太阳能电池培训手册(上)

一旦形成pn结，由于结两边的电子和空穴的浓度不同，电子就强烈地要从n区向p区扩散，空穴则要向相反方向扩散，其结果在n型一边出现正电荷，在p型一边出现负电荷，

这两种电荷层在半导体内部建立了一个内建电场，这个电场反过来又在结处产生一个内部电位降，阻挡了电子和空穴的进一步扩散，包含这两种电荷层的空间称为耗尽区或空间电荷区。通过这个空间电荷区的作用，使费米能级成同一水平，达到平衡状态。图2.12（b）表示pn结的能带图及从p区向n区变化的空间电荷区。内建电场从n区指向p 区，形成势垒。

在平衡状态下，由于扩散，从p区越过势垒向n区移动的空穴数目等同于空间电荷区附近n区中由于热运动产生的少数载流子空穴在空间电荷区内建电场的作用下漂移到p区的数目，因此没有电流流过。对于电子也可做同样的论述。

1.1.3.2电流电压特性

在pn结上加偏置电压时，由于空间电荷区内没有载流子（又称为耗尽区）形成高阻区，因此，电压几乎全部跨落在空间电荷区上。当外加电压使得p区为正时，势垒高度减小，空穴从p区向n区的移动以及电子从n区向p区的移动变得容易，在两个区内有少数载流子注入，因此电流容易流动（称为正向）。当外加电压使得n区为正时，势垒高度增加，载流子的移动就变得困难，几乎没有电流流过（此时称为反向）。当存在外加电压时，空间电荷区的n区边界和p区边界的空穴浓度pn及电子浓度np如下：

qV?pn?pn0exp???kT??qV?np?np0exp???kT??当加正向电压时V>0，加反向电压时V<0。

(2.34)

__________________________________________________________________

上海交通大学太阳能研究所 上海国飞绿色能源有限公司

13

太阳能电池培训手册(上)

由于我们认为外加电压仅跨越在空间电荷区，所以可视为n区内没有电场，由空穴构成的电流只是由于它的浓度梯度形成的扩散电流。电流密度Jp为

J?qDpLpp?pn?pn0?qpn0?Dp???qV?exp?1???? (2.35) Lp??kT??同样，注入到p区的少数载流子电子的电流密度Jn为

Jn?qnDn???qV?exp?1???? (2.36) Ln?kT???p0因加编压V而产生的总电流是空穴电流与电子电流之和，故总电流密度J为：

J?J???qV??Jn?J0?exp???1? (2.37)

?kT???pJ0?qpn0DpLp?qnDnp0Ln (2.38)

总电流密度J具有如图2.13所示的整流特性。正向时，在电压较大的区域，电流密度与

exp(qV/kT)成正比；反向时则趋近于-J0。称J0为饱和电流密度。

图2.13 pn结的电流－电压特性

1.2太阳电池工作原理

1.2.1半导体的内光电效应

当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：

（1）价带电子；

（2）自由电子或空穴（Free Carrier）；

（3）存在于杂质能级上的电子。

太阳电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子得到光的能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为本征或固有吸收。

太阳电池能量转换的基础是结的光生伏特效应。当光照射到pn结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，

__________________________________________________________________

上海交通大学太阳能研究所 上海国飞绿色能源有限公司

14

太阳能电池培训手册(上)

还使p区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差VOC。可以测得这个值，并称为开路电压。由于此时结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定VOC的值。

1.2.2太阳电池的能量转换过程

太阳电池是将太阳能直接转换成电能的器件。它的基本构造是由半导体的PN结组成。此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到较好的光电转换效率。本节以最普通的硅PN结太阳电池为例，详细地观察光能转换成电能的情况。

首先研究使太阳电池工作时，在外部观测到的特性。图2.14表示了无光照时典型的电流电压特性（暗电流）。当太阳光照射到这个太阳电池上时，将有和暗电流方向相反的光电流Iph流过。

