太阳能电池物理

P1中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD太阳能电池物理一：引言二：半导体基本特性三：PN结二极管静电四：太阳能电池基本原理五：其它的主题六：总结P2中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD太阳能电池是一种半导体二极管，吸收太阳光能量转换为电能。冶金结，掺杂是通过扩散或离子注入或通过沉积过程。一：引言P3中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD1，基本介绍太阳光具有粒子性（光子）波动性（波长），能量为：只有能量大于半导体（硅）带隙的光子才可能被吸收，激发产生非平衡少数载流子：电子－空穴对。P4中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD二：半导体基本特性1，晶体结构：在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：P5中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD2，能带结构直接带隙、间接带隙半导体，带隙类型对半导体的光吸收非常重要。P6中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD3，状态密度函数根据泡利不相容原理，一个状态只能被一个电子占据，于是对导电过程起作用的载流子的数量就变成有效能量或量子状态数量的函数。需要用一个能量函数来确定那些分立能级的能量状态密度，从而计算电子和空穴的浓度。导带态密度：价带态密度：P7中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD4，平衡载流子浓度热平衡时（如衡温下没有热注入或载流子产生），费米函数决定了能态被电子占据的几率：NC，NV代表有效态密度P8中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD不同温度下的费米函数非简并半导体P9中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD施主杂质和受主杂质，所有的掺杂杂质将引入额外的局域电子态，这些局域电子态经常在EC和EV之间一般地，施主和受主被认为时全部离化的。此时，对于N型材料，P型材料，P10中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD注意：当重掺杂时，杂质对系统的影响不能只看作是微扰，必须考虑重掺杂带来的影响。通常的，重掺杂的影响是降低了带隙EG，从而提高了本征载流子浓度。这种带隙变窄（BGN）对太阳能电池的性能是有害的，电池通常设计为避免这种效应，虽然在电池的接触电极附近的重掺杂区域可能会有这种因素。P11中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD5，半导体的光吸收基本吸收：直接激发价带的一个电子到导带，同时在价带产生一个空穴。光子的动量远远小于晶格动量在光子吸收过程中，必须满足电子的守恒定律。吸收系数：吸收系数正比于吸收概率P12，初态的电子密度gv（E1），终态的可容纳密度。P12中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD直接带吸收和间接带吸收直接带吸收间接带吸收P13中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD在电子跃迁过程中，要满足能量和动量守恒定律。直接带隙，电子动量相同，如GaAs、GaInP等。间接带隙，如Si，Ge，电子动量不同，动量守恒要求额外的粒子参与，声子代表晶格的振动，具有低的能量和高的动量，适合于间接吸收过程。包括声子的吸收和声子的发射。对于间接带隙，光吸收不仅和电子的态密度有关，还和发射吸收声子的概率有关，是二级的过程，所以相对于直接带隙，吸收系数很小。一般，间接带隙的光吸收，光的穿透深度比直接带隙要深。直接带和间接带的光吸收P14中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTDSi和GaAs在300K下的吸收系数和能量关系图对于直接和间接带隙材料，两种吸收过程（有和无声子参与）都存在，只是那一种占主导地位。P15中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD太阳能电池的光吸收太阳能电池中，电子－空穴对的产生几率为：其中s为栅线遮挡因子，r为反射系数，f为光子流。自由载流子的吸收，导带的电子吸收光子，移动到更高的位置，（价带的空穴相同）。吸收的光子能量通常小于EG。对于单结电池，自由载流子吸收没有影响，对于多结电池，必须考虑。P16中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD6，半导体的光复合－光吸收的逆过程太阳能电池有几种重要的复合机制：－通过禁带中的陷阱（缺陷）的复合－辐射复合（带带复合）－俄歇复合（非辐射复合，能量传递给其它载流子）－当然还有很多其它类型的复合（杂质能带）P17中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD1）单能级陷阱（SLT）复合单能级陷阱（SLT）复合，E＝ET在禁带中，通常称为Shocklet-Read-Hall（肖克莱-里德-霍尔），单位体积单位时间的复合率表示为：定义寿命：σ为捕获截面，vth为载流子热速率，NT陷阱浓度。P18中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD在高注入条件（n≈pn0,p0），复合率则表示为：若为N型材料（n≈n0p0），低注入条件（p0≤pn0）。复合率可以写为：注意：复合率仅仅依赖于少数载流子。注意：有效载流子寿命是两种载流子寿命的和。对于透镜电池非常有意义。P19中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD肖克莱-里德-霍尔复合理论：禁带中一个允许的能量状态（陷阱）充当复合中心的任务，它俘获电子和空穴的概率相同。这种相同的概率意味着对电子和空穴的俘获截面相等。肖克莱-里德-霍尔复合理论假设带隙中能量Ei位置存在一个独立的复合中心（陷阱），这个单一的陷阱存在着四个基本过程：电子的俘获、电子的发射、空穴的俘获、空穴的发射。肖克莱-里德-霍尔复合理论P20中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD2）辐射（带带）复合直接带比间接带更有效，复合发射光子，这也是半导体激光器，发光二极管（LED）的工作原理。