第二章太陽能電池特性

1、內(nèi)部培訓(xùn)資料1內(nèi)部培訓(xùn)資料第二章太陽能電池工作原理2.1半導(dǎo)體內(nèi)的光電效應(yīng)當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上時，光子將能量提供給價帶上的電子，電子躍遷到更高 的能態(tài)一一導(dǎo)帶上，從而產(chǎn)生載流子：電子一空穴對。當(dāng)光照射到PN結(jié)上時， 在半導(dǎo)體內(nèi)部PN結(jié)附近生成的載流子若沒有被復(fù)合而到達耗盡區(qū)（空間電荷區(qū)）, 受內(nèi)建電場的吸引，電子流入N區(qū)，空穴流入P區(qū)，結(jié)果N區(qū)儲存了過剩的電 子，P區(qū)有過剩的空穴。它們在PN結(jié)附近形成與勢壘方向相反的光生電場。光 生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，在N 區(qū)與P區(qū)之間就產(chǎn)生電動勢，這就是光生伏特效應(yīng)。此時，如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成

2、正比的光生電流 流過，這個電流稱作短路電流Isc,另一方面，若將PN結(jié)兩端開路，則由于電子 和空穴分別流入N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)的費米能級比P區(qū)的費米能級高，在這兩 個費米能級之間就產(chǎn)生了電位差，這個值可以被測得，稱為開路電壓Voc。2.2太陽能電池的電路特性當(dāng)電壓在0到Voc之間變化時，對應(yīng)電壓下的太陽能電池電流也隨之變化， 將其對應(yīng)關(guān)系畫在電流一電圧圖中，就得到了太陽能電池的電路特性曲線（或I-V 曲線）。太陽能電池的IV曲線是在二極管暗IV曲線的基礎(chǔ)上加上光生電流，即 將二極管暗IV曲線向下平移了一個等于光生電流II大小的長度。太陽能電池的 IV曲線可用以下的方程來表示：設(shè)流岀太陽能電池的電

3、流為正電流，而流入的電流為負(fù)，則IV曲線的方程可寫為：I = Il-I。VOLTAGEVOLTAGEocIo：暗飽和電流II：光生電流n:理想因子，理想太陽能電池中為1,在1-2之間q=1.6 xlO19 Ck=1.38xlO-23 J/KT：絕對溫度，攝氏溫度+273K練習(xí)：1.開路電壓Voc與短路電流Isc各對應(yīng)于理想IV曲線中的哪一點？在理想IV曲線中II與Isc有什么關(guān)系？2.已知一個太陽能電池的參數(shù)如下:10 = 2x10-8 A, nkT/q = 0.03 V, IL = 6 A, 求這個太陽能電池的開路電壓Voc與短路電流Isco3.在室溫下，測得一個太陽能電池的開路電壓為Voc

4、 = 0.65V,短路電流為 lsc = 5.5A,設(shè)n,則當(dāng)其輸出電壓為5V時，其實輸出電流為多少？2.3光生電流我們首先來看太陽能電池內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)化過程。當(dāng)有能量大于禁帶寬度的光 子照到太陽能電池上，空穴一電子對被激發(fā)產(chǎn)生。被激發(fā)到導(dǎo)帶的自山電子，有 的向表面或PN結(jié)擴散，有的在半導(dǎo)體內(nèi)部或表面被復(fù)合消失了。但有一部分到 達結(jié)的載流子，受結(jié)處的內(nèi)建電場加速而越過PN結(jié)流入N型區(qū)，若太陽能電池 此時有外電路聯(lián)通時，為滿足N型區(qū)的電中性，多出來的電子（與越過PN結(jié)的 電子個數(shù)相等）從連接N型的電極流出，經(jīng)外電路后到達P型表面的電極處， 與空穴復(fù)合，這一過程就形成了光生電流II。光生電流的大小與

5、電池面積、入射光強（單位面積內(nèi)入射光子的個數(shù)）、入 射光譜、光的吸收、電子被收集等情況有關(guān)。一個能量大于禁帶寬度的光子被吸 收只能激發(fā)一個電子，但并非所有能量大于禁帶寬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過或反射出太陽能電池。入射的光子 數(shù)量越多且被吸收的光子越多，可產(chǎn)生的自山電子就越多。但也并非所有產(chǎn)生的 自山電子都能貢獻于光生電流，只有流出到外電路中的電子才形成光生電流，流 出到外電路的電子數(shù)量等于越過PN結(jié)的電子或空穴總數(shù)，若電子一空穴對在越 過PN結(jié)前就被復(fù)合，就不能貢獻于光生電流。ne：流到外電路的總的電子個數(shù)；nph：能量大于禁帶的光子個數(shù)；R：反射率

