太阳能电池原理及结构

1、2太阳能电池原理及结构 2.1太阳能电池基本原理如图2.1所示为典型太阳能电池的简单示意图。该电池受光面为高浓度掺杂的狭窄N区。耗尽层(宽度W)一直延伸到P区，并在耗尽层形成一内建电场E0。把连接N区的电极做成栅形或指形以提高光的吸收率和减小电池的表面电阻，在电池表面镀一层减反射膜以提高太阳光的利用率。当光照射在电池上时，由于N区(宽度Ln)比较狭窄，能量大于禁带宽度Eg的大部分光子在耗尽层和P区(宽度Lp)被吸收，产生光生电子一空穴对 (EHPs)。在耗尽层的光生EHPs立即被内建电场所分离，电子漂移到达N区形成负极性区域，同时空穴漂移到达P区形成正极性区域，于是通过接线在PN结两端形成了开

2、路电压Voc。如果连接了负载，那么N区的大量电子经过外电路工作，然后到达P区与大量空穴复合。其中，内建电场对分离光生EHPs，在N区积累大量电子，在P区积累大量空穴起了关键作用6-10。因为没有电场的缘故，在P区被吸收的长波长光子激发的EHPs只能扩散到一定的区域。则电子的平均扩散长度Le可由( 2.1)表示，其中De为电子在P区的扩散系数。 （2.1）离耗尽层的距离在Le范围内的那些电子能扩散到内建电场，并在内建电场的作用下漂移到N区，因此在P区产生的光生EHPs中，只有那些离耗尽层距离在Le范围内的的少数图2.1 太阳能电池工作原理载流子(电子)才对光伏效应起作用。一旦电子被扩散到耗尽区域

3、，它将被Eo扫到N区，增加该区的负电荷，空穴留在P区增加该区的正电荷。而那些离耗尽层的长度大于Le的光生EHPs都被复合损失掉了。正因为此，少数载流子的扩散长度Le要尽可能的长，又由于在半导体硅中电子的扩散长度要比空穴长，所以这里选择了以P区产生的电子为少数载流子的硅PN结。同样，在N区由短波长光子激发产生的EHPS中只有那些离耗尽层距离小于扩散长度Lh的少数载流子(空穴)能到达耗尽层并被内建电场分离到P区。因此，对光伏效应起作用的EHPs的产生发生在这样一个区域: Lh+W十Le。如图2.2所示，在N区大量的电子通过外电路流到P区与空穴中和，这种由光生载流子的流动产生的电流叫光电流Iph。要

4、注意的是，在PN两端形成光生电动势后，相当于在PN结两端加上了正向电压V，具有普通PN结的二极管特性，正向电流为Id，因此通过电池的总电流： （2.2）图2.2 光电流产生区域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，他们应该满足以下三个条件：（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a，即要求入射光子的能量hv大于或等于半导体材料的禁带宽度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。（2）图2.3为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(l/a)只有1um左右，即几乎全部吸收入射光。所以这两种电池都可以做成

5、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100-300um)才能充分吸收;对于短波长的光，只在入射表面附近1um区域内就己充分吸收了。（3）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区积累了非平衡空穴，而在N区积累了非平衡电子。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)。 图2.3 不同半导体材料的吸收系数与入射波长的关系2.2太阳能电池基本结构典型的太阳能电池的结构如图2.4所示。硅的PN接合处，被夹在上、下两个金属接触层之间。上金属接触层是

6、栅格状的，以容许光线射到PN接合之上。PN接合的顶部有一层防反射薄层，以减少从光亮的硅表面反射出来的光线。这就是太阳能板的表面看起来很暗淡的原因11-15。 图2.4 太阳能电池结构图2.3太阳能电池主要特性太阳能电池的特性可大致分为:光伏器件特性，如光谱特性、照度特性;半导体器件特性，特性曲线如输出特性、温度特性、二极管特性等。太阳能电池的输出特性通常是指伏安(包括开路电压、短路电流、填充因子)。以下就太阳能电池的光谱响应特性、温度特性及主要参数作简单介绍。2.3.1光谱响应特性光谱响应表示不同波长的光子产生电子一空穴对的能力。也就是说，在阳光照射激发作用下，太阳能电池所收集到的光生电流与到

