太阳能电池原理及特性

1.1 太阳能电池原理

1.1.1 半导体材料对光的吸收

太阳能电池，又叫光伏电池，是一种利用太阳光直接发电的光电器件。太阳能电池之所以能够把太阳光转化为电能是由于它是利用太阳能光电材料制成的，而太阳能光电材料是一类重要的半导体材料，常温下它的导电性能介于导体与绝缘体之间。半导体可以是元素，如硅（Si）和锗（Ge），也可以是化合物，如硫化镉（CdS）和砷化镓（GaAs），还可以是合金，如GaxAL1-xAs，其中x为0-1之间的任意数。许多有机化合物，如蒽也是半导体。 当一束强度为I0的光正交入射到半导体表面时，一部分被半导体表面反射回来，一部分进入半导体被吸收，还有一部分将透过半导体。在半导体内离前表面距离为x处的光强I(x)由吸收定律决定：

I(x) = I0 （1—R）e—αx （3—1）

其中α为与波长相关的吸收系数，R为半导体表面的反射率。在半导体中的吸收过程可以分为本征吸收和非本征吸收两类。如图3－1所示，位于价带的一个电子，吸收一个能量为hf的光子后越过禁带进入导带，在价带中留下一个空穴，形成了一个电子空穴对。这种在能带间跃迁并形成载流子的过程称为本征吸收。这实际上是半导体本身的原子对光子的吸收。在晶格图象中，硅原子间共价键的一个电子吸收了一个能量为hf的光子后成为自由电子，同时在共价键断裂处留下一个空穴。

hf Ec hfEg Ev Si Si Si Si 图3－1 载流子的本征吸收

一个电子吸收一个光子的能量hf并具有能量以跃迁过禁带而进入价带，则被吸收的光子必定要满足： hf≥Eg（3—2） 或者：

h c/ λ≥Eg（3—3）

硅的禁带宽度Eg = 1.119eV，因此硅材料可以本征吸收的光波波长应小于1.109nm。

与本征吸收对应的是非本征吸收，非本征吸收包括激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收和晶格振动吸收等。激子吸收指价带中的电子吸收一个能量为hf∠Eg的光子而离开价带，但却无法进入导带成为自由电子。该电子实际上还和空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个新的电中性系统，称为激子。激子可以再吸收光子而激发成为自由电子空穴对，也可能发射一个光子或将能量传递给晶格而复合消失；自由载流子吸收是自由载流子又吸收了一个光子后向导带（电子）或价

带（空穴）的能量高端运动；杂质吸收指部分未电离的杂质上的载流子吸收了带有足够能量的光子后跃迁入导带（电子）或价带（空穴）；晶格振动吸收指晶格吸收了较低能量的光子，并将其转变为振动能。 半导体对于光的吸收，最主要的是本征吸收。其它吸收对半导体中的光生载流子的影响可以忽略不计。但是，其它吸收对太阳电池本身的温度的影响却是十分重要的，将要影响太阳电池实际使用过程中的光电转换效率。半导体材料每吸收一个满足hf≥Eg的光子，最多产生一个电子空穴对，也可能由于非本征吸收而不产生电子空穴对。半导体材料吸收hf≥Eg的光子而产生的光子空穴对数和照射进入半导体材料的hf≥Eg的光子数之比，称为该半导体材料的内量子效率。

1.1.2 PN结

当p型半导体和n型半导体紧密结合在一起时，在两者的交界面就形成了一个p-n结。可以预料，电子将从高浓度的n区向低浓度的p区扩散，而空穴则向n区扩散。然而，n区边界也由于失去电子呈现出正电荷，p区边界一边也同样因失去空穴而呈现出负电荷。这些剩余电荷将建立一个阻碍电子和空穴自然扩散的电场，从而达到一个平衡态。这个电场称作内建电场，是由n区指向p区的。由这个电场产生的载流子漂移运动的方向与载流子扩散运动的方向相反，在平衡态p-n结中，在内建电场Vd的作用下形成的漂移电流与由于载流子浓度差形成的扩散电流相等。

势垒区 EcEcEc EfnqVd EiEiEipEc EfpEfEf EvEvEvEin 分离的半导体材料和费密能级Ev p-n结和统一的费米能级 图3－2 p-n结的能带图

