影响太阳电池光电转换效率的因素和提高转换效率的主要措施

1、太阳能电池的基础与工艺课程期中考核论文题目：影响太阳电池光电转换效率的因素及提高太阳电池效率的主要措施 光牛电压学院：电子与电气工程学院班级：电子091班学号：0903741025姓名：易磊华影响太阳电池光电转换效率的因素及提高太阳电池效率的主要措施随着化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度不断提高， 寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切。最新的资料表明，太阳光的充分 利用，包括光热及阳光发电，是最清洁、环保，取之不尽用之不竭的可再生 能源。由研究、开发，直到建立规模化生产，光伏行业已经打造成为现今有声 势的可再生能源领域。当前太阳电池产业一直保持20 %30 %的年增长率， 并且已

2、在2010年全球整体年产量达到了 10 GW。预计到2 02 5年，光伏能 源占总能源的比例为22%。可以预期，到21世纪中叶，光伏能源占到整个 能源体系的34%的时候，人类生产、生活用电的三分之一将取自光伏发电。然而，要想使太阳电池成为能源市场的主力之一，必须使太阳电池的制 造成本和系统应用成本降低到可与现有能源可比拟的程度，世人才愿意使用， 从而达到替代的目的。因此“提高太阳电池和系统的效率，同时降低光伏系 统的制造成本”是光伏界的终极目的，而效率是至关重要的因素。那么如何提高太阳能电池的光电转换效率呢？首先我们需要知道太阳 电池的工作原理。光伏发电的基础是光生伏特效应，它是指当某种结构的

3、半 导体器件受到光照射时将产生直流电压（或电流），当光停止照射后电压（或 电流）则立即消失的现象。这个半导体器件的结构大体上就是一个大面积的 平面的p-n结。在光照射下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体 中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子- 空穴对，也称光生载流子。这样形成的电子-空穴对由于热运动，向各个方 向迁移。光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离， 光生电子被推进n区，光生空穴被推进p区。在空间电荷区边界处总的载 流子浓度近似为0。在n区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向p-n结 边界扩散，一旦到达p-n结边界，便立即受到内建电

4、场的作用，在电场力 作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入p区，而光生电子（多数载流子） 则被留在n区。p区中的光生电子也会向 p-n 结边界扩散，并在到达 P-n 结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运 动，进入n区，而光生空穴（多数载流子）则被留在p区。因此在p-n结 两侧形成了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。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，因 此产生了光生电动势。如图（1）所示。图（1）图（2）、影响太阳能电池光电转换效率的因素知道了太阳电池的工作原理，下面我们来讨论究竟是什么因素影响了太 阳 电 池 的光 电

5、 转换 效 率 。我 们知 道 ，太 阳电 池 的工 作 过程 大致 可 以 有 四个 部 分 ，即 ：1 、照 射到 电 池 表 面 的 光 子（能 量 大 于 半导 体 的 禁带 宽度 ）被 吸收 ， 产 生 电 子空 穴 对；2、电 子 空 穴对 被 内建 电 场 分 离 ，在 PN 结两 端 产 生 电势 ； 3. 将 PN 结 用导 线 连 接 ， 形成 电 流； 4、 在 太阳 电 池两 端连 接 负 载 ，实 现 了 将 光 能向 电 能的 转 换 。所 以 ，在 这 四 个 过 程 中 ，就 相应 的出 现 了 光 电转 换 效 率 的 影响 因 素，即 吸收 过 程中 的 光

6、学 损 失，光伏 转 换过 程的 光 激 发 电子 空 穴对的复合，电流输出过程的损耗等。下面我们逐一介绍。1、 光 学损 失 由于光照射到电池板上，在正反两面发生的反射、折射等现象，或者能 量 小 于 或大 于 半导 体 的 禁 带 宽 度 的 光 子未 被 吸收 ，以 及 电 极、栅 线 等的 阻 隔， 从 而 降 低了 电 池的 短 路 电 流 。仅 这 一 项 损失 就 使标 准 电池 的转 换 效 率 局限 至 44左右。光学损失的示意图如图（2）所示。2 、光 激发电 子空 穴对的 复合复合损失不仅影响电流收集 （短路电流）而且影响正向偏压注入电流 （开路电压）。 复合经常是按照它

7、在电池中发生的区域分类。如在表面的复合称为表面复合；电池内部 的复合称为体复合，体复合是电池的主要的复合；在耗尽区的复合被称为耗尽区复合。3 、 电流输出过程的损失太阳能电池的等效电路如图（ 3）所示。根据电路知识，太阳能电池等效为一个理想 电流源、 一个正向二极管、一个串联电阻和一个并联电阻。所以，在负载一定的条件 下，串联电阻越大，并联电阻越小，那么电流在输出的过程中的损耗就越大，即流经负 载上的电流就越小。这就是电流在传输过程中的损失Rs二、提高太阳电池效率的主要措施针对以上三种引起太阳电池转换效率下降的因素， 我们设计太阳电池的主要原则是:?尽可能的增加电池的光收集能力和被电池吸收的光