7、电池表面上的入射波长有着直接的关系。光谱特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳能电池，测量此时的短路电流Isc。;然后依次改变单色光的波长，再重新测量电流。光谱响应曲线有时候称为量子效率(外量子效率)曲线，也可以用收集效率(内量子效率)曲线来表示。二者并不一致，一般来说，量子效率(外量子效率)是指入射多少光子数产生多少电子的比率，即入射到电池上的每个光子产生的电子一空穴对或少数载流子的数目;而收集效率(内量子效率)是指吸收多少光子产生多少电子的比率，即在电池中被吸收的每个光子产生的电子空穴对或少数载流子的数目。能量转换效率是输入多少的光能够产生多少电能的比率数。由于入射的光子不一定都被吸收，产

8、生的电子不一定都产生电能，因此一般而言，内量子效率最高，而能量转换效率最低，但它们都是可以测量或计算的。在太阳能电池中，只有那些能量大于其材料禁带宽度的光子才能在被吸收时产生电子一空穴对，而那些能量小于禁带宽度的光子即使被吸收也不能产生电子一空穴对(它们只是使材料变热)。这就是说，材料对光的吸收存在一个截止频率(长波限)。并且当禁带宽度增加时，被材料吸收的总太阳能就越来越少。对太阳辐射光线来说，能得到最好工作性能的半导体材料，其截止波长应在0.8um以上，包括从红色到紫色全部可见光。每种太阳能电池对太阳光线都有其自己的光谱响应曲线，它表示电池对不同波长的光的灵敏度(光电转换能力)。太阳能电池的

9、光谱响应特性在很大程度上依赖于太阳能电池的设计、结构、材料的特性、结的深度和光学涂层。使用滤光膜和玻璃盖片可以进一步改善光谱响应。太阳能电池的光谱响应随着温度和辐照度损失而变化。2.3.2温度特性太阳能电池的开路电压Voc。随着温度的上升而下降，大体上温度每上升1，电压下降2-2.3mV;短路电流Isc。则随着温度的上升而微微地上升;电池的输出功率P则随着温度的上升而下降，每升高1，约损失0.35%0.45%。温度对太阳能电池的影响:载流子的扩散系数随温度的增高而增大，所以少数载流子的扩散长度也随着温度的升高稍有增大，因此，光生电流也随着温度的升高有所提高。但是I随温度的升高指数增大，而Voc

10、随温度的升高急剧下降。当温度升高时，I-U曲线形状改变，填充因子下降，故转换效率随温度的增加而降低。效率随着照度的上升而上升，因此可以通过提高电池单位面积上的照度来提高电池效率，即使用聚光技术。效率又随着温度的上升而下降，即太阳能电池转换率具有负的温度系数。所以在应用时，如果使用聚光器，则聚光器的聚光倍数不能过大，以免造成结温过高使电池转换率下降甚至损害电池，此外，在聚光电池系统中应加有相应的电池冷却装置。2.4影响太阳能电池转换效率的因素前面所叙述的太阳能电池转换效率的理论值都是在理想状况下得到的。而太阳能电池在光电转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比理论极限效率要低。以PN结

11、硅电池为例，下面我们来分析影响太阳能电池转换效率的主要因素。（1）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。反射损失就是从空气(或真空)入射到半导体材料的光的反射。以硅为例，在工作范围内的太阳能光谱中，超过30%的光能被裸露的硅表面反射掉了，因而硅电池表面一般会涂上减反射膜SiN。栅指电极遮光损失就是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。对一般电池来说，c约为415%。透射损失就是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。（2）光

12、生载流子的收集效率由于材料的缺陷等原因，所产生的电子及空穴等载流子发生再结合作用，使部分载流子消失掉。光照射PN结激发出来的电子一空穴对不一定会全部被PN结的自建电场所分离。我们把受激产生的电子一空穴对数目与被PN结势垒所分离的电子一空穴对数目之比叫做收集效率。半导体中电场产生的偏移效应和电荷浓度梯度产生的扩散效应导致电子-空穴的移动。过剩载流子是超过热平衡状态存在的载流子，通常在某个时间常数下，具有返回平衡状态的倾向。人们把这个时间常数叫做过剩载流子寿命。因此，在电子一空穴对从产生的地方分别向PN两层移动所需要的时间比过剩载流子寿命还要长的情况下，电荷将不会被PN结势垒所分离，对光生电压的产

13、生没有贡献。这样，收集效率就由过剩载流子的寿命和PN结的位置来决定。（3）影响开路电压的实际因素决定开路电压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，也就越低。体复合和表面复合都很重要。在衬底中，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。总复合率主要取决于三种复合中复合率最大的一个。对于高质量的单晶硅，当掺杂浓度高于时，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，也会降低值。（4）辐射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，产生缺陷，使电池输出功率下降，影响其使用寿命。（5）电极接触不良或设计不合