从能带图上来看，处于热平衡的系统只有一个费米能级。如果费米能级出现分裂，载流子将从较高能量的费米能级上流向较低能量的费米能级上，最终使费米能级统一，从而使导带和价带弯曲形成载流子扩散势垒。如图3－2所示，以Efn代表n型材料的费米能级，以Efp代表p型材料的费米能级，可以看出，由p-n结形成的势垒高度： qVd = Efn— Efp（3—4）

Vd就是两种不同半导体材料的接触电势差，也可以看作是p-n结接触区形成的内建电场。p-n结的接触区，也就是能带弯曲的部分形成的过渡区，通常叫做耗尽区，即表示该区域内的自由载流子如此的少，以至于空间电荷密度的贡献仅来自于电离杂质。这样，耗尽区内就存在着净空间电荷，所以也叫做空间电荷区。当pn结上无外加偏压时，p-n结上的载流子处于一个平衡态。在平衡态p-n结中，在自建电场Vd的作用下形成的漂移电流与由于载流子浓度差形成的扩散电流相等，总电流等于零。

如果在p-n结上加一正向偏压(p区接正、n区接负)，则由于空间电荷区内是自由载流子浓度很低的高阻区，可以认为外加电压全部降落在空间电荷区内，

在空间电荷区内增加了一个外加电场。这里所说的正向偏压，是与自建电场方向相反的电压，从而降低了自建电场的高度，使得载流子的扩散作用大于漂移作用，有净的扩散电流流过p-n结，构成p-n结的正向电流。

xp势垒区xn Ec q(Vd-V) Eip Efn Efp EvEin 图3—3 准平衡态p-n结的费米能级 外加电场使得p-n结内的载流子分布的平衡态受到破坏，并且在新的条件下建立起新的平衡态。所以，原来代表载流子平衡态分布的费米能级已经不存在，而代表新的平衡态分布的载流子能级被称为准费米能级。在空间电荷区内及附近，已不存在电子和空穴的统一的费米能级。电子和空穴的准费米能级分别用Efn和Efp表示。由图3－3可以看出，由于外加电压V的作用，显然有：

qV = Efn— Efp （3—5）

势垒高度由qVd下降为q(Vd — V)。由于正向电压V的存在，使得空间电荷区的势垒下降，于是n区有大量的电子扩散到p区，p区也有大量的空穴扩散到n区，形成由p区指向n区的可观的扩散电流。同时，空间电荷区内电场减弱，使得空间电荷区内的漂移电流大幅度下降。从而，空间电荷区两端的扩散电流远远大于漂移电流，形成由扩散电流决定的从p区指向n区的正向电流。

1.1.3 太阳电池的工作原理

太阳能电池又称光电池、光生伏打电池，是一种将光能直接转换成电能的半导体器件，工作原理是基于半导P-N结的光生伏打效应。当电池表面受到光照时，在电池内部产生的光生电子－空穴对扩散到P-N结并受结电场影响而分开，电子移向N区，空穴移向P区，在P区和N区之间产生了光生电动势，当外电路连接起来时就有电流通过。

当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。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；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。可以测得这个值，并称为开路电压，如图3－4所示。

图3－4 太阳电池原理

只有达到一定的能量才能使电子逸出。我们将这个能量值称为材料的带隙能量。对于晶体硅，约为1.1eV，如果光子的能量比所需的能量多，则多余的能量会损失掉。

1.2 太阳能电池的基本特性

1.2.1 太阳电池的I-V特性

太阳电池实质就是在阳光照射下的二极管。当阳光照射到二极管上时，吸收了光子的电子从价带跃迁到了导带，在半导体内产生了光生电子空穴对。这些光生电子和空穴迁移到p-n结的两端并在边界上累积起来，由内建电场将电子扫向n区将空穴扫向p区，形成了从n区指向p区的光生电流。边界上累积起来的少数载流子在空间电荷区形成了附加的电场V。这个电场与p-n结的内建电场Vd的方向相反，使空间电荷区势垒降低，形成了与光生电流相反的正向二极管电流。

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?（3—6）

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。可以看出太阳电池的I-V特性是在p-n结的I-V特性的基础上沿电流轴向下移动了光电流Iph的距离，如图3－5所示。