第二章 太阳能电池特性.docx

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第二章太阳能电池特性

内部培训资料

第二章太阳能电池工作原理

2.1半导体内的光电效应

当光照射到半导体上时，光子将能量提供给价带上的电子，电子跃迁到更高的能态——导带上，从而产生载流子：

电子－空穴对。

当光照射到PN结上时，在半导体内部PN结附近生成的载流子若没有被复合而到达耗尽区（空间电荷区），受内建电场的吸引，电子流入N区，空穴流入P区，结果N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴。

它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。

光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区与P区之间就产生电动势，这就是光生伏特效应。

此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光生电流流过，这个电流称作短路电流Isc，另一方面，若将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差，这个值可以被测得，称为开路电压Voc。

2.2太阳能电池的电路特性

当电压在0到Voc之间变化时，对应电压下的太阳能电池电流也随之变化，将其对应关系画在电流－电压图中，就得到了太阳能电池的电路特性曲线（或I-V曲线）。

太阳能电池的IV曲线是在二极管暗IV曲线的基础上加上光生电流，即将二极管暗IV曲线向下平移了一个等于光生电流IL大小的长度。

太阳能电池的IV曲线可用以下的方程来表示：

因为太阳能电池为有源器件，对外发出功率，所以选择非关联参考方向，即设流出太阳能电池的电流为正电流，而流入的电流为负，则IV曲线的方程可写为：

I0：

暗饱和电流

IL：

光生电流

n:

理想因子，理想太阳能电池中为1，在1－2之间

q=1.6x10-19C

k=1.38x10-23J/K

T：

绝对温度，摄氏温度+273K

练习：

1.开路电压Voc与短路电流Isc各对应于理想IV曲线中的哪一点？

在理想IV曲线中IL与Isc有什么关系？

2.已知一个太阳能电池的参数如下：

I0=2x10-8A，nkT/q=0.03V,IL=6A，求这个太阳能电池的开路电压Voc与短路电流Isc。

3.在室温下，测得一个太阳能电池的开路电压为Voc=0.65V，短路电流为Isc=5.5A，设n=1，则当其输出电压为5V时，其实输出电流为多少？

2.3光生电流

我们首先来看太阳能电池内部的能量转化过程。

当有能量大于禁带宽度的光子照到太阳能电池上，空穴－电子对被激发产生。

被激发到导带的自由电子，有的向表面或PN结扩散，有的在半导体内部或表面被复合消失了。

但有一部分到达结的载流子，受结处的内建电场加速而越过PN结流入N型区，若太阳能电池此时有外电路联通时，为满足N型区的电中性，多出来的电子（与越过PN结的电子个数相等）从连接N型的电极流出，经外电路后到达P型表面的电极处，与空穴复合，这一过程就形成了光生电流IL。

光生电流的大小与电池面积、入射光强（单位面积内入射光子的个数）、入射光谱、光的吸收、电子被收集等情况有关。

一个能量大于禁带宽度的光子被吸收只能激发一个电子，但并非所有能量大于禁带宽度的光子都能被吸收，有些可能在表面被反射，有些可能在被吸收之前透过或反射出太阳能电池。

入射的光子数量越多且被吸收的光子越多，可产生的自由电子就越多。

但也并非所有产生的自由电子都能贡献于光生电流，只有流出到外电路中的电子才形成光生电流，流出到外电路的电子数量等于越过PN结的电子或空穴总数，若电子－空穴对在越过PN结前就被复合，就不能贡献于光生电流。

G=αnphe-αx

ne:

流到外电路的总的电子个数；

nph：

能量大于禁带的光子个数；

R：

反射率；

G：

产生率，即入射到太阳能电池中的光子被吸收的机率；

fc：

收集几率，即产生的电子－空穴对在被复合前越过PN结的几率。

练习：

1.一束光强为0.05W/cm2的单色光，波长为1000nm，照射在表面为10cmx10cm的太阳能电池上，假设，电池的反射率为20%，入射的光子中有90%可以被吸收产生电子，产生的电子只又有80%被收集，计算其光生电流。

2.一束光强为0.05W/cm2的波长为400nm的单色光，照射在与第1题中相同的太阳能电池上，其他假设均与第1题相同，计算其光生电流。

3.若波长为1200nm的单色光照在电池上，光生电流会是多大？

4.比较第1题与第2题的结果，为什么同样的光强下，光生电流不同？

哪种吸收更有效？

在以上的计算中，反射率R、产生率G与收集几率均为固定值，在太阳能电池中，他们与什么因素相关呢？

2.4反射率与产生率

未经过处理的硅太阳能电池表面反射率可高达30%，因此在制造工艺中采取表面制绒与镀减反膜的方法来大幅减小反射率，制绒与减反膜将在第三章中讨论。

产生率G，即光子被吸收并产生一个电子空穴对的几率，它是一个与入射光波长和入射深度有关的值，其大小取决于吸收系数α，吸收系数与材料和入射光波长有关，下图是硅材料对应于不同波长的吸收系数。