净复合率为：B是常数。对于n型材料（n≈n0p0），低注入（p0≤pn0）：对于p型材料也相同。P21中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD3）俄歇复合俄歇复合和辐射复合类似，只是复合后把能量和动量传递给其它载流子。它是碰撞电离的逆过程。净复合率写为：对于n型材料，低注入（Λn和Λp有可以比拟的数量级），净复合率写为：对p型材料也是类似的。P22中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD4）总的复合总的复合率为：低能级注入掺杂材料的有效少数载流子寿命：P23中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD5）表面态的复合两种非相似材料的交界面，如在电池的前表面，由于晶格周期的突然中止，有高浓度的缺陷。表面的陷阱将在禁带中形成一系列连续的能级陷阱。P24中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD量化复合率不再用单位体积单位时间，而是单位面积单位时间，通常为：Et为陷阱能级，DП为表面态密度，Sn和Sp为表面复合速率。类似于体陷阱的载流子寿命，表面复合率可以简化为：N型材料：P型材料：5）表面态的复合P25中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD7，载流子的传输载流子的运动方式有漂移和扩散。当有电场时，电场可以是结内建电场和外加偏压电场，电子和空穴发生漂移运动。扩散运动：载流子从高浓度向低浓度方向的运动。载流子运动过程中将发生碰撞和散射，这些碰撞的目标有：晶格原子、杂质离子、晶格缺陷和其它的电子空穴。P26中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD1）漂移运动漂移速度正比与电场：μ为迁移率。电子和空穴的漂移电流密度可以写为：漂移运动主要有晶格散射（声子散射）和电离杂质散射。对于太阳能电池，根据经验公式，Si在300K下载流子迁移率近似写为：P27中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD电子和空穴的迁移率低掺杂等级，迁移率主要被晶格散射主导；高掺杂等级，迁移率被电离杂质散射主导。P28中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD2）扩散运动载流子从高浓度向低浓度方向的运动，在无外力作用下，扩散电流密度：Dp和Dn为扩散系数在热平衡条件下，没有净电子电流和净空穴电流，漂移和扩散必须达到一个平衡。推导出爱因斯坦关系式：简并态P29中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD8，半导体方程式泊松方程：N为净电荷（掺杂和其它俘获电荷）。空穴和电子的连续性方程为：G为电子－空穴对的产生率。电流密度为：P30中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD9，少子扩散方程对于均匀掺杂半导体，带隙和介电常数与位置无关，迁移率和扩散率也与位置无关，太阳能电池稳态工作下，半导体方程简化为：P31中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD太阳能电池，离pn结足够远（准中性区域），电场是非常小的。当考虑少数载流子和低注入（Δp＝ΔnND,NA）,漂移电流相对于扩散可以忽略，在低注入条件下，R简化为：对P型：对N型：ΔnP和ΔpN是过剩少数载流子浓度。和是少子寿命。少数载流子扩散方程可以写为：n型材料：p型材料：少数载流子扩散方程经常用于分析半导体器件的工作原理，包括太阳能电池。9，少子扩散方程P32中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD三：PN结二极管静电学热平衡下，没有净电流，费米能级与位置无关。随着载流子的扩散，出现带电杂质（电离受主和电离施主），产生静电场，阻止电子和空穴的扩散。空间电荷区（耗尽层）的形成，耗尽层以外的区域电中性，电场为零。耗尽层的电场，称为内建电场。此时，静电学由泊松方程给出：Φ电势、q电子电荷、ξ介电常数、p0平衡空穴浓度、n0平衡电子浓度、NA－电离受主浓度、ND＋电离施主浓度。P33中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTDPN结通常的，掺杂浓度更大的准中性区域称为发射极，掺杂浓度较小的区域成为基体。基体区域通常是吸收区域，因为发射极非常薄，大部分的光吸收发生在基体。P34中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD求解泊松方程X=0连续，非简并下：P35中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD平衡下，Si的pn结能级图，电场，电荷密度P36中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD四：太阳能电池基本原理。通过解少数载流子扩散方程，利用近似边界条件，可以推出太阳能电池基本的I-V特性。P37中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD1.边界条件x＝－WN，通常假设前电极接触为理想的欧姆接触，因此。而实际上，存在表面复合速率，此时：SF,eff是有效前表面复合速率，当SF,eff无穷大时，ΔP趋近于零，简化为理想的欧姆接触。背面接触也通常看作是理想的欧盟接触，因此有然而，电池背面有BSF重掺杂区域。BSF使少数载流子离开背面欧姆接触，提高了少子被收集的几率，可以建模为一个有效的、相对低的表面复合速率。边界条件为：SBSF为BSF有效的表面复合速率。P38中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD在平衡条件下，费米能级与位置无关；在非平衡时，引入准费米能级，并假设半导体非简并的，则：很明显，在平衡条件下，FP＝FN＝EF。非平衡下，假设多子浓度在电极接触位置保持平衡值，施加的电压写为：。对于，使用耗尽区的边条，导出thelawofthejunction：1.边界条件P39中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD2,光产生率在x=－wN处，光产生率由下式给出：只有的太阳光有贡献。P40中国南玻集团股份有限公司CSGHOLDINGCO.,LTD3，少数载流子扩散方程的解使用边界条件和少子的产生