图2.14 无光照及光照时电流－电压特性

当给太阳电池连结负载R，并用太阳光照射时，则负载上的电流Im和电压Vm将由图中有光照时的电流一电压特性曲线与V=-IR表示的直线的交点来确定。此时负载上有Pout=RI2m的功率消耗，它清楚地表明正在进行着光电能量的转换。通过调整负载的大小，可以在一个最佳的工作点上得到最大输出功率。输出功率（电能）与输入功率（光能）之比称为太阳电池的能量转换效率。

下面我们把目光转到太阳电池的内部，详细研究能量转换过程。太阳电池由硅pn结构成，在表面及背面形成无整流特性的欧姆接触。并假设除负载电阻R外，电路中无其它电阻成分。当具有hν（eV）（hν?Eg，Eg为硅的禁带宽度）能量的光子照射在太阳电池上时，产生电子—空穴对。由于光子的能量比硅的禁带宽度大，因此电子被激发到比导带底还高的能级处。对于p型硅来说，少数载流子浓度np极小（一般小于10/cm），导带的能级几乎都是空的，因此电子又马上落在导带底。这时电子及空穴将总的hν - Eg（ev）的多余能量以声子（晶格振动）的形式传给晶格。落到导带底的电子有的向表面或结扩散，有的在半导体内部或表面复合而消失了。但有一部分到达结的载流子，受结处的内建电场加速而流入n型硅中。在n型硅中，由于电子是多数载流子，流入的电子按介电驰豫时间的顺序传播，同

__________________________________________________________________

上海交通大学太阳能研究所 上海国飞绿色能源有限公司

15

5

太阳能电池培训手册(上)

时为满足n型硅内的载流子电中性条件，与流入的电子相同数目的电子从连接n型硅的电极流出。这时，电子失去相当于空间电荷区的电位高度及导带底和费米能级之间电位差的能量。设负载电阻上每秒每立方厘米流入N个电子，则加在负载电阻上的电压V=QNr=IR表示。由于电路中无电源，电压V=IR实际加在太阳电池的结上，即结处于正向偏置。一旦结处于正向偏置时，二极管电流Id=I0[exp(qV/nkT)-1]朝着与光激发产生的载流子形成的光电流Iph相反的方向流动，因而流入负载电阻的电流值为

I?Iph?Id?Iph?I0?exp?qVnkT??1? (2.39)

在负载电阻上，一个电子失去一个qV的能量，即等于光子能量hν转换成电能qV。流过负载电阻的电子到达p型硅表面电极处，在P型硅中成为过剩载流子，于是和被扫出来的空穴复合，形成光电流

1.3太阳电池的基本特性

1.3.1短路电流

太阳电池的短路电流等于其光生电流。分析短路电流的最方便的方法是将太阳光谱划分成许多段，每一段只有很窄的波长范围，并找出每一段光谱所对应的电流，电池的总短路电流是全部光谱段贡献的总和：

Isc???0jsc(?)d????00.3?mjsc(?)d????00.3?m?1?R(?)?qF(?)?(?)d? (2.40)

式中

λ0 ——本征吸收波长限 R(λ)——表面反射率

F(λ)——太阳光谱中波长为?～?+d?间隔内的光子数。

F（?）的值很大的程度上依赖于太阳天顶角。作为表示F（?）分布的参数是AM（AirMass）。AM表示入射到地球大气的太阳直射光所通过的路程长度，定义为

AM?bb0secZ (2.41)

式中：

b0——标准大气压

b——测定时的大气压 Z——太阳天顶距离

一般情况下，b ? b0，例如，AM1相当于太阳在天顶位置时的情况，AM2相当于太阳高度角为30?时的情况，AM0则表示在宇宙空间中的分布

在实际的半导体表面的反射率与入射光的波长有关，一般为30～50％。为防止表面的反射，在半导体表面制备折射率介于半导体和空气折射率之间的透明薄膜层。这个薄膜层称为减反射膜（Antireflective coating）。

__________________________________________________________________

上海交通大学太阳能研究所 上海国飞绿色能源有限公司

16