第4章 太阳能光电转换

1、第4章 太阳能光电转换第1节 概论太阳能光电转换是直接将太阳光能转换为电能，实现转换的主要部件是太阳能电池。太阳能电池也称光伏电池，它没有任何运动的机械部件，在能量转换中具有重要的地位，被认为是“最优雅的能量转换器”。1954年，贝尔(Bell)实验室的三名研究人员制造出第一块硅太阳能电池，从此揭开了太阳能电池应用的序幕。刚问世时，太阳能电池的转换效率比较低，只有5%左右。1958年，太阳能电池应用到美国卫星“先锋一号”上，这是太阳能电池应用的一个重大突破。两个月后，即1958年5月，苏联也发射了一颗利用太阳能供电的卫星。几十年以来，太空中出现了几千颗卫星，凡是飞行寿命在几个月以上的，大多数都

2、采用太阳能电池作电源。早期设计的太阳能电池系统的输出功率很小，只有几十瓦，后来发展到200300W，到1963年，发射大型气象试验卫星(NIMBUS)时，功率已经达到了500W。随着空间事业的不断发展，出现了各种应用型的卫星，比如广播卫星、大型通信卫星、气象卫星等，要求的功率越来越大，达到了上千瓦，甚至几千瓦、几十千瓦。进入新千年以来，随着科学研究和生产技术的日新月异的发展，光伏电池在很多领域已经具有了竞争能力。目前太阳能电池技术的主要目标是进一步降低发电成本。但是，只有当太阳能电池与传统的燃煤、燃油或核能发电竞争时，这种经济性方面的考虑才是必需的。在一些特殊的情况下，比如为太阳能很丰富的边远

3、地区供电，经济性的考虑就完全不同了。下图是1988年到2004年世界上利用太阳能电池的情况。日本、欧洲、美国一直是发展和利用太阳能电池的主要国家和地区，但从新千年开始，世界其他国家和地区的发展速度明显加快了，尤其是中国。下表所示为20022007年世界主要国家和地区的太阳能电池产量。第2节 光电转换的理论基础光生伏特效应是太阳能光电转换的基本过程。太阳光是由光子组成的，光子的能量和太阳光谱的波长相对应。光照射到太阳能电池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就可以产生电能。光生伏特效应是1839年由贝克勒尔(Becquerel)发现的。光生伏特(PV)效应的基本概念如下图所示。本节将

4、讲述光电转换的理论基础。一、半导体的内部结构和导电性半导体的导电能力介于导体和非导体之间，导电性能非常独特。如对于同一块半导体，在不同的温度或不同强度光的照射下，导电能力就会有很大的差别；而在纯半导体中加入微量的有用杂质，它的导电能力就可以增加百万倍。半导体的导电能力与金属不同，金属依靠自由电子导电，而半导体则依靠电子-空穴对导电。这些独特的导电性是由其内部的微观物质结构所决定的。下面以半导体硅为例来进行介绍。所有物质都是由原子组成的。某种物质的原子由一定数量的带正电荷的质子、带负电荷的电子和不带电荷的中子组成。一个质子和一个中子的质量约相等，而中子质量略大。原子核由质子和中子组成，集中了原子

5、的全部正电荷和几乎是全部的质量。与质子数量相等、质量很小而且带负电荷的电子绕原子核高速运动。原子的正负电荷数相同，呈中性。电子在不同的能级上围绕原子核运动，能级越低越接近原子核，能级越高越远离原子核。离原子核最远的电子和邻近的原子相互作用，决定了固体的结构。金属原子的最外层电子受原子核的束缚很弱，容易脱离原子成为自由电子，能在外电场的作用下形成电流，所以金属有良好的导电性。绝缘材料原子的最外层电子结构稳定，受原子核的束缚很强，很难脱离开原子而成为自由电子，所以绝缘材料的导电性很差。半导体材料原子的最外层电子结构介于金属原子和绝缘材料原子之间，这决定了它的导电特性介于金属导体和绝缘体之间。硅原子