产生率

G=αN0e-αx

N0为太阳能电池表面的光子个数，即前面式中的nph；

x为从太阳能电池上表面开始的深度；

α为吸收率，硅对不同波长光的吸收率，可从上图中查到。

下图为光在硅材料中不同深度的产生率。

练习：

1.从上图中查到，硅太阳能电池对于400nm波长的光吸收系数约为10um-1，设有一束400nm波长的单色光照射，每秒到达电池面的光子个数为1x1022个，分别求在0.1um、5um深度电子产生率；从表面到0.1um及5um深度总的电子产生率？

其占入射的总光子个数的百分之几？

2.对于800nm波长的光，设入射光子个数也为1x1022个/秒，重复以上计算。

查得800nm波长光的吸收系数约为0.1um。

3.蓝紫光（短波长光）和红外光（长波长的光）主要都在哪些深度被吸收而产生自由电子？

2.5收集几率

收集几率描述的是某一区域的光生载流子被PN结收集的几率。

如下图所示，

a与b之间的区域为耗尽区（空间电荷区），当光生载流子产生在耗尽区内时，少数载流子在内建电场的作用下越过PN结而不会被复合，所以在耗尽区域内的收集几率为100%。

在耗尽区以外，少数截流子不受到电场作用，做随机的扩散运动，所以收集几率与少子的扩散长度相关，距耗尽区近的区域少子有更大的几率扩散到耗尽区内，而远离耗尽区的地方大多少的少子在随机扩散到耗尽区之前就被复合掉了，只有极少数的载流子有可能随机扩散到耗尽区才在内建电势的作用下越过PN结。

在耗尽区外的少数截流子的收集几率可以用公式表示为：

，或

其中x与x’分别表示两侧距耗尽区的距离；

Lp与Ln分别表示N型与P型中少子的扩散长度。

，

少子寿命越长扩散长度就越大，从而收集几率越大。

而少子寿命（或扩散长度）的大小取决于复合速率的高低。

上下表面是太阳能电池高复合区域，所以好的表面钝化可使少子寿命大大提高，少子扩散长度增加，而提高收集几率。

从前一节的练习中知道，短波长的蓝紫光主要集中上表面被吸收，所以表面钝化对提高蓝紫光产生的载流子的收集效果非常明显；而长波长的红外光在各个深度上被吸收的几率几乎相同，所以提高背面钝化（或加背场）对红外光产生载流子的收集效果更加明显。

把某一波长光的吸收率与其生成的载流子被收集几率画在同一画内：

可见，对于任意波长的光来说（这里主要考虑阳光中光强最强的中波长光），其吸收率都是在上表面最大，随着深入材料而衰减；但光吸收后产生的载流子的收集几率是在耗尽区最大，随着远离耗尽区而衰减。

所以，为了要得到更大的光生电流，耗尽区应更靠近太阳能电池的上表面，也就是尽量浅的PN结。

练习：

1.一束600nm波长的单色光，每秒钟有1x1020个光子照到太阳能电池表面，已知太阳能电池厚度为180um，PN结位于距上表面1um处，忽略耗尽区的宽度，即a=b=1um，少子扩散长度为Lp=1um，Ln＝20um，求被收集的电子个数n，与光生电流IL。

2.在上题中，若PN结的位置移到距上表面0.5um处，其他条件不变，则被收集的电子个数与光生电流大小各是多少？

3.在上两题中，被收集的电子个数与入射光子的个数之比（n/nph）有什么不同，说明什么？

2.6量子效率

量子效率（QE）指太阳能电池收集到的载流子数量与给定能量（波长）的入射光子数的比值。

如果指定波长的光子全部被吸收，而且产生的载流子全部被收集，则QE＝1；光子能量小于禁带宽度的光子（波长大于1100nm），无法被吸收生成载流子，所以其QE＝0。

外量子效率（EQE）包括了光损失，如透射和反射；

内量子效率（IQE）是指去除了透射和反射后所剩下的光子产生的并被收集的载流子的数量与其比值。

将每一波长下的量子效率对应地画在图上得到QE曲线

通过公式可以看出，IQE与EQE之间的差别反应了不同波长下的反射率，通过制绒和减反膜等方法减小反射率。

IQE在不同波长下的大小反应了不同波长光产生的载流子被收集的情况。

之前已经分析过，短波长的光主要在上表面附近被收集而长波长的光在各个深度被收集的几率几乎相同，而收集几率又是由少子扩散长度（或少子寿命）决定的，所以IQE曲线的不同形状可以反应出太阳能电池不同深度的少子寿命，也即反应出了不同位置的钝化情况。

练习：

1.上一节第1题中，600nm波长对应的IQE大小为多少？

若扩散长度为Lp提高到5um，其IQE可以提升至多少？

2.分析以下三个图中的QE曲线，讨论产生的原因和解决办法。

（a）（b）

（c）

2.7开路电压

在太阳能电池开路时，对外输出电流为I=0，电压V=Voc，此时的输出特性方程变为：

＝0

改变其形式得到：

从上式可以看出，在温度和光生电流都不变的情况下，太阳能电池的开路电压取决于理想因子n与暗饱和电流I0的大小，这个参数描述的是半导体材料内部的固有特性，不受外加电压、光强等因素影响（但会随温度改变）。

