第2章 太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)

2.1 太陽(yáng)電池的基本特性

太陽(yáng)電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能有兩個(gè)必要的步驟。首先，電池吸收光子，產(chǎn)生電子空穴對(duì)；然后，半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)將電子和空穴分開，電子流向負(fù)極而空穴流向正極，從而產(chǎn)生電流。上述過程如圖2.1所示。圖中清楚地描繪了當(dāng)今市面上主要的商用典型太陽(yáng)電池的原理。每種電池使用兩種示意方法來描繪工作原理。一種示意圖展示器件的物理結(jié)構(gòu)以及在能量轉(zhuǎn)換過程中起決定作用的電子的傳輸過程；另一種示意圖則用半導(dǎo)體的能帶或分子器件的能級(jí)來展示這一過程。

在圖2.1（a）所示的晶硅太陽(yáng)電池中，電池的主要部分為一層厚的P型基區(qū)，這里吸收了絕大部分的入射光并產(chǎn)生絕大部分的功率。吸收太陽(yáng)光之后，少子（電子）擴(kuò)散到PN結(jié)區(qū)并被場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)掃過PN結(jié)區(qū)，電功率則在太陽(yáng)電池正反面的金屬電極上收集。圖2.1（b）所示為典型的砷化鎵太陽(yáng)電池，由于砷化鎵太陽(yáng)電池表面覆蓋了薄GaAlAs鈍化膜，因此，該結(jié)構(gòu)也稱為異質(zhì)面結(jié)構(gòu)。GaAlAs“窗口”層防止少子（電子）由發(fā)射區(qū)到達(dá)表面而復(fù)合，并能讓絕大部分入射光通過而進(jìn)入發(fā)射區(qū)，能量的主要部分也在此區(qū)域產(chǎn)生。圖2.1（c）所示為典型的單結(jié)非晶硅太陽(yáng)電池，其中包含一個(gè)本征半導(dǎo)體層并將相鄰兩個(gè)電機(jī)的重?fù)絇區(qū)和N區(qū)分開而形成PIN結(jié)，空間電荷區(qū)內(nèi)產(chǎn)生電子和空穴。由于內(nèi)建電場(chǎng)使電荷分離而提高了收集效率。透明導(dǎo)電氧化物（TCO）的陷光特性有助于減少厚度并降低退化作用。圖2.1（d）和圖2.1（e）所示分別為基于化合物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的Cu（In,Ga）Se₂和CdTe太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)。結(jié)的前部由寬帶隙材料（CdS“窗口”）形成，CdS“窗口”讓絕大部分入射太陽(yáng)光進(jìn)入吸收層，在這里形成幾乎全部的電子空穴對(duì)。頂部接觸由透明導(dǎo)電氧化物構(gòu)成。在圖2.1（f）所示的點(diǎn)接觸太陽(yáng)電池中，正、負(fù)電極可以安裝在太陽(yáng)電池的同一側(cè)，在接近本征半導(dǎo)體處，通常是輕微N型多晶硅的體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。采取織構(gòu)的頂表面和反射式背表面等陷光措施可以加強(qiáng)光的吸收。圖2.1（g）、圖2.1（h）所示為染料敏化太陽(yáng)電池模型。其由基態(tài)轉(zhuǎn)移到激發(fā)態(tài)，然后，電子轉(zhuǎn)移到受主，而基態(tài)的電子缺失（空穴）則由施主補(bǔ)充，此過程與半導(dǎo)體太陽(yáng)電池中由價(jià)帶到導(dǎo)帶的過程不同。在染料敏化太陽(yáng)電池中，電子施主是氧化還原電解液，而TiO₂的導(dǎo)帶則起受主的作用。在塑料太陽(yáng)電池中，施主和受主均由分子材料擔(dān)當(dāng)。