6、有14个电子，其最外层有4个电子，称为价电子，在光生伏特效应中起重要作用。大量的硅原子通过价电子结合在一起，形成晶体。在晶体中，每个硅原子通常和邻近的4个硅原子以共价键的形式分别共享4个价电子。这样，一个硅原子和4个与其共享价电子的硅原子构成了一个基本单位，一系列的由5个硅原子组成的基本单位构成了硅晶体。硅原子的这种有规律的、固定的结构称为晶格，如下图所示。单晶硅的这种结构叫做共价键结构。这种结构的特点是：共价键内的共有电子所受的束缚力并不太紧，在一定温度或强光的照射下，由于热能或光能转化为电子的动能，如果动能足够大，电子就可以挣脱束缚而成为自由电子。共价电子挣脱束缚而成为自由电子以后，便留下

7、一个空穴。通常把电子看成带负电的载流子，把空穴看成带正电的载流子。由光照产生的载流子叫做光生载流子。由半导体共价键产生的自由电子在电场或热作用下运动。有的自由电子可能遇到已经产生的空穴，与空穴进行复合，从而使载流子消失。空穴载流子的不断产生和消失，相当于空穴(正电荷)的移动。由于电子和空穴的移动，就使半导体具有导电性。纯半导体在外界因素作用下所产生的电导率叫本征电导率。这种电导率仅取决于半导体本身原子的激发状态。自由电子空穴对随着外界条件的消失而消失，电子与空穴互相复合，恢复到激发前的平衡状态，使本征电导率趋近于零。即使在激发的非平衡状态下，纯半导体中电子-空穴对的数目仍然有限，离导电的实际要

8、求还差得很远，故纯半导体的用处不大。二、半导体禁带宽度和光学特性硅原子遵守量子力学的下述原理：原子中的电子分布在层次分明的各个能级上；电子从能量较低的能级跃迁到能量较高的能级，需要吸收一定的能量；当原子形成晶体时，由于原子之间的影响，单一的能级变成具有一定幅度的能带，每个能带由若干能级组成。原子中最外层电子或价电子所在的能带为价带，通常也是被电子占用的能量最高的能带，也叫满带。少数电子由于热运动的缘故，可以跃迁到上面空着的具有较高能量的能带，成为导电的自由电子，具有能导电的电子的最高能带为导带。价带和导带之间有一个空隙带，叫做禁带。禁带具有一定的能量，这种能量叫做禁带宽度。实际上，这个能量是导

9、带的最低能级与满带的最高能级的能量差。禁带宽度用Eg表示。对于绝缘体Al2O3，其室温下的禁带宽度为10eV，而半导体锗的禁带宽度仅为0.7eV，硅的禁带宽度为1.12eV。当电子受到激发跃迁到导带以后，在满带中留下空穴。空穴只在半导体的晶格中形成。当半导体表面受到光的照射时，光可能被反射、吸收或透射。有些光子的能量大到是以使电子挣脱原子的束缚，同时把电子由价带激发到导带，使半导体中产生大量的电子-空穴对。这种现象叫内光电效应(光子把电子打出金属的现象是外光电效应)。实现内光电效应的条件是其中，为光子的能量，eV；h为普朗克常数，4.1361015eVs；v是光的频率，1/s。半导体材料就是依

10、靠内光电效应把光能转化为电能的。只有当射入光子的能量大于禁带宽度的能量时，才能使半导体价带中的电子被激发到导带，实现光电的能量转换；否则光子对光电能量转换过程不起作用。被半导体材料吸收的每个具有Eg的光子能产生一个而且仅是一个电子-空穴对。光子的能量决定于其频率或波长。能量高于禁带宽度的入射光子可以被电子完全吸收，吸收了能量的电子就跃过禁带，到达导带中的较高的能级。当电子最终落到导带底层时，其从光子接受的多余能量就以热能的形式释放到晶格中。由此可见，禁带宽度这个物理量，对于太阳能电池来说，具有举足轻重的影响，它使每种太阳能电池对所吸收的光的波长都有一定的选择性。由于v=c/，c为光速，m/s，

