段完成，测量结果表明，吸杂作用可使高温过程所造成的多晶硅少子的寿命下降得到恢复。
良好的背表面场可明显地提高电他的开
升级会员 