8、转变为载流子数量?尽力提高p-n结对光生载流子的收集能力?尽可能的减少正向偏压下暗电流?尽可能降低电流流出太阳电池时的电阻损失1、为了尽量减少光学损失，我们主要有以下措施：电池表面的上接触面积尽可能的小（尽管这可能会提高串联电阻）?光照面使用减反射膜?利用表面刻蚀减少反射?增加电池厚度提高光吸收（尽管由于载流子复合吸收的光不一定贡献电流）?表面刻蚀与陷光结构增加光在电池中的光路（1）选取禁带宽度合适的材料太阳光的光谱的利用范围是 0.81.6eV 。因此如果能够有一种材料，制成半导后的禁带宽度恰好在这个范围，那么红外线、紫外线和可见光都能被吸收。因此，发 明了多结太阳电池，即两个甚至是两个以上

9、不同禁带宽度的 pn 结叠加在一起，从而 更加有效地吸收太阳光。然而，这造成了成本的提高，在此不赘述。（2）陷光结构（ light trapping ）降低光学损失器件厚度的优化不能仅仅考虑光吸收。如果吸收的光不在 pn 结的扩散长度之内， 那么产生的光生载流子会因为复合而损失掉。对于吸收能力相同的电池，更薄的电池 的电压将会更高。 因此，典型的优化的电池具有陷光结构，此时光路长度将会是没有陷光结构的电池的 几倍。光路长度是指一个未被吸收的光子在它逃离器件之前在电池内走的距离 。光路 长度常常用器件厚度表示，例如一个没有陷光结构的电池可能有一个器件厚度的光路 长度， 而一个具有陷光结构的电池可

10、能有 50 个器件厚度的光路长度， 这暗示着光将在 电池内部来回好多次。陷光效果的取得：当入射光照射在一个有角度的表面时，入射 光传播的角度会发生变化 绒面结构不仅可以降低反射，而且可以使得光重复倾斜地在电池内传输，从而增加光 路长度。（ 3 ）背反射膜 Lambertian Rear Reflectors 背反射是为了将到达电池背表面即将要逃离出电池的光再反射到电池内部，增加吸收。原理图如图（ 4）所示iriTiirtg lightlight 旧兮禺 than tht critical single 齡!sc壶rroiTi ihft cellUqh in j cona 讪h Qpexangl

11、e equal to ths criticalangle is last -hghd is totally irtemaDyand trapped inside the =elrandom reflector or pearoF ceili2、减少电子一空穴对的复合采用具有合适性能的半导体材料（尤其是光生载流产寿命长的材料）可以将载流产 复合损失降至最低，也就是减少材料缺陷从而消除载流子复合通道。载流子寿命此时决 定于心池内部的辐射复合，它是光激发过程的逆过程。为了减少复合，我们希望：结末端的少子数量，越多越好；材料内的扩散长度；低的扩散长度意味着少子由于复合将很快从结末端消失，要使复合最小化

12、，取得高的电 压，需要高的扩散长度。扩散长度与材料类型、制备工艺过程和掺杂有关，高的掺杂降 低扩散长度。掺杂不能太高，也不能太低（同时影响电流和电压）；在一个扩散长度范围内的局域复合源，越少越好。因此，我们的措施是利用钝化技术减少表面缺陷可以有效降低表面复合。（电子工业常用的有二氧化硅层钝化层） 。商业化电池，一般采用氮化硅为钝化层（ silic on nitride ）或氧化硅。由于钝化层通常是绝缘的，因此在电池上任何有欧姆接触的地方（引 出电流的地方）不能采用钝化层，一般采用提高掺杂来降低前接触部分的表面复合。3、电极设计电极就是与P-N结两端形成紧密欧姆接触的导电材料。这样的材料应该满足

13、： 与硅可形成牢固的接触而且接触电阻小、导电性优良、遮挡面积小、收集效率高等要求。所示设计原则：让电池的输出最大，即电池的串联电阻尽可能小且电池的光照作用面积尽可能大。商品化电池生产中大量被采用的工艺是铝浆印刷。4、 减小串联电阻，增大并联电阻串联电阻主要是由硅片基体电阻、 扩散方块电阻、 栅线电阻、烧结后的接触电阻 等组成。因此提高硅片的质量，可以减小它决定的基体电阻；另外金属栅线要窄和厚， 即能减少对光的遮挡，又能保持低的电阻形成良好的 p-n 结，结深 0.5 微米左右；电极 形成好的欧姆接触等也可以减小串联电阻，从而增大负载上的功率。并联电阻是由边缘漏电、 体内杂质和微观缺陷、 PN 结局部短路等组成。边缘良好 的绝缘、材料缺陷少、形成良好的 p-n 结等可