11、所以有波长大于截止波长的光不能实现光电转换。下表列出了各种半导体材料的禁带宽度和截止波长，以及可供利用的太阳能比率。可以看出，禁带宽度越大，可供利用的太阳能就越少。半导体材料在吸收光子时，还表现出一种“带隙”的特性。光子不是在半导体表面全部被吸收，而是在材料的一层厚度里逐步被吸收。一般情况下，光子能量通量，即单位时间通过单位截面的光子能量(光强，亦代表光子数)是光子在材料中运动的距离x的函数，即其中，I(x)是在深度x处的光的强度，W/m2；I(0)是射入正交表面的光强，W/m2；a是吸收系数，1/m。同一种半导体材料，对频率高的光子，一般吸收系数也大；不同的半导体材料，对同一频率的光子，一般

12、吸收系数不同。这就意味着太阳能电池对半导体材料的薄膜厚度有一定的要求。例如，若要吸收90%以上的光子能量，半导体Si的薄膜厚度需超过100um，而半导体GaAs的薄膜厚度只需要1um。三、半导体的掺杂特性没有杂质的纯半导体也称为本征半导体。为了使半导体具有实用性，在半导体中加入少量杂质可能改变其导电机制(电子导电或者空穴导电)，这种半导体称为杂质半导体。如果杂质半导体中的导电载流子主要是电子，则称为n型半导体；若载流子主要是空穴，称为p型半导体。下图显示了在硅晶格中加入杂质的分子结构。当掺入具有5个价电子的磷原子时，磷原子替代了硅晶格中的硅原子，其4个价电子和周围的4个硅原子形成共价键，同时多

13、出一个价电子。这个价电子受原子核的束缚较小，其能级属于禁带，但靠近导带，容易被激发到导带中而成为自由电子。当在硅晶体中加入的磷原子是够多时，就能产生很多自由电子。当受到外界条件激发时，半导体中的自由电子(负电荷)数远多于空穴(正电荷)数，自由电子称为多数载流子或多子，空穴称为少数载流子或少子。像磷原子这样的能在半导体中贡献自由电子的杂质原子称施主。这种主要依靠从施主能级激发到导带中去的电子来导电的半导体称为电子型或n型半导体，如掺入磷原子的硅就称为n型硅。当掺入有3个价电子的硼原子时，一个硼原子替代硅晶格中的一个硅原子，与周围的4个硅原子形成共价键时还缺少一个价电子，换句话说，有一个多余的空穴

14、。硼原子的价电子能级虽然也属于禁带，但靠近满带，满带中的电子就容易被激发到硼原子能级，从而填补该空穴，同时留下一个能级较低的新空穴。这就是说，掺入杂质硼的作用是为半导体硅提供了多数载流子空穴，而电子却是少数载流子。像硼原子这样的能在半导体中贡献空穴的杂质原子称受主。这种主要依靠受主能级使满带中产生空穴来导电的半导体称为空穴型或p型半导体，如掺入硼原子的硅就称为p型硅。在室温热平衡状态下，半导体中导电电子浓度n和空穴浓度p的关系如下：其中，B对所有半导体几乎是个常数，B1039/cm6；Eg是半导体禁带宽度；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；对本征半导体，m=p=ni，ni为本征载流子浓度。在n型

15、半导体中，施主浓度Ndni，则在p型半导体中，受主浓度Nani，则可见，n型半导体中电子是多子，空穴是少子；p型半导体中则相反。掺入杂质的p型和n型半导体本身都是电中性的，但是在吸收光子以后，由于基体材料(如硅等)中的原子激发而形成电子-空穴对和杂质产生多数载流子，从而使半导体的电导率大为增加。如在室温下，纯净硅的ni1010 /cm3，若掺杂磷原子的浓度Nd=n=1015/cm3，则p=105/cm3。而金属的ni1022/cm3，显然纯净硅的导电性很差，掺杂后的n型硅的导电性大为增强。需要指出的是，当掺杂半导体的温度很高时，不论是p型还是n型，由于施主和受主能级都居于禁带中央，掺杂半导体都

