光伏工程师必须掌握的电池理论基础(共7页)

1、光伏工程师必须(bx)掌握的电池理论基础 HYPERLINK /CAT-260018-dianchijishu.html o 光伏电池(dinch) t _blank 光伏电池(dinch)生产制造可以说是 HYPERLINK /CATList-2600-8400-solar.html o 光伏产业 t _blank 光伏产业链中最重要，也是技术含量最高的环节，熟悉掌握太阳能电池相关的理论基础，对进一步理解电池生产工艺及高效电池的研发都是很有必要的，为此笔者对 HYPERLINK / o 太阳能光伏 t _blank 太阳能光伏电池理论做了一些基础总结。 光学基础晶体硅的禁带宽度为Eg=1.1

2、2ev，其随温度而变化，但一般在1.11.3ev之间。由hv=hc/=Eg推出：=hc/Eg=1.24/1.12=1100nm（本征吸收的光波极限）由光生伏特效应可知：只有波长小于1100nm的才能在硅中激发出出电子空穴对，即产生光生伏特效应。而如下图所示，97%以上的太阳辐射能的波长位于2903000nm，可见光波长为380（紫色）780（红色）nm。故能产生光生伏特效应的光子占大部分的为可见光。太阳光谱中波长大于1.1m不能产生光生伏特效应，而是转变为热量，这部分占光能的25%；而当光子能量大于禁带宽度1.12ev时，只能激发产生一个电子空穴对，剩余的能量转化为热量，这部分损失的能量同样占

3、总光能的25%。所以用于转化为电能的能量只占太阳能总能量的50%。半导体材料的光吸收（包括热能和转换的电能等）当一束光照射在物体上时，一部分入射光线在物体表面反射或散射，一部分被物体吸收，另一部分可能透过物体。也就是说，光能的一部分可以被物体吸收。随着物体厚度的增加，光吸收也增加。如果(rgu)入射光的能量为I0，则在离表面距离x处，光的能量为I = I0 e-ax式中，a为物体的吸收系数，表示光在物体中传播1/a距离时，能量因吸收而衰减到原来(yunli)的1/e。半导体材料的吸收系数较大，一般在105cm-1以上，能够强烈的吸收光的能量。被吸收的光能将使材料中能量低的电子跃迁到较高的能级。

4、硅材料是间接能带材料，在可见光范围内，硅的光吸收(xshu)系数远低于其他太阳能光电材料，如吸收95%的太阳光，GaAs太阳电池只需要510m的厚度，而硅太阳电池则需要150m以上的厚度；因此在制备晶体硅太阳电池时，硅片的厚度在150200m以上，才能有效的吸收太阳能。直接带隙和间接带隙的区别主要体现在光的吸收系数，直接带隙半导体的吸收系数大于间接带隙，这样直接带隙的半导体可以做的更薄且能量损失也少。另外，根据电动力学理论，平面电磁波在物质中传播时，其电矢量和磁矢量都按指数规律 exp（-xc-1）衰减。将电矢量和磁矢量的exp（-xc-1）相乘积即得：（基本关系：T=/v， = 2/T ）称

5、为消光系数，半导体的消光系数与入射光的波长无关。由上可知，光波越短吸收系数越大，半导体对愈短波长的光吸收愈强，光强随距离的衰减越严重。对故短波长的光来说，其主要在半导体表面被吸收。所以说深结时，由短波长产生的电子空穴对在到达pn结之前严重复合，影响其光谱响应。光生电流的光学损失 HYPERLINK /CAT-260018-dianchijishu.html o 太阳能电池(dinch) t _blank 太阳能电池(dinch)的效率损失中，有三种是属于(shy)光学损失，其主要影响是降低了光生电流值。1、反射损失：从空气（或真空）垂直入射到半导体材料的光的反射。以硅为例，在感兴趣的太阳光谱中

6、，超过30%的光能被裸露的硅表面反射掉了。2、栅线电极遮光损失c：定义为栅线电极遮光面积在 HYPERLINK / o 太阳能 t _blank 太阳能总面积中所占的百分比。对一般电池来说，c约为4%-15%。3、透射损失：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。能带理论对于n型半导体，费米能级位于禁带中线以上，施主杂质ND越大，费米能级位置越高甚至进入导带。对于p型半导体，费米能级位于中线以下，受主杂质NA越大，费米能级越低甚至进入价带。当两块半导体结合形成pn结时，以EFn和EFp分别表示

7、n型和p型半导体的费米能级。当两块半导体结合形成pn结时，按费米能级的意义，电子将从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴则从p区流向n区，因而EFn不断下移，且EFp不断上移，直至EFn=EFp时为止。这时pn结中有统一的费米能级EF，pn结处于平衡状态。平衡状态pn结能带图金属(jnsh)半导体接触具有整流效应(xioyng)的金属半导体接触叫做肖特基接触(jich)，以此为基础制成的二极管称为肖特基二极管。没有整流效应的金属半导体接触叫做欧姆接触。在一定范围内，半导体的电阻随温度的升高而降低，金属导体的电阻随温度的升高而升高。由于电流通过后要产热，两个按一定比例串联接入电路后，刚好互