6、；G：產(chǎn)生率，即入射到太陽能電池中的光子被吸收的機率；fc：收集兒率，即產(chǎn)生的電子一空穴對在被復(fù)合前越過PN結(jié)的兒率。練習(xí):1.束光強為0.05W/cm2的單色光，波長為lOOOnm,照射在表面為10cm x 10cm的太陽能電池上，假設(shè)，電池的反射率為20%,入射的光子中有90% 可以被吸收產(chǎn)生電子，產(chǎn)生的電子只乂有80%被收集，計算其光生電流。2. 一束光強為0.05W/cm2的波長為400nm的單色光，照射在與第1題中相 同的太陽能電池上，其他假設(shè)均與第1題相同，計算其光生電流。若波長為1200nm的單色光照在電池上，光生電流會是多大？比較第1題與第2題的結(jié)果，為什么同樣的光強下，光生電

7、流不同？哪種吸收更有效？在以上的計算中，反射率R、產(chǎn)生率G與收集兒率均為固定值，在太陽能電 池中，他們與什么因素相關(guān)呢？2.4反射率與產(chǎn)主率未經(jīng)過處理的硅太陽能電池表面反射率可高達30%,因此在制造工藝中采取 表面制絨與鍍減反膜的方法來大幅減小反射率，制絨與減反膜將在笫三章中討論。產(chǎn)生率G,即光子被吸收并產(chǎn)生一個電子空穴對的兒率，它是一個與入射光 波長和入射深度有關(guān)的值，其大小取決于吸收系數(shù)a ,吸收系數(shù)與材料和入射光 波長有關(guān)，下圖是硅材料對應(yīng)于不同波長的吸收系數(shù)。內(nèi)部培訓(xùn)資料內(nèi)部培訓(xùn)資料l產(chǎn)生率G=aNoecocNO為太陽能電池表面的光子個數(shù)，即前面式中的nph：x為從太陽能電池上表面開始

8、的深度；a為吸收率，硅對不同波長光的吸收率，可從上圖中查到。 下圖為光在硅材料中不同深度的產(chǎn)生率。2 M na q20粉 5um深度電子產(chǎn)生率；從表面到O.lum及5um深度總的電子產(chǎn)生率？其占入射的總光子個數(shù)的百分之兒?2.對于800nm波長的光,設(shè)入射光子個數(shù)也為lxlO2MW，重復(fù)以上計算。 查得800nm波長光的吸收系數(shù)約為O.lum。3.藍(lán)紫光（短波長光）和紅外光（長波長的光）主要都在哪些深度被吸收而產(chǎn)生自山電子？2.5收集兒率收集兒率描述的是某一區(qū)域的光生載流子被PN結(jié)收集的兒率。如下圖所示,a與b之間的區(qū)域為耗盡區(qū)（空間電荷區(qū)），當(dāng)光生載流子產(chǎn)生在耗盡區(qū)內(nèi)時, 少數(shù)載流子在內(nèi)建電

9、場的作用下越過PN結(jié)而不會被復(fù)合，所以在耗盡區(qū)域內(nèi)的 收集兒率為100%=在耗盡區(qū)以外，少數(shù)截流子不受到電場作用，做隨機的擴散 運動，所以收集兒率與少子的擴散長度相關(guān)，距耗盡區(qū)近的區(qū)域少子有更大的兒 率擴散到耗盡區(qū)內(nèi)，而遠(yuǎn)離耗盡區(qū)的地方大多少的少子在隨機擴散到耗盡區(qū)之前 就被復(fù)合掉了，只有極少數(shù)的載流子有可能隨機擴散到耗盡區(qū)才在內(nèi)建電勢的作 用下越過PN結(jié)。在耗盡區(qū)外的少數(shù)截流子的收集兒率可以用公式表示為：fc = e 一訂，或 fc = e lp其中x與x，分別表示兩側(cè)距耗盡區(qū)的距離；Lp與Ln分別表示N型與P型中少子的擴散長度。Lp = jDpTp , Ln = Dnn少子壽命越長擴散長度