16、会变为本征半导体。四、p-n结在n型半导体内，电子很多，空穴很少；而在p型半导体内，空穴很多，电子很少。当n型和p型半导体接触时，在交界面两侧，电子和空穴的浓度不相等，使空穴由浓度大的p 型区向浓度小的n型区扩散，同样，电子由浓度大的n型区向浓度小的p型区扩散。这就是多数载流子的扩散运动。在未扩散以前，n型区和p型区都是电中性的。如上所述，多数载流子的扩散使交界面处p型区一侧出现负电荷(电子)积累，n型区一侧出现正电荷(空穴)积累，形成一层电偶极层，这就是p-n结，其厚度约为0.1um量级。这样就在p-n结内产生一个由n型区指向p型区的电场，称为内建电场。内建电场的存在，形成一个从p-n结的n

17、型区一侧指向p型区一侧的电势差，叫做势垒，也称为接触电位差。势垒产生对电荷的作用力。电场的方向与正电荷的受力方向相同，而与负电荷的受力方向相反。因此，势垒起阻止p型区的空穴继续向n型区扩散，甚至被推回p型区的作用；同样，势垒阻止n型区的电子向p型区继续扩散，甚至被拉回n型区。总之，内建电场的建立阻碍了多数载流子的扩散运动。另一方面，当p型区中的电子和n型区中的空穴移动到势垒区附近时，在内建电场的作用下却能向n型区和p型区移动。这种p-n结内与多数载流子扩散运动方向相反的少数载流子的运动叫漂移运动。漂移运动最后与扩散运动趋于平衡，p-n结内空间电荷区的厚度不再增加。如果环境条件不改变，这个平衡状

18、态不会被破坏。空间电荷区的厚度与半导体中的掺杂浓度有关。五、太阳能电池的工作原理下图是用p型和n型半导体材料制成的太阳能电池的示意图。在光照下，太阳能电池的n型区和p型区中原子的价电子受到激发，产生一对对光生电子-空穴对，也称为光生载流子。这样形成的电子-空穴对进行热运动，在各个方向上(包括向p-n结)迁移。如前所述，由于p-n结中势垒的存在，就可以把迁移到p-n结附近的电子-空穴对分开。p型区内的少数载流子电子被驱向n型区，而n型区内的空穴被驱向p型区，形成与扩散电流相反的漂移电流。结果在n型区一侧有过剩的电子积累，而在p型区有过剩的空穴积累，则在少n结两端形成与内建电场方向相反的光生电场。

19、这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n型层带负电，在n型区和p型区之间产生光生电动势，如下图所示。第3节 太阳能电池的基本特性一、太阳能电池等效电路太阳能电池的等效电路如下图所示，其中开关元件左侧是p-n型电池的等效电路，右侧是外部负载的等效电路。光照情况下的太阳能电池可以等效为一个理想电流源、一个理想二极管、旁路电阻Rsh和串联电阻RR的组合。恒定的入射辐射使太阳能电池内部形成稳定的从n型区到p型区的反向光生电流Isc，它是由n型区、空间电荷区和p型区中光生载流子的移动和漂移而产生的。光生电流在p型区和n型区两端造成一光生电动势。光生电动势的电场方向与p-n结的内建电场方向

20、相反，当电池两级与外部负载接通时，就会输出直流电能。理想二极管代表p-n结。光生电动势的存在相当于在少n结两边加了一个正偏压电源(电源正极与p型区连接，负极与n型区连接)，打破了p-n结内扩散与漂移两个相反过程的平衡，从而推动p-n结交界面上多数载流子空穴和电子进行稳定持续的扩散。二极管中的电流ID就是由于这种扩散而形成的正向电流，亦称暗电流。在没有光辐射的情况下，太阳能电池就是一个普通的半导体二极管。太阳能电池的电阻包括等效串联电阻RR和等效并联电阻Rsh。RR代表p型区和n型区半导体材料的体电阻、p-n结扩散层的薄层电阻、电池电极的欧姆接触电阻等。理想情况下，RR=0；实际的高质量太阳能电