1.理想太陽(yáng)電池

理想太陽(yáng)電池的等效電路如圖2.2所示。它包含一個(gè)電流源和一個(gè)并聯(lián)的整流二極管。

相應(yīng)的伏安特性可由肖克萊（Shockley）太陽(yáng)電池方程描述,即

式中 k_B——玻爾茲曼常數(shù)；

T——熱力學(xué)溫度；

q——電子電荷；

V——電池兩端的電壓；

I₀——二極管飽和電流；

I_ph——光生電流。

光生電流I_ph與入射在電池上的光子通量緊密相關(guān)，經(jīng)常用量子效率或光譜響應(yīng)來討論I_ph與光波長(zhǎng)的關(guān)系。光生電流通常與施加電場(chǎng)無關(guān)，但對(duì)單結(jié)非晶硅電池和其他某些薄膜材料可能例外。

理想太陽(yáng)電池的特性如圖2.3所示。圖2.3(a)中陰影部分的面積為最大功率點(diǎn)產(chǎn)生的功率。在理想情況下，短路電流I_sc=I_ph，且開路電壓U_oc為

在圖2.3（b）中，電壓為U_m、電流為I_m時(shí)電池產(chǎn)生最大功率P_max，且可以方便地定義填充因子FF為

理想太陽(yáng)電池的填充因子FF將附以下標(biāo)0。FF₀僅與U_oc/k_BT比值有關(guān)。FF₀可以用精確度相當(dāng)好的近似式表示為

理想太陽(yáng)電池的伏安特性遵循疊加性原則。將暗態(tài)二極管特性沿電流軸移動(dòng)I_ph，就可以得到太陽(yáng)電池伏安特性，如圖2.4所示。

2.實(shí)際太陽(yáng)電池

實(shí)際太陽(yáng)電池的伏安特性與理想特性通常有區(qū)別。為符合實(shí)驗(yàn)曲線，常使用一種雙二極管模型表示太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，其中第2個(gè)二極管特性的指數(shù)項(xiàng)分母中的理想因子為2。太陽(yáng)電池可能還包含串聯(lián)電阻R_s和并聯(lián)（或分流）電阻R_P。這樣，其特性可以表示為

其中，I₀₁為理想太陽(yáng)電池的電流，I₀₂為非理想太陽(yáng)電池的電流光生電流，I_ph在某些情況下與電壓有關(guān)系。圖2.5為第2個(gè)二極管對(duì)太陽(yáng)電池伏安特性的影響，圖2.6為串、并聯(lián)電阻對(duì)太陽(yáng)電池伏安特性的影響。由圖2.7可以得到這些參數(shù)的更多信息。串聯(lián)電阻對(duì)填充因子的影響可表示為

并聯(lián)電阻存在類似的表達(dá)式。

3.量子效率與光譜響應(yīng)

太陽(yáng)電池的量子效率定義為一個(gè)具有一定波長(zhǎng)的入射光子在外電路產(chǎn)生電子的數(shù)目。因此，可以將EQE（λ）和IQE（λ）分別定義為外量子效率和內(nèi)量子效率。兩者的區(qū)別在于如何處理來自電池反射的光子。EQE（λ）考慮全部碰撞電池表面的電子，而IQE（λ）僅考慮沒有反射的光子。

如果內(nèi)量子效率已知，則總光生電流為

式中 q——電子電荷;

Φ(λ)——入射在電池上的波長(zhǎng)為λ的光子通道；

R(λ)——頂表面的反射系數(shù)對(duì)被太陽(yáng)電池吸收的全部波長(zhǎng)積分。

使用干涉濾光器或單色儀對(duì)內(nèi)、外量子效率進(jìn)行常規(guī)測(cè)量，以衡量一個(gè)太陽(yáng)電池的性能。

以一定波長(zhǎng)的單色光照射一個(gè)太陽(yáng)電池時(shí)產(chǎn)生的光電流與該波長(zhǎng)的光譜輻照度之比，定義為光譜響應(yīng)，用SR（λ）表示，單位為 A/W。由于光子數(shù)和輻照度相關(guān)，所以光譜響應(yīng)可以用量子效率QE（λ）來表示，即

λ的單位是μm。代入不同的量子效率，式（2.8）可以得到相應(yīng)的內(nèi)光譜響應(yīng)和外光譜響應(yīng)。