10、就越大，從而收集兒率越大。而少子壽命（或擴散長 度）的大小取決于復(fù)合速率的高低。上下表面是太陽能電池高復(fù)合區(qū)域，所以好 的表面鈍化可使少子壽命大大提高，少子擴散長度增加，而提高收集兒率。內(nèi)部培訓(xùn)資料1從前一節(jié)的練習(xí)中知道，短波長的藍(lán)紫光主要集中上表面被吸收，所以表面 鈍化對提高藍(lán)紫光產(chǎn)生的載流子的收集效果非常明顯；而長波長的紅外光在各個 深度上被吸收的兒率兒乎相同，所以提高背面鈍化（或加背場）對紅外光產(chǎn)生載 流子的收集效果更加明顯。把某一波長光的吸收率與其生成的載流子被收集兒率畫在同一畫內(nèi):可見，對于任意波長的光來說（這里主要考慮陽光中光強最強的中波長光）， 其吸收率都是在上表面最大，隨著深入

11、材料而衰減；但光吸收后產(chǎn)生的載流子的 收集兒率是在耗盡區(qū)最大，隨著遠(yuǎn)離耗盡區(qū)而衰減。所以，為了要得到更大的光 生電流，耗盡區(qū)應(yīng)更黑近太陽能電池的上表面，也就是盡量淺的PN結(jié)。練習(xí)：1. 一束600nm波長的單色光，每秒鐘有l(wèi)xlO20個光子照到太陽能電池表面, 已知太陽能電池厚度為180um, PN結(jié)位于距上表面lum處，忽略耗盡區(qū) 的寬度，即a=b=lum,少子擴散長度為Lp=lum, Ln=20um,求被收集 的電子個數(shù)m與光生電流II。2.在上題中，若PN結(jié)的位置移到距上表面0.5um處，其他條件不變，則被 收集的電子個數(shù)與光生電流大小各是多少？3.在上兩題中，被收集的電子個數(shù)與入射光子

12、的個數(shù)之比（n/nph）有什么 不同，說明什么？2.6量子效率量子效率（QE）指太陽能電池收集到的載流子數(shù)量與給定能量（波長）的入 射光子數(shù)的比值。如果指定波長的光子全部被吸收，而且產(chǎn)生的載流子全部被收 集，則QE = 1：光子能量小于禁帶寬度的光子（波長大于llOOnm）,無法被吸收 生成載流子，所以其QE = O。外量子效率（EQE）包括了光損失，如透射和反射；內(nèi)量子效率（IQE）是指去除了透射和反射后所剩下的光子產(chǎn)生的并被收集的載流子的數(shù)量與其比值。EQEIQE = (1-R)將每一波長下的量子效率對應(yīng)地畫在圖上得到QE曲線通過公式可以看出，IQE與EQE之間的差別反應(yīng)了不同波長下的反射

13、率，通 過制絨和減反膜等方法減小反射率。IQE在不同波長下的大小反應(yīng)了不同波長光 產(chǎn)生的載流子被收集的情況。之前已經(jīng)分析過，短波長的光主要在上表面附近被 收集而長波長的光在各個深度被收集的兒率兒乎相同，而收集兒率乂是111少子擴 散長度（或少子壽命）決定的，所以IQE曲線的不同形狀可以反應(yīng)出太陽能電池 不同深度的少子壽命，也即反應(yīng)岀了不同位置的鈍化情況。練習(xí)：1.上一節(jié)第1題中，600nm波長對應(yīng)的IQE大小為多少？若擴散長度為Lp提高到Sum,其IQE可以提升至多少？2.分析以下三個圖中的QE曲線，討論產(chǎn)生的原因和解決辦法。Wavelength (nm)orUGUJ-8-Wavelength

14、 (nm)(b)100X .8-(C)2.7開路電壓對外輸出電流為1=0,電壓V二Voc,此時的輸出特性在太陽能電池開路時，Il 一 b-1=0方程變?yōu)椋篤oc = In改變其形式得到：q io /從上式可以看出，在溫度和光生電流都不變的情況下，太陽能電池的開路電 壓取決于理想因子n與暗飽和電流Io的大小，這個參數(shù)描述的是半導(dǎo)體材料內(nèi)部 的固有特性，不受外加電壓、光強等因素影響（但會隨溫度改變）。對于一個面 積為A的太陽能電池，我們只關(guān)心它在單位面積上暗飽和電流或光生電流的大小, 這就引入了電流密度的概念，即單位面積上的電流大小。= A x Jo= A x JLnkT從上式可以看出，在相同的光