21、池其阻值很小，一般小于1。Rsh是考虑到p型区和n型区中载流子的产生与复合、p-n结载流子泄漏以及电池边缘载流子泄漏等产生的电流损失而增加的一个电阻，一般它的阻值是几千欧。串联电阻会降低工作电压，电流越大，工作电压下降得越多。好的单晶硅电池在任何情况下都没有分流或分流很小(Rsh阻值足够大)；但是多晶硅和非晶硅电池，并联电阻的影响就很明显。当流过负载RL的电流为IL，负载的端电压为V时，从等效电路可知二、伏安特性和转换效率为了分析太阳能电池的工作特性，需要了解p-n结的伏安特性。下图表示了没有光照和有光照两种情况下简化的p-n结典型的电压(V)和电流(I)曲线，其中上图中的上方曲线表示没有光照

22、时正偏压下(正向)的暗特性，下方曲线表示有光照时正向的明特性。没有光照时太阳能电池的p-n结就是一个普通的二极管。在p-n结两端加上正偏压，使p-n结的自建电场削弱，就产生从p型区到n型区的正向电流。但是，当正偏压较小时，外部电场不足以克服势垒对多数载流子扩散的阻挡作用，正向电流仍然很小。只有当正偏压增加到一定的值(称死区电压)时，p-n结中的正向扩散电流才能大大超过反向漂移电流，使正向电流迅速增加。此时，p-n结很窄，载流子的扩散、复合电阻很小，电流增加的变化率很大。在有光照的情况下，光电流的特性叠加到暗特性曲线上，由于光电流方向与正向电流相反，故明特性光伏曲线下移，如图所示。在明特性曲线中

23、，Voc是未接负载时的开路电压，即是开路状态下的光电压。对应开路电压的负载电流等于0，此时若忽略并联电阻Rsh中的电流，则光生电流与暗电流大小相等，即IL=ID。明特性曲线上的Isc是电池p型区和n型区两端电极短路时的短路电流，其对应的端电压为0。短路时，暗电流为0，短路电流就是光生电流，其大小与照射到电池上的光通量成正比，还与电池设计有关。具有理想p-n结的太阳能电池的输出电流是短路电流和暗电流的代数和，其I-V曲线由下式确定：式中，V为电压，V；e为基本电荷，1.610-19C；k为玻尔兹曼常数，1.3810-23J/K；T为温度，K；I0为无光照时的反向饱和电流，A；Isc为短路电流，A

24、。对反向饱和电流I0作简单说明如下：在无光照情况下，如果在p-n型电池两端加反偏压(电源正极接n型区，负极接p型区)，一方面外加电场方向与内建电场方向一致，使p-n结两边多子的扩散阻力更大，另一方面也使p型区和n型区里扩散到p-n结附近的为数不多的少子向对方的漂移更趋容易。少子的漂移形成反向电流，随反偏压的增加而缓慢增大。因为p型区和n型区中没有光照激发产生的载流子，当反偏压足够大时，反向电流将达到饱和，称为反向饱和电流。一般硅p-n结的I0很小，只有几微安到几十微安。将前图上图第四象限的明特性曲线向上翻转180，得到图的下图。图中的曲线是负载从零变到无穷大时，太阳能电池的负载特性曲线。曲线上

25、的任一点都称为工作点。工作点(Vmp，Imp)界定的矩形面积Pmp=ImpVmp是电池在该工作点的输出功率。使Pmp达到最大值Pm的工作点(Vm，Im)称为最佳工作点，与其对应的Pm、Vm、Im及负载Rm分别是最大输出功率、最佳工作电压、最佳工作电流和最佳负载电阻。从下图可见，负载特性曲线不会超过开路电压Voc和短路电流Isc界定的矩形范围，即太阳能电池输出功率的极限值不会超过矩形面积VocIsc。这就意味着太阳能电池的输出特性曲线越充满该矩形越好。因此，常用填充因子的大小来评价太阳能电池输出特性的优劣。填充因子定义为最大输出功率与VocIsc的比值，即太阳能电池最重要的性能指标之一是光电转换

