《太阳能电池基本原理.》.pdf

第三章太阳能电池的基本原理 本章以单晶硅pn 结太阳能电池为例， 介绍半导体太阳能电池的基本工作原理、 结构及其特性分析。 一、太阳能电池的结构和基本工作原理 下图示意地画出了单晶硅pn 结太阳能电池的结构， 其包含上部电极，无反射薄膜覆盖层，n型半导体，p型半 导体以及下部电极和基板。 当有适当波长的光照射到这个pn 结太阳 能电池上后，由于光伏效应而在势垒区两边 产生了电动势。因而光伏效应是半导体电池 实现光电转换的理论基础，也是某些光电器 件赖以工作的最重要的物理效应。因此，我 们将来仔细分析一下pn结的光伏效应。 设入射光垂直pn 结面。如果结较浅，光 子将进入pn 结区，甚至更深入到半导体内 部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收 在结的两边产生电子-空穴对。在光激发下多 数载流子浓度一般改变较小，而少数载流子 浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数 载流子的运动。 无光照 光照激发 由于pn结势垒区内存在较强的内建电场（自n 区指向 p 区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相 反方向运动：p 区的电子穿过p-n 结进入n 区；n 区的空穴进 入p 区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在p-n 结两端 形成了光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。由于光 照在p-n 结两端产生光生电动势，相当于在p-n 结两端加正 向电压V ，使势垒降低为qV -qV，产生正向电流I . D F 在pn 结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，p- n结两端建立起稳定的电势差Voc ，（p 区相对于n 区是正的）， 这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通，只要光照 不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n 结起了电源的 作用。这就是光电池的基本原理。 由上面分析可以看出，为使半导体光电器 件能产生光生电动势（或光生积累电荷），它们 应该满足以下两个条件： 1、半导体材料对一定波长的入射光有足够大 的光吸收系数α，即要求入射光子的能量hν大 于或等于半导体材料的带隙E ，使该入射光 g 子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电 子空穴对。 右图是一些材料的 吸收曲线。可以发现 GaAs 和非晶硅的吸收系 数比单晶硅大得多，透 入深度只有1µm左右，即 几乎全部吸收入射光。 所以这两种电池都可以 做成薄膜，节省材料。 而硅太阳能电池，对太 阳光谱中长波长的光， 要求较厚的硅片（约100- 300 µm ）才能充分吸 收；对于短波长的光， 只在入射表面附近1 µm 区域内就已充分吸收 了。 2 、具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒 区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子， 在p 区内积累了非平衡空穴，而在n 区内积累起非平衡电子。 产生了一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场，于是在p 区 和n 区间建立了光生电动势（或称光生电压）。 除了上述pn 结能产生光生伏特效应外，金属-半导体形成的 肖特基势垒层等其它许多结构都能产生光生伏特效应。其电子 过程和pn 结相类似，都是使适当波长的光照射材料后在半导体 的界面或表面产生光生载流子，在势垒区电场的作用下，光生 电子和空穴向相反的方向漂移从而互相分离，在器件两端积累 产生光生电压。 通常的发电系统如火力发电，就是燃烧 石油或煤以其燃烧能来加热水，使之变成蒸 汽，推动发电机发电；原子能发电则是以核裂 变放出的能量代替燃烧石油或煤，而水力发电 则是利用水的落差能使发电机旋转而发电。 太阳能电池发电的原理是全新的，与传 统方法是完全不同，既没有马达旋转部分，也 不会排出气体，是清洁无污染的发电方式。 太阳能电池的结构 单晶硅太阳能电池的典