第三章 太阳能电池的基本原理

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昀重要的物理效应。因此，我们将来仔细分析一下pn结的光伏效应。设入射光垂直pn结面。如果结较浅，光子将进入pn结区，甚至更深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子-空穴对。在光激发下多数载流子浓度一般改变较小，而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数载流子的运动。无光照光照激发由于pn结势垒区内存在较强的内建电场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过p-n结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在p-n结两端形成了光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。由于光照在p-n结两端产生光生电动势，相当于在p-n结两端加正向电压V，使势垒降低为qVD-qV，产生正向电流IF.在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，p-n结两端建立起稳定的电势差Voc，（p区相对于n区是正的），这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。由上面分析可以看出，为使半导体光电器件能产生光生电动势（或光生积累电荷），它们应该满足以下两个条件：1、半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数α，即要求入射光子的能量hν大于或等于半导体材料的带隙Eg，使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。右图是一些材料的吸收曲线。可以发现GaAs和非晶硅的吸收系数比单晶硅大得多，透入深度只有1µm左右，即几乎全部吸收入射光。所以这两种电池都可以做成薄膜，节省材料。而硅太阳能电池，对太阳光谱中长波长的光，要求较厚的硅片（约100-300µm）才能充分吸收；对于短波长的光，只在入射表面附近1µm区域内就已充分吸收了。2、具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子，在p区内积累了非平衡空穴，而在n区内积累起非平衡电子。产生了一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场，于是在p区和n区间建立了光生电动势（或称光生电压）。除了上述pn结能产生光生伏特效应外，金属-半导体形成的肖特基势垒层等其它许多结构都能产生光生伏特效应。其电子过程和pn结相类似，都是使适当波长的光照射材料后在半导体的界面或表面产生光生载流子，在势垒区电场的作用下，光生电子和空穴向相反的方向漂移从而互相分离，在器件两端积累产生光生电压。通常的发电系统如火力发电，就是燃烧石油或煤以其燃烧能来加热水，使之变成蒸汽，推动发电机发电；原子能发电则是以核裂变放出的能量代替燃烧石油或煤，而水力发电则是利用水的落差能使发电机旋转而发电。太阳能电池发电的原理是全新的，与传统方法是完全不同，既没有马达旋转部分，也不会排出气体，是清洁无污染的发电方式。太阳能电池的结构单晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。单晶硅太阳能电池通常是以p型Si为衬底，扩散n型杂质，形成如图(a)所示结构。为取出电流，p型衬底的整个下表面涂银并烧结，以形成银电极，接通两电极即能得到电流。玻璃衬底非晶硅太阳能电池是先在玻璃衬底上淀积透明导电薄膜，然后依次用等离子体反应沉积p型、I型和n型三层a-Si，接着再蒸涂金属电极铝，电池电流从透明导电薄膜和电极铝引出。玻璃衬底非晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。不锈钢衬底型太阳能电池是在不锈钢衬底上沉积pin非晶硅层，其上再沉积透明导电薄膜，昀后与单晶硅电池一样制备梳状的银收集电极。电池电流从下面的不锈钢和上面的梳状电极引出。不锈钢衬底非晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。二、太阳能电池的输出特性1、光电池的电流电压特性光电池工作时共有三股电流：光生电流IL，在光生电压V作用下的pn结正向电流IF，流经外电路的电流I。IL和IF都流经pn结内部，但方向相反。pn负载光电流IL结正向电流IFI根据p-n结整流方程，在正向偏压下，通过结的正向电流为：IF=Is[exp(qV/kT)-1]其中：V是光生电压，Is是反向饱和电流。设用一定强度的光照射光电池，因存在吸收，光强度随着光透入的深度按指数律下降。因而光生载流子产生率也随光照深入而减少，即产生率Q是x函数。为了简便起见，用Q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＝qQA(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＝kTqln(ILIs+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=IL３、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昀大功率，称为昀佳工作点，该点的电压和电流分别称为昀佳工作电压Vop和昀佳工作电流Iop。填充因子定义为：FF=VopIopVocIsc=PmaxVocIsc它表示了昀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%=（VopxIop/PinxS）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昀一般方法。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]-IL2、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（100mW/cm2)，并假设Voc=0.51V，Jsc=30mA/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（100mW/cm2)，并假设Voc=0.51V，Jsc=30mA/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。昀近对于硅电池，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的昀大值。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的昀大值。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昀理想的情况下，百分之百地被收集起来。在上述理想的假设下，昀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光照射下的昀大短路电流值。开路电压Voc的考虑：开路电压Voc的昀大值，在理想情况下有下式决定：Voc=kTqln(ILIs+1)式中IL是光生电流，在理想情况即为上图所对应的昀大短路电流。Is是二极管反向饱和电流，其满足：Is=Aq(Dn/LnNA+Dp/LpND)ni2ni2=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，给出硅的昀大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+1Uoc=Voc(kT/q)1/2这样，当开路电压Voc的昀大值确定后，就可计算得到FF的昀大值。综合上述结果，可得到作为带隙Eg的函数的昀大转换效率，其结果示于下图中。对于单晶硅太阳能电池，理论上限是27%，目前研究得到的昀大值为24%左右。GaAs太阳能电池的转换效率的理论上限为28.5%，现在获得的昀大值是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