太阳能电池基本原理 第三章 太阳能电池的基本原理 本章以单晶硅pn结太阳能电池为例， 介绍半导体太阳能电池的基本工作原理、 结构及其特性分析。 一、太阳能电池的结构和基本工作原理 下图示意地画出了单晶硅pn结太阳能电池的结构， 其包含上部电极，无反射薄膜覆盖层，n型半导体，p型半 导体以及下部电极和基板。 当有适当波长的光照射到这个pn结太阳 能电池上后，由于光伏效应而在势垒区两边 产生了电动势。因而光伏效应是半导体电池 实现光电转换的理论基础，也是某些光电器 件赖以工作的最重要的物理效应。因此，我 们将来...
表示在结的扩散长度（Lp+Ln）内非平衡载流子的平 均产生率，并设扩散长度Lp内的空穴和Ln内的电子都能扩 散到p-n结面而进入另一边，这样光生电流IL应该是： IL ＝ qA(Lp+Ln) 其中：A是p-n结面积，q为电子电量。光生电 流IL从n区流向p区，与IF反向。 如光电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流应 该是： I = IF-IL = Is[exp(qV/kT)-1]-IL 这就是负载电阻上电流与电压的关系，也就是光电 池的伏安特性方程。 左图分别 是无光照和有光 照时的光电池的 伏安特性曲线。 不论是一般的化学电池还是太阳能电池，其输出特性 一般都是用如下图所示的电流－电压曲线来表示。由光电池 的伏安特性曲线，可以得到描述太阳能电池的四个输出参 数。 ２、描述太阳能电池的参数 １、开路电压Voc 在p-n结开路情况下（R=∞），此时pn结两端的电 压即为开路电压Voc。 这时，I=0，即：IL=IF。将I=0代入光电池的电流 电压方程，得开路电压为： Voc＝ kT q ln( IL Is +1) 2、短路电流Isc 如将pn结短路（V=0），因而IF=0，这时所得的 电流为短路电流Isc。显然，短路电流等于光生电流， 即： Isc = IL ３、填充因子FF 在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该 点所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最 佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vop和最 佳工作电流Iop。 填充因子定义为： FF = VopIopVocIsc = Pmax VocIsc 它表示了最大输出功率点 所对应的矩形面积在Voc 和Isc所组成的矩形面积中 所占的百分比。特性好的 太阳能电池就是能获得较 大功率输出的太阳能电 池，也就是Voc，Isc和FF 乘积较大的电池。对于有 合适效率的电池，该值应 在0.70-0.85范围之内。 ４、太阳能电池的能量转化效率η 其中Pin是入射光的能量密度，S为太阳能电池的面积， 当S是整个太阳能电池面积时，η称为实际转换效率，当 S是指电池中的有效发电面积时，η叫本征转换效率。 表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。 即： η =（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）x100% = （Vop x Iop/Pin x S）X100% = Voc•Isc•FFPin • S 三、太阳能电池的等效电路 等效电路是描述太阳能电池的最一般方法。 1、理想pn结太阳能电池的等效电路 理想pn结太阳能电池可以 用一恒定电流源Iph（光生电 流）及一理想二极管的并联 来表示。其等效电路如左图 所示。其电流电压关系满足 我们上一节所介绍的方 程。。I = IF-IL = Is[exp(qV/kT)-1]-IL 2、pn结太阳能电池的实际等效电路 实际上，pn结太阳能电池存 在着Rs和Rsh的影响。其中， Rs 是由材料体电阻、薄层电阻、 电极接触电阻及电极本身传导 电流的电阻所构成的总串联电 阻。 Rsh是在pn结形成的不完 全的部分所导致的漏电流，称 为旁路电阻或漏电电阻。这样 构成的等效电路如右图所示。 根据前面所示的等效电路，考虑到串联电阻Rs和旁路 电阻Rsh的影响。可以得到通过负载的电流电压关系为： I = IL-Is{exp[q(V+IRs)/kT]-1}-(V+IRs)/Rsh 上式是表示太阳能电池特性的一般公式，叫做超越 方程式。 Rs值变大会影响电池伏安特性曲线偏离理想曲线， 使FF变小，Isc下降，因而效率也下降；而旁路电阻Rsh变 小，说明无光照时pn结反向漏电流变大，造成Voc下降， FF变小，因而效率下降。 下面我们来分析一下串联电阻Rs和漏电电阻Rsh对光电池 效率的影响。 根 据 图 示 的 电 路，对同一个太阳 能电池，当入射光 强度较弱时， IL较 小，二极管电流和 漏电流大小相差不 多，此时，Rsh的影 响较大。 I = IL-Is[exp(qV/kT)-1]-V/Rsh 漏电电阻 对光电池输出特 性的影响可用右 图表示。可以看 出，漏电电阻Rsh 对光电流的影响 较小，而对开路 电 压 的 影 响 较 大。 入射光功率一定（100 mW/cm2)，并假 设Voc=0.51V，Jsc = 30 mA/cm2，Rs=0。 当光照较强时，二 极管电流远大于漏电 电流，此时，Rsh对光 电池的影响较小，而 相反的，Rs的影响就变 大起来。 I = IL-Is{exp[q(V+RsI)/kT]-1} 右图给出了Rs对光电池 输出特性的影响。可以看 出光电池的输出特性随着 Rs有着较大的变化，并且 Rs对开路电压的影响几乎 没有，但对短路电流却有 很大的影响。 入射光功率一定（100 mW/cm2)，并假设 Voc=0.51V，Jsc = 30 mA/cm2，Rsh=∞。 由前面分析可知，当漏电电阻Rsh降到100 欧姆以下时，对光电池的影响就不可忽略 了。