26、效率或简称为效率。效率的定义是太阳能电池的最大输出电功率与输入光功率之比，即其中，IgT是太阳能电池单位表面积上的入射太阳总辐射，W/m2；A为太阳能电池的上表面积，m2。 由上式可以得到上图指出了开路电压Voc、短路电流Isc和太阳能电池表面的入射太阳辐射的关系。短路电流随辐射强度线性变化，即其中，m为比例常数，Am2/W；IgT为总辐射，W/m2。开路电压随入射太阳辐射强度呈对数变化，用Isc代替IgT，可以得到其中，Eg为禁带宽度，J；e为基本电荷，1.610-19C；k为玻尔兹曼常数，1.3810-23J/K；T为太阳能电池的温度，K；Iso为和材料有关的特性电流。开路电压受到禁带宽度

27、Eg、温度和特征值Iso的影响，该值依赖于半导体的特性。将上面两式代入前式，可以得到上式表明，太阳能电池的效率和太阳辐射呈对数关系。其定性变化与前图中Voc的变化相同。效率先是快速增加，在辐射达到某个阈值时，效率增加变得非常缓慢。上式也说明，太阳能电池应在尽可能低的温度下运行，以提高效率。太阳能电池的效率还依赖于半导体的禁带宽度Eg，它代表所吸收的光子的能量。太阳辐射的光谱分布很广，如下图所示。图中AM的含义是大气质量；AM0表示大气层外的太阳辐射，未受到大气层的反射和吸收；AM1表示垂直于地表面的太阳辐射。禁带宽度很小的半导体可以吸收大部分的太阳辐射，从而形成很大的光电流。例如，硅的禁带宽度

28、为1.1eV，从图可以看出，硅能吸收绝大部分的太阳辐射。禁带宽度小，一方面由于吸收了大量的太阳辐射，形成大量的电子-空穴对，从而增加了短路电流，有利于提高太阳能电池的效率；但是另一方面，开路电压Voc会降低，又导致电池效率的降低。对于禁带宽度非常小的材料，开路电压低是导致电池效率低的原因；而对于禁带宽度很大的材料，低的效率是由于只吸收了有限的太阳辐射。可以期望某个适当的禁带宽度能导致最大的电池效率。三、影响太阳能电池转换效率的因素由式可知，提高太阳能电池转换效率的基本方向是综合提高开路电压、短路电流和填充因子。这三个参数不是独立的，而是相互关联、相互制约，受到多种因素的影响。影响这些参数的因素

29、主要有三类：太阳能电池半导体材料的性质，包括基体材料性质和掺杂特性。材料性质影响到对光辐射的吸收和反射，禁带宽度，载流子的产生、扩散与复合等光电转换中的基本微观物理过程。太阳能电池的制造工艺。制造工艺是否精良直接关系到电池的等效串联电阻和等效并联电阻。太阳能电池的工作条件，如温度。这里仅介绍以下几种影响转换效率的因素。1、光损耗光损耗来自三个方面。一是入射光在太阳能电池表面受到反射。不同材料的表面对太阳光的反射系数不一样。硅的反射率很高，如果不采取减反射措施，约等于30。但只要在硅片上蒸镀一层Ti2O或其他减反射膜，在可见光谱范围内，反射系数可以减至6。另一方面，能量小于Eg的光子的能量不能转

30、化为电能，而是变为热能损耗掉。再加上能量大于Eg的那部分光子，产生光生载流子以后，还可能有多余的能量，也变成热量损耗掉。另外，光谱中长波一侧的一小部分辐射能量能够穿透电池片而到达背电极，也损失掉了。这些统称为量子损失，它依赖于材料的禁带宽度。 这里引入光谱因子的概念。所渭光谱因子，就是受入射光子激发而产生的光生载流子获得的能量与入射总光强度的比，表示如下：其中，g为截止波长，m；Ii为入射光强度，W/m2；c为光速，m/s。2、复合损失半导体吸收光辐射会产生电子-空穴对，打破了原有的载流子浓度的平衡。像一切自然过程一样，随着旧的平衡被破坏，恢复新的平衡状态的趋势也就同时产生了。这种恢复过程叫做

