半导体 - 图文

太阳能电池培训手册(上)

设半导体、减反射膜、空气的折射率分别为n2、n1、n0,减反射膜厚度为d1,则反射率R为

R?r1?r2?2r1r2cos2?1?r1r2?2r1r2cos2?2222 (2.42)

式中:

r1=(n0 - n1)/(n0 + n1) r2=(n1 - n2)/(n1 + n2) θ=2πn1d1/λ λ-波长

显然,减反射膜的厚度d1为1/4波长时,R为最小。即

d1?21?'4n1 时

Rmin??n12?n0n2??'??2? (λ=λ) (2.43)

??n1?n0n2??一般在太阳光谱的峰值波长处,使得R变为最小,以此来决定d1的值。

以硅电池为例,因为在可见光至红外光范围内,硅的折射率为n2 = 3.4?4.0,使式(2.43)

'

为零,则n1的值(n1n0n2, n0=1)为1.8? n1?2.0。设?=4800埃,则600埃?d1?667

埃,满足这些条件的材料一般可采用一氧化硅,在中心波长处,反射率达到1%左右。由于制备了减反射膜,短路电流可以增加30~40%。此外,采用的减反射膜SiO2(n1?1.5)、Al2O3(n1?1.9)、Sb2O3(n1?1.9)、TiO2、Ta2O5(n1?2.25)。将具有不同折射率的氧化膜重叠二层,在满足一定的条件下,就可以在更宽的的波长范围内减少折射率。此外也可以将表面加工成棱锥体状的方法,来防止表面反射。

1.3.2开路电压

当太阳电池处于开路状态时,对应光电流的大小产生电动势,这就是开路电压。在式(2.39)中,设I=0(开路),Iph=ISC,则

Voc?nkTqln??IscI0??1? (2.44)

在可以忽略串联、并联电阻的影响时,ISC为与入射光强度成正比的值,在很弱的阳光下,ISC<

Voc?nkTILqI0?ILR0 (2.45)

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其中 R0?nkTqI0,

在很强的阳光下,ISC>>I0,

Voc?nkTqlnIscI0 (2.46)

由此可见,在较弱阳光时,硅太阳电池的开路电压随光的强度作近似直线的变化。而当有较

强的阳光时,VOC则与入射光的强度的对数成正比。图2.15表示具有代表性的硅和GaAs太阳电池的ISC与Voc之间的关系。Si与GaAs比较,因GaAs的禁带宽度宽,故I0值比Si的小几个数量级,GaAs的VOC值比Si的高0.45伏左右。假如结形成的很好,禁带宽度愈宽的半导体,VOC也愈大。

图2.15 开路电压与短路电流的关系

1.3.3太阳电池的输出特性

1.3.3.1等效电路

为了描述电池的工作状态,往往将电池及负载系统用一等效电路来模拟。在恒定光照下,一个处于工作状态的太阳电池,其光电流不随工作状态而变化,在等效电路中可把它看作是恒流源。光电流一部分流经负载RL,在负载两端建立起端电压V,反过来它又正向偏置于p—n结二极管,引起一股与光电流方向相反的暗电流Ibk,这样,一个理想的PN同质结太阳电池的等效电路就被绘制成如图2.16(a)所示。但是,由于前面和背面的电极和接触,以及材料本身具有一定的电阻率,基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。流经负载的电流,经过它们时,必然引起损耗。在等效电路中,可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示。由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时,在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等,使一部分本应通过负载的电流短路,这种作用的大小可用一并联电阻RSh来等效。其等效电路就绘制成上图2.16(b)的形式。其中暗电流等于总面积AT与Jbk乘积,而光电流IL为电池的有效受光面积AE与JL的乘积,这时的结电压不等于负载的端电压,由图可见

Vj?IRS?V (2.47)

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图2.16 pn同质结太阳电池等效电路

(a)不考虑串并联电阻 (b)考虑串并联电阻

1.3.3.2输出特性

根据上图就可以写出输出电流I和输出电压V之间的关系

I?RShRS?RSh?VI??Ibk(V?LRSh??)? (2.48) ?其中暗电流Ibk应为结电压Vj的函数,而Vj又是通过式(2.47)与 输出电压V相联系的。

当负载RL从0变化到无穷大时,输出电压V则从0变到VOC,同时输出电流便从ISC变到0,由此得到电池的输出特性曲线,如图2.17所示。曲线上任何一点都可以作为工作点, 工作点所对应的纵横坐标,即为工作电流和工作电压,其乘积

P=IV

为电池的输出功率

图2.17 太阳电池的输出特性

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1.3.4转换效率

转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻R时,得到的最大能量转换效率,其定义为

??PmaxPin?ImpVmpPin

即电池的最大功率输出与入射功率之比,

这里我们定义一个填充因子FF为

FF?ImpVmpVocIsc?PmVocIsc (2.49)

填充因子正好是I-V曲线下最大长方形面积与乘积Voc?Isc之比,所以转换效率可表示为

??FFVocIscPin (2.50)

1.3.5太阳电池的光谱响应

太阳电池的光谱响应是指光电流与入射光波长的关系,设单位时间波长为λ的光入身到单位面积的光子数为?0(?),表面反射系数为ρ(?),产生的光电流为JL,则光谱响应SR(?)定义为

SR(?)?JL(?)q?0(?)?1??(?)? (2.51)

其中JL=JL|顶层+JL|势垒+JL|基区。

理想吸收材料的光谱响应应该是:当光子能量hνEg时,SR=1。

1.3.6太阳电池的温度效应

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温度的升高稍有增大,因此,光生电流JL也随温度的升高有所增加。但是J0随温度的升高是指数增大,因而VOC随温度的升高急剧下降。当温度升高时,I—V曲线形状改变,填充因子下降,所以转换效率随温度的增加而降低。

1.3.7太阳电池的辐照效应

作为人造卫星和宇宙飞船的电源,太阳电池已获得了广泛的应用。但是在外层空间存在着高能粒子,如电子、质子、?粒子等。高能粒子辐照时通过与晶格原子的碰撞,将能量传给晶格,当传递的能量大于某一阈值时,便使晶格原子发生位移,产生晶格缺陷,如填隙原子、空位、缺陷簇、空位一杂质复合体等。这些缺陷将起复合中心的作用,从而降低少子

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