对于1cm2的硅电池，只要Rsh大于500欧 姆，砷化镓电池Rsh大于1000欧姆时，对输出 特性的影响就不重要了。另一方面，当总串 联电阻Rs增加到5欧姆时，电池的转换效率就 要下降30%，可见Rs的影响较大。最近对于硅 电池，要求实用化的产品的Rs要在0.5欧姆以 下。 四、太阳能电池转换效率的理论上限 1、太阳能电池的理论效率 太阳能电池的理论效率由下式决定： η= Voc•Isc•FFPin • S 当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定以后，其值就 取决于开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最 大值。 下面我们就来分别考虑开路电压Voc、短路电 流Isc和填充因子FF的最大值。 短路电流Isc的考虑： 我们假设在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳 能电池没有贡献，其中长波限满足： λmax = 1.24(µm)/Eg(eV) 而其余部分的光子，因其能量hν大于材料的禁带宽度 Eg，被材料吸收而激发电子-空穴对。假设其量子产额为 1，而且被激发出的光生少子在最理想的情况下，百分之 百地被收集起来。在上述理想的假设下，最大短路电流 值显然仅与材料带隙Eg有关，其计算结果如图所示。 在 AMO和AM1.5光照射下的最大短路电流值。 开路电压Voc的考虑： 开路电压Voc的最大值，在理想情况下有下式决定： Voc = kT q ln( IL Is +1) 式中IL是光生电流，在理想情况即为上图所对应的 最大短路电流。 Is是二极管反向饱和电流，其满足： Is = Aq(Dn/LnNA+Dp/LpND)ni2 ni2= NcNvexp(-Eg/kT) 显然， Is取决于Eg、Ln、Lp、NA、ND和绝对温度T的大 小，同时也与光电池结构有关。为了提高Voc，常常采用 Eg 大，少子寿命长及低电阻率（例如对硅单晶片选用0.2欧姆 厘米）的材料，代入合适的半导体参数的数值，给出硅的最 大Voc值约700mV左右。 填充因子FF的考虑： 在理想情况下，填充因子FF仅是开路电压Voc的 函数，可用以下经验公式表示： FF = Uoc-ln(Uoc+0.72) Uoc+1 Uoc = Voc(kT/q)1/2 这样，当开路电压Voc的最大值确定后，就可计 算得到FF的最大值。 综合上述结果，可得到作为带隙Eg的函数的最大转 换效率，其结果示于下图中。 对于单晶硅太阳能电池，理论上限是 27%，目前研究得到的最大值为24%左右。 GaAs太阳能电池的转换效率的理论上限为 28.5%，现在获得的最大值是24.7%。如何进一 步提高太阳能电池的转换效率是当前的研究课 题，这也就是所谓的高效率化技术的开发。 2、影响太阳能电池转换效率的一些因素 我们前面介绍了太阳能电池转换效率的 理论值，这些理论值都是在理想情况下得到 的。而太阳能电池在光电能量转换过程中， 由于存在各种附加的能量损失，实际效率比 上述的理论极限效率低。下面以pn结硅电池 为例，介绍一些影响太阳能电池转换效率的 因素。 光生电流的光学损失： 太阳能电池的效率损失中，有三种是属于光学损 失，其主要影响是降低了光生电流值。 反射损失：从空气（或真 空）垂直入射到半导体材料 的光的反射。以硅为例，在 感兴趣的太阳光谱中，超过 30%的光能被裸露的硅表面 发射掉了。 栅指电极遮光损失c：定义 为栅指电极遮光面积在太 阳能总面积中所占的百分 比（见下图）。对一般电 池来说，c约为4%-15%。 透射损失：如果电池厚 度不足够大，某些能量 合适能被吸收的光子可 能从电池背面穿出。这 决定了半导体材料之最 小厚度。间接带隙半导 体要求材料的厚度比直 接带隙的厚。如图为对 硅和砷化镓的计算结 果。 光生少子的收集几率： 在太阳能电池内，由于存在少子的复合， 所产生的每一个光生少数载流子不可能百分之 百地被收集起来。定义光激发少子中对太阳能 电池的短路电流有贡献的百分数为收集几率。 该参数决定于电池内个区域的复合机理，也与 电池结构与空间位置有关。 影响开路电压的实际因素： 决定开路电压Voc大小的主要物理过程是半导体的复 合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短， Voc也就越 低。体复合和表面复合都是重要的。 在p-Si衬底中，影响非平衡少子总复合率的三种复合 机理是：复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合。总复 合率主要取决三种复合中复合率最大的一个。例如：对于 高质量的硅单晶，当掺杂浓度高于 1017cm-3时，则俄歇复 合产生影响，使少子寿命降低。 通常，电池表面还存在表面复合，表面复合也会降 低Voc值。 （复合中心复合、俄歇复合、直接辐射复合和表面复合？） 辐照效应： 应用在卫星上的太阳能电池受到太空中高能离子 辐射，体内产生缺陷，使电池输出功率逐渐下降，可能 影响其使用寿命。 辐照产生的缺陷，相当于复合中心。辐照后增大 了电池内部的少子复合率τ-1，即有： τ-1 = τ0-1+K’ϕ 式中τ0是辐照前的寿命， K’是常数， ϕ是辐照通量。因 为扩散长度等于（D τ)1/2，故上式可写成： L-2 = L0-2+Kϕ 对太阳能电池的研究表明，n+p电池 K=1.7x10-10，而p+n电池K=1.22x10-8，前者 比后者抗辐射能力大得多。为了改善辐射 容量，可将锂掺入太阳能电池中。Li可扩 散到辐射感生点缺陷中，并与之结合起 来，阻止寿命减退。太空应用的太阳能电 池，一般都覆盖一块掺铈薄玻片，减少进 入电池的高能粒子。
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