31、复合，是产生电子-空穴对的逆过程，即电子从导带返回价带，使受光子激发生成的电子和空穴湮灭。半导体电池在接受光照工作时，其内部可能同时存在三种机制的载流子复合：直接复合、通过复合中心的复合和表面复合。载流子的复合导致被吸收能量的损失。(1)直接复合。在半导体的p型区，空穴是多子，电子是少子；在n型区，电子是多子，空穴是少子。在光生电场和热运动的作用下，有一部分电子少子和空穴少子分别向p型方向和n型方向作扩散运动，在半导体内部形成一股从太阳能电池的正极指向负极的电流。当一个少子在扩散中遇到一个多子(空穴或电子)时，就发生直接复合，电子从导带回归满带，实现了电子-空穴对的湮灭，同时释放出从辐射光获得

32、的等于禁带宽度的能量Eg，从而造成光电转换的能量损失。在统计意义上，载流子从生成地点运动到复合地点这段距离的平均值称为扩散长度，它是太阳能电池性能的一个重要参数。空间技术中用的硅电池的扩散长度大约为160um。与p-n结距离超过扩散长度的载流子，在未到达p-n结以前，就能被直接复合掉。(2)中心复合。在内建电场力的作用下，从p型区和n型区运动到与p-n结边界的距离在扩散长度以内的多子被吸入势垒区；在这个区域范围内产生的少子被扫入势垒区；在势垒区里也有电子-空穴对生成。势垒区内电子的能级属于禁带能级，此处电子与空穴的复合属于复合中心的复合，复合使电子释放出能量。这种中心复合也产生一股从太阳能电池

33、的正极指向负极的电流。前面提到的太阳能电池的暗电流就是由直接复合和中心复合共同产生的。(3)表面复合。由于电池的表面结构异常复杂，如存在晶格中断、畸变、缺陷、杂质等原因，形成了大量的表面复合中心。光的辐照首先在电池表面层激发产生电子-空穴对，其中一部分少子还来不及向晶体内部扩散就被表面复合中心复合了，导致少子即能量的损失。上述复合过程使光辐射产生的过剩载流子不能全部被收集到太阳能电池的输出电极上，使能形成负载电流的载流子只占全部光生载流子的一定比例，这就是所谓的收集效率。收集效率与很多因素有关，如p-n结宽度、过剩载流子的扩散长度、光波在半导体中的吸收系数以及表面复合速度等。从宏观角度看，太阳

34、能电池中少子的复合减小了短路电流Isc和开路电压Voc，从而使转换效率降低。电池晶体内因复合而产生的暗电流使输出电流减小。因此改善电池表面质量、减小暗电流是提高太阳能电池效率的重要方面。3、电压因子损失在理论上，开路电压Voc应等于p-n结的势垒Vj=Eg/e，其中Eg是禁带宽度，e是基本电荷。但是实际上，由于电池的p-n结等处存在电流泄漏(等效并联电阻Rsh)，使开路电压降低，从而造成效率损失。常用电压损失因子来表示这种损失：如硅光电池的Eg为1.12eV，而开路电压只有0.450.61V，理想电池的开路电压为0.82V。这项损失就达到40%50%。为了减少电压因子损失，就必须使p-n结的漏

35、电流减至最小。4、串联电阻上的损失太阳能电池串联电阻的存在直接影响输出电压，亦即填充因子的大小。在运行条件下，太阳能电池的填充因子永远不可能达到1。对于理想电池，填充因子为0.8，由于串联电阻的存在，填充因子为0.70.75。由于这些原因，太阳能电池的效率远小于下图所示的值。电池的转换效率可以表示为电压因子、填充因子和光谱因子的乘积，即该转换效率称为极限转换效率或理想转换效率。不同半导体材料的极限转换效率如下图所示。第4节 几种典型的太阳能电池一、晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池是典型的p-n结型太阳电池，它的研究最早、应用最广。晶体硅太阳能电池又可以分为单晶硅电池、铸造多晶硅电池和带状多晶硅

36、电池。目前开发最多的是典型的单晶硅太阳能电池。这种电池的效率为12%14%，在实验室能达到20%。电池厚度为0.20.3mm。传统的制造硅太阳能电池的工艺过程，主要包括生长单晶、切片、掺杂、形成p-n结和电极、装配等几个独立的步骤。首先要用石英砂生产工业硅。工业硅经过提纯生长成单晶，通常采用Czochralski方法。该过程中，将一个单晶粒放入盛有含一定量杂质的熔融态硅的坩埚中。晶粒会慢慢旋转、移动，使熔融的硅在离开液面时固化和生长。硅的转化过程、熔融过程及单晶粒的制备过程都是高耗能的，是太阳能电池生产中高成本的一步(硅的熔点为1415)。对于地面应用来说，人们考虑更多的是太阳能电池的成本而不