8、补，从而使电阻不随温度的变化而变化。欧姆接触时，接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，大部分的电压降在于活动区而不在接触面。即欧姆接触不会形成附加的阻抗，不会影响半导体中的平衡载流子浓度。一般的本征半导体和金属接触产生肖特基势垒，如果半导体有很高的掺杂浓度，则接触近似为欧姆接触。用E0表示真空中金属表面外静止电子的能量，那么，一个电子要从金属跃迁到体外所需的最小能量为Wm=E0 - Efm称为金属的功函数或逸出功。（由费米能级的意义可知，能量小于费米能级的量子态被电子占据的概率是很高的，大部分电子处于费米能级以下）同样的，对于半导体材料，半导体 的功函数就是E0和费米能级Efs之差，即Ws=E

9、0 - Efs当金属和n型半导体材料接触时，如果金属的功函数大于半导体的功函数，那么金属的费米能级就低于半导体的费米能级，而且两者的费米能级之差就等于功函数之差，即Efs - Efm = Wm-Ws接触后，虽然金属的电子浓度要大于半导体的电子浓度，但由于金属的费米能级低于半导体的费米能级，导致半导体中的电子流向(li xin)金属。（类似于电子由n流向p）理论上讲，要形成欧姆接触，金属的功函数必须小于n型半导体功函数，即n型半导体的费米能级小于金属费米能级。但除了(ch le)金属的功函数外，还有其他因素影响欧姆接触的形成，其中最重要的是表面态。当半导体具有高表面态密度时，金属功函数的影响甚至

10、将不再重要（这也是WmWs时，也可形成欧姆接触的原因）。根据欧姆接触的性质，实际工艺中，常用的欧姆接触制备技术有：低势垒接触、高复合接触和高掺杂接触。高掺杂接触，是在半导体表面掺入高浓度的施主或受主电学杂质，导致金属半导体接触的势垒很薄（掺杂使禁带宽度变窄？）。在室温下，电子通过隧道效应产生隧道电流(dinli)，从而不能阻挡电子的流动，接触电阻很小，最终形成欧姆接触。光生伏特效应PN结由p区和n区构成，p区多数载子为空穴（），n区多子为电子（），结合在一起之后结合处空穴与电子复合形成一定宽度的耗尽区，同时p区一段距离内留下不能移动的负电荷，n区一段距离内留下不能移动的正电荷，这一段耗尽区又称

11、为空间电荷区，内形成电场，方向从n区指向p区。电场力量导致载流子的漂移运动，电子pn，空穴np，而本身p和n区的载流子浓度又造成相应的扩散运动，电子np，空穴pn，这两种运动会达成一定的平衡。故无光照时，硅电池是不带电的；光照时，当光子能量大于禁带宽度的光垂直照射在PN结上时，会产生电子空穴对。在内建电场的作用下，电子空穴对发生漂移运动，打破了两种运动的平衡，形成了N型流向P型的光生电流I1，从而导致形成了P型指向N型的光生电场及光生电势。（但所形成的光生电场与内建电场相反，使得扩散电流大于漂移电流，从而产生了净的正向电流If。）此时光照时流过外加负载的电流为I = I1 - If。方块电阻的

12、定义扩散(kusn)层的方块电阻又叫做方块电阻，用RS或R来表示。它表示表面为正方形的扩散薄层，在电流方向上所呈现(chngxin)出来的电阻。由电阻公式（1）可知，方块电阻(dinz)表达式可以写成：（2）式中、 分别为扩散薄层的平均电阻率和平均电导率。d薄层厚度（即结深）。为了表示方块电阻不同于一般的电阻，其单位用（欧姆/方块）或/表示。我们知道，在杂质均匀分布的半导体中，假设在室温下杂质已经全部电离，则半导体中多数载流子浓度就可以用净杂质浓度来表示。对于扩散薄层来说，在扩散方向上各处的杂质浓度是不相同的，载流子迁移率也是不同的。但是当我们使用平均值概念时，扩散薄层的平均电阻率 与平均杂质

13、浓度 应该有这样的关系：（3）式中q为电子电荷电量； 为平均杂质浓度； 为平均迁移率。把（3）式代入（2）式，可以得到：（4）为单位面积扩散层内的掺杂剂总量。由（4）式 可以看到，方块电阻与单位面积扩散层内的净杂质总量 成反比。因此 的数值就直接反映了扩散后在硅片内的杂质量的多少，也就是说一片扩散后的电池片其表面方块电阻的均匀性直接反应了扩散杂质浓度的均匀性。方块电阻对短波响应的影响有实验表明随着方块电阻的增大（3375），短波响应总体趋势提高。分析方块电阻对短波响应的影响需要深入分析ND和d对短波响应的影响。方块电阻的提高，可以是结越来越浅，也可以是磷浓度的降低。结越来越浅，提高少数载流子的寿命和收集率，特别是使高能量的光子在表面层产生的光生空穴在达到势垒区之前不被大量填隙磷原子、位错和缺陷复合掉，“死层”对太阳电池的负影响越来越小，提高了短波响应。磷和硅的共价半径分别为1.67A和 1.18A，磷扩散进入硅晶体作为填隙原子，必然产生应力。随着磷浓度的增加，应力越来越大，当应力大到超过断裂应力，在硅单晶的100面上产生位错网络。磷