15、生電流下，Jo越小，得到的Voc越大，所以在 制造太陽能電池的過程中希望Jo被控制得盡量小。./qDpPno QDnripO=+ J可以看出，JO的大小也取決于擴散長度Lp和Ln的大小，擴散長度越大，Jo 越小，而開路電壓Voc就越大，可以看出，提高少子的擴散長度（鈍化，提高少 子壽命）對提高開路電壓和短路電流都有重要的意義。理想因子n是用來表征太 陽能電池內(nèi)部不同復(fù)合機制所引起的反向飽和電池的影響，它的值在1-2之間, 理想條件下取1,這里不做深入討論。2.8 IV曲線與電路參數(shù)已知理想太陽能電池的特性曲線，可以知道其在任意電壓時的輸出電流值, 這樣就可以得到它在任意工作點（電壓一電流）下的

16、輸出功率。內(nèi)部培訓(xùn)資料1內(nèi)部培訓(xùn)資料i功率p=iv,對應(yīng)于每一個電流一電壓可以畫岀功率一電壓曲線（PV曲線）, 從圖中可以找到P-V曲線的最高點，即最大功率點Pmpp,這一點對應(yīng)的電壓 Vmpp與電流Impp從而也可以求出。填充因子FF定義為電池最大功率與Voc和 Isc乘積之比,即在下圖中區(qū)域A的面積即為Pmax,而區(qū)域B（ B包含著A）的面積為lsc*VoCo FF可以用來度量IV曲線的方形程度”，也就是從IV曲線上取得的最大矩形的 面積。我公司電池的填充因子最大可達到約80%,電阻對填充因子有很明顯的影 響，我們在后面的章節(jié)中討論。Voc Voltage太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率被定義為電池的

17、輸岀電能與入射光能的值Pmax VoJscFF在以上各項參數(shù)的實際測量時，都在保持在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（STC）,標(biāo)準(zhǔn)測 試條件為:溫度25C （室溫），光譜AM1.5,光強1000W/m2 （或O.lW/cn?）。練習(xí)：1. 一塊面積為150cm2的太陽能電池在，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，測得其開路 電壓為0.6V,短路電流為5A,填充因子為80%，求其轉(zhuǎn)化效率。2.有一 900nm的單色光，光強為0.1W/cm2,照射在一塊面積為150cm2 的太陽能電池上，測得其900nm的EQE為96%,已經(jīng)知電池的理想因 子n=l.l,暗飽和電流10=2x10-9 A,求電池效率。（溫度27C）o2.6量子效率

18、補充練習(xí)：1. 一束600nm的單色光，每秒中有10000個光子照在太陽能電池上，電池 運行在短路狀態(tài)，測得每秒有9500個電子流過經(jīng)電路，電池有600nm的 的EQE是多少？若已知電池表面對600nm的反射率為2%,求IQE。2.8 IV曲線與參數(shù)補充練習(xí)1.在STC下，一塊電池的開路電壓為0.6V,短路電流8A,理想因子為78%, 求其轉(zhuǎn)化效率。2.9電阻的影響電阻R，物質(zhì)對電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻，R = p單位：歐姆Q。 電阻串聯(lián)：R = R + R? +；電阻并聯(lián)：R = +；K1 K2電阻率：是用來表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量。某種材料制成的長1米、 橫截面積是1平方毫米的導(dǎo)線的電阻，叫做這種材料的電阻率。R x S R x b x tS- _ b x t方塊電阻:Pa = 7 =R x SR x bL x tL宙聯(lián)電阻對IV曲線的影響：串聯(lián)電阻的變化不對開路電壓Voc產(chǎn)生影響，只有串聯(lián)電阻大到一定程度時 才使短路電流減小。串聯(lián)電阻對填充因子的影響非常明顯，當(dāng)串聯(lián)電阻增大時, 填充因子下降，電池的最大輸出功率隨之下降，從而減小電池的轉(zhuǎn)化效率。因此， 我們希望盡可能小的吊聯(lián)電阻。IV曲線隨吊聯(lián)電阻的變化趨勢如下圖：v（y_ouo（?/）太陽能電池中的串聯(lián)電阻的產(chǎn)生因素:體電阻：Rbulk = Pbulk A是電池的面積。發(fā)射極薄層電阻：Rs