37、是效率。因此，全世界都在努力降低生产硅晶体和晶片所需的能耗、时间和成本。非晶硅也很重要。非晶硅的禁带宽度为1.6eV，非常接近最优值1.5eV。其吸收系数比单晶硅高12个数量级。因此可以采用非常薄的大约1um厚的膜。和多晶硅相比，非晶硅的晶体结构很不规则。这也是早期认为非晶硅不能用来生产太阳能电池的原因。现在已经知道，通过渗入氢，可以弥补大部分的晶体缺陷，同时氢又相当于硅中的杂质。由于制造工艺简单，非晶硅受到了科学家和制造商的极大关注。二、薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池的厚度一般只有110um，制备在玻璃等相对廉价的衬底支撑材料上，可以实现低成本、大面积的工业化生产。根据薄膜材料的不同，主要的薄

38、膜包括砷化镓薄膜太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池、铜铟硒薄膜太阳电池及碲化镉太阳能电池等。1、砷化镓薄膜太阳能电池砷化镓(GaAs)是硅材料之外的另一种重要的半导体材料，其禁带宽度为1.43eV，太阳能光电转换理论效率相对较高；但是相对于硅太阳电池，GaAs薄膜太阳电池的生产设备复杂，能耗大，生产周期长，生产成本高。一般而言，GaAs薄膜太阳电池的制备采用液相外延(LPE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等生长技术，在GaAs单晶衬底上，生长n型和p型GaAs薄膜，构成单结、双结和多结薄膜太阳电池结构。2、非晶硅薄膜太阳电池非晶硅薄膜太阳电池与晶体硅太阳电池相比，具有重量

39、轻、工艺简单、成本低和耗能少的特点。非晶硅太阳电池结构不同于晶体硅中的简单的p-n结结构，而是pin结构，即在p层与n层之间加入较厚的本征层i。非晶硅薄膜太阳电池结构分为单结和多结叠层。对于单结电池，基本是在玻璃、不锈钢、陶瓷和塑料等衬底上，制备pin结构的非晶硅层。这种太阳能电池是异质结电池，因为包含两种能带结构不同的材料。异质结是不同禁带宽度p-n结的组合，禁带宽度大的半导体通常面对入射光。这种情况下辐射的吸收主要是在第二种材料的上表面。和普通p-n结电池相比，异质结电池也具有很宽的光谱敏感性。该电池的有效禁带宽度大约是1.1eV。单个电池的最大效率约为8%，串联电池组的最大效率大约为3%

40、6%。三、几种特殊的太阳能电池因为太阳能电池的成本很高，所以用更高的太阳辐射照射太阳能电池一直是深入研究的一个问题。像在集热器中那样，采用聚光器，如组合平面镜或者聚焦透镜，可以得到更高的太阳辐射。使用聚光器的电池要有太阳跟踪设备。但是，采用高辐射会导致一些特殊问题，如增加等效电路的串联电阻。对于典型的硅太阳能电池，在正常太阳辐射条件下，串联电阻大约为0.1，对应的功率损失大约为4%。如果辐射增强100倍，那么功率损失达到90%，因为功率损失和电流的平方成正比。因此，聚光的太阳能电池必须经过特殊的掺杂，采用特殊的金属电极，以减少由于表面电阻造成的损失。聚光的另一个问题是太阳能电池的效率随温度升高而下降，如下图所示。一种改进措施是采取混合收集器，利用循环水来冷却收集器，就像在太阳能集热器中那样。这种混合型收集器对于效率在100左右开始下降的半导体材料(如砷化镓)是非常可行的。冷却水可以用作采暖热水，或者作其他低温利用。第5节 太阳能光伏系统一、太阳能电池的连接太阳能电池是太阳能光伏系统的基本单位，单个的太阳能电池的功率一般只有1