14、理使串联电阻增加，不能有效地收集载流子。2.5提高太阳能电池转换效率的各种技术针对2.3.3节分析的影响太阳能电池转换效率的因素，研究总结了相应的几种提高其转换效率的方法，见表2.1。表2.1 太阳能损失原因及防止技术（1）减少反射损失技术为了减少太阳光的反射损失，一般采用下面两种技术:采用减反射膜。常用减反射膜有含氧量为1-2的硅氧化物()与钦氧化物()等。单独采用一层反射膜效果不好，为此，大多采用二层减反射膜，如由TiO2和MgF2所组成的减反射膜或由和SiO2所组成的减反射膜等。经减反射处理过的太阳膜或由和SiO2所组成的减反射膜等。经减反射处理过的太阳能电池表面，有很好的减反射效果。采

15、用凹凸结构。如表面用腐蚀等方法处理成具有很多金字塔型的绒面状结构或具有倒金字塔型的沟槽结构，或具有V型的沟槽结构。把太阳表面处理成凹凸结构时的光的入射路径示于图2.11。由该图可见，各种方向入射的太阳光经过多次反射后都能进入到太阳能电池中去，从而增加入射的太阳光量。采用这种结构，其光反射损失有的甚至可减到5%左右。未经过处理的光滑硅表面，反射率一般高达30%左右。（2）减少载流子损失技术减少载流子损失，主要是防止载流子的再结合损失。通常采用以下三种方法:加一层钝化层;控制杂质浓度;在底层上加一个背面电场。加有钝化层、杂质控制层、背面电场的高效太阳能电池的结构中钝化层可以使电池表面的缺陷结构钝化

16、，从而减少载流子的再结合中心。电池底层上采用高浓度掺杂法形成一背面电场，可加速载流子的输运过程，减少载流子的再结合。背面电场电池指在基区底部即电池背面附近，具有基体杂质浓度梯度的太阳能电池。杂质浓度梯度可以通过蒸铝烧结或硼扩散的方法建立。目前高效率电池一般都具有背面电场。图2.5 太阳能电池的结构以及减反射原理（3）减少光透射损失在太阳能电池中，波长较长的入射光一般都能透射到电池的深层底电极，要充分利用这种长波长的光，最好在底电极处再加一层反射率高的金属层。用ITO作底电极上的反射层，效果很好。过去常规电池使用的铝电极是用ITO胶烧结法制成的。这时可形成铝的扩散层，这种铝扩散对提高太阳能电池转

17、换效率很有利，在保留原铝扩散层的条件下去掉合金层，换成ITO电极层，结果它不仅能起电极作用，还能起反射层的作用，使转换效率在原来的基础上又提高了0.2%。（4）减少串联电阻损失合理设计和精细制作电极是减少电池内部电阻、提高太阳能电池转换效率的另一个有效途径。一般认为电池表面所占的面积越小，太阳光利用率越高。但电极的表面积越小，电极内部的电阻越大，使电池的转换效率反而降低。过去认为电池表面的电流密度是均匀的，所以单纯从电阻与转换效率的关系中优化电极形状，没有考虑到太阳能电池表面的电流密度大小与电极形状之间的关系。夏普公司采用计算机模拟方法求出了电极表面上的电流密度分布，发现电池表面各处的电流密度

18、分布是不均匀的。为此根据其电流密度分布，设计了有利于收集载流子的电极形状，并采用激光加工技术，使电极面积细微化，既增加入射光面积，又提高载流子收集效率，并使电池转换效率在原有的基础上进一步提高。（5）多层结构太阳能电池把多个具有不同光谱灵敏度特性的太阳能电池堆集起来所组成的太阳能电池叫作多层结构太阳能电池。这种太阳能电池，把禁带宽度宽的材料所制成的太阳能电池放在入射光的一侧，先让它吸收短波长的光，然后再制成用禁带宽度较窄的材料所组成的太阳能电池，让它吸收由前半部透射出来的长波长的光，这样可以充分地利用入射太阳光，提高其转换效率。多层结构太阳能电池能更有效地利用各种波长的太阳光，从而提高电池转换效率。目前面积为0.25cm2的三层结构无定形硅太阳能电池效率已达到13%，面积为100 cm2的电池效率已达到10.1%。多层结构太阳能电池，除了上述的无定形硅太阳能电池以外，还有由单晶硅和无定形硅或由单晶硅和砷化稼太阳能电池所组成的多层结构太