对于一个面积为A的太阳能电池，我们只关心它在单位面积上暗饱和电流或光生电流的大小，这就引入了电流密度的概念，即单位面积上的电流大小。

从上式可以看出，在相同的光生电流下，J0越小，得到的Voc越大，所以在制造太阳能电池的过程中希望J0被控制得尽量小。

可以看出，J0的大小也取决于扩散长度Lp和Ln的大小，扩散长度越大，J0越小，而开路电压Voc就越大，可以看出，提高少子的扩散长度（钝化，提高少子寿命）对提高开路电压和短路电流都有重要的意义。

理想因子n是用来表征太阳能电池内部不同复合机制所引起的反向饱和电池的影响，它的值在1－2之间，理想条件下取1，这里不做深入讨论。

2.8IV曲线与电路参数

已知理想太阳能电池的特性曲线，可以知道其在任意电压时的输出电流值，这样就可以得到它在任意工作点（电压－电流）下的输出功率。

功率P=IV，对应于每一个电流－电压可以画出功率－电压曲线（P-V曲线），从图中可以找到P-V曲线的最高点，即最大功率点Pmpp，这一点对应的电压Vmpp与电流Impp从而也可以求出。

填充因子FF定义为电池最大功率与Voc和Isc乘积之比，即

在下图中区域A的面积即为Pmax，而区域B（B包含着A）的面积为Isc*Voc。

FF可以用来度量IV曲线的“方形程度”，也就是从IV曲线上取得的最大矩形的面积。

我公司电池的填充因子最大可达到约80%，电阻对填充因子有很明显的影响，我们在后面的章节中讨论。

太阳能电池的转化效率被定义为电池的输出电能与入射光能的值

在以上各项参数的实际测量时，都在保持在标准测试条件下（STC），标准测试条件为：

温度25°C（室温），光谱AM1.5，光强1000W/m2（或0.1W/cm2）。

练习：

1.一块面积为150cm2的太阳能电池在，在标准测试条件下，测得其开路电压为0.6V，短路电流为5A，填充因子为80%，求其转化效率。

2.有一900nm的单色光，光强为0.1W/cm2，照射在一块面积为150cm2的太阳能电池上，测得其900nm的EQE为96%，，已经知电池的理想因子n=1.1，暗饱和电流I0=2x10-9A，求电池效率。

（温度27°C）。

2.6量子效率

补充练习：

1.一束600nm的单色光，每秒中有10000个光子照在太阳能电池上，电池运行在短路状态，测得每秒有9500个电子流过经电路，电池有600nm的的EQE是多少？

若已知电池表面对600nm的反射率为2%，求IQE。

2.8IV曲线与参数

补充练习

1.﷒﷒在STC下，一块电池的开路电压为0.6V，短路电流8A，理想因子为78%，求其转化效率。

2.9电阻的影响

电阻R，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻，

，单位：

欧姆Ω。

电阻串联：

；

电阻并联：

；

电阻率：

是用来表示各种物质电阻特性的物理量。

某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。

方块电阻：

串联电阻对IV曲线的影响：

串联电阻的变化不对开路电压Voc产生影响，只有串联电阻大到一定程度时才使短路电流减小。

串联电阻对填充因子的影响非常明显，当串联电阻增大时，填充因子下降，电池的最大输出功率随之下降，从而减小电池的转化效率。

因此，我们希望尽可能小的串联电阻。

IV曲线随串联电阻的变化趋势如下图：

太阳能电池中的串联电阻的产生因素：

1.﷒﷒体电阻：

，A是电池的面积。

2.发射极薄层电阻：

。

四探针法测方块电阻。

磷浓度越高，方块电阻越小。

3.接触电阻，磷浓度越高，接触电阻越小。

4.电极电阻：

，选用电阻率小的材料（银），减小栅线长度，增大栅线截面积：

栅线越宽、越高，电阻越小。

并联电阻的影响：

并联电阻的变化对短路电流不产生影响，当并联电阻足够小的时候会使开路电压减小。

并联电阻的减小会减小电池的填充因子，因而使电池的最大输出功率（效率）下降。

并联电阻对IV曲线的影响如下图：

无穷大的并联电阻是我们希望得到的，但在电池的制造过程中，磷会扩散到电池的边缘，使得是池边缘出现电路的通路，使得电流不经由路电路而经由电池边缘的通路流通。

边缘刻蚀可以刻蚀掉这些通路，但由电阻的并联公式可以看出，并联电阻的大小是主要由众多并联的电阻中最小的肯定，所以任意一处刻蚀不好都会降低整体的并联电阻，从而减小转化效率。

2.10温度与光强对电池特性的影响

当温度升高I0会明显增大，从公式可以得出，开路电压Voc会随温度的升高而降低；温度升高禁带宽度会略微降低使短路电池升高，但总起来说，电池的输出功率会下降，即转化效率降低。

光强增强，电池的短路电流会同比例上升，因此电池的输出功率升高，但效率不变。

聚光电池：

入射光通过光学元件聚焦形成高强度的光。

更高的效率，相应较低的成本。