第2章 太陽電池實驗

2.1 太陽電池的基本特性

太陽電池將太陽能轉化為電能有兩個必要的步驟。首先，電池吸收光子，產生電子空穴對；然后，半導體器件結構將電子和空穴分開，電子流向負極而空穴流向正極，從而產生電流。上述過程如圖2.1所示。圖中清楚地描繪了當今市面上主要的商用典型太陽電池的原理。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構以及在能量轉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體的能帶或分子器件的能級來展示這一過程。

在圖2.1（a）所示的晶硅太陽電池中，電池的主要部分為一層厚的P型基區，這里吸收了絕大部分的入射光并產生絕大部分的功率。吸收太陽光之后，少子（電子）擴散到PN結區并被場內建電場掃過PN結區，電功率則在太陽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電池，由于砷化鎵太陽電池表面覆蓋了薄GaAlAs鈍化膜，因此，該結構也稱為異質面結構。GaAlAs“窗口”層防止少子（電子）由發射區到達表面而復合，并能讓絕大部分入射光通過而進入發射區，能量的主要部分也在此區域產生。圖2.1（c）所示為典型的單結非晶硅太陽電池，其中包含一個本征半導體層并將相鄰兩個電機的重摻P區和N區分開而形成PIN結，空間電荷區內產生電子和空穴。由于內建電場使電荷分離而提高了收集效率。透明導電氧化物（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體結構的Cu（In,Ga）Se₂和CdTe太陽電池結構。結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光進入吸收層，在這里形成幾乎全部的電子空穴對。頂部接觸由透明導電氧化物構成。在圖2.1（f）所示的點接觸太陽電池中，正、負電極可以安裝在太陽電池的同一側，在接近本征半導體處，通常是輕微N型多晶硅的體內產生電子空穴對。采取織構的頂表面和反射式背表面等陷光措施可以加強光的吸收。圖2.1（g）、圖2.1（h）所示為染料敏化太陽電池模型。其由基態轉移到激發態，然后，電子轉移到受主，而基態的電子缺失（空穴）則由施主補充，此過程與半導體太陽電池中由價帶到導帶的過程不同。在染料敏化太陽電池中，電子施主是氧化還原電解液，而TiO₂的導帶則起受主的作用。在塑料太陽電池中，施主和受主均由分子材料擔當。

1.理想太陽電池

理想太陽電池的等效電路如圖2.2所示。它包含一個電流源和一個并聯的整流二極管。

相應的伏安特性可由肖克萊（Shockley）太陽電池方程描述,即

式中 k_B——玻爾茲曼常數；

T——熱力學溫度；

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，經常用量子效率或光譜響應來討論I_ph與光波長的關系。光生電流通常與施加電場無關，但對單結非晶硅電池和其他某些薄膜材料可能例外。

理想太陽電池的特性如圖2.3所示。圖2.3(a)中陰影部分的面積為最大功率點產生的功率。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時電池產生最大功率P_max，且可以方便地定義填充因子FF為

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

理想太陽電池的伏安特性遵循疊加性原則。將暗態二極管特性沿電流軸移動I_ph，就可以得到太陽電池伏安特性，如圖2.4所示。

2.實際太陽電池

實際太陽電池的伏安特性與理想特性通常有區別。為符合實驗曲線，常使用一種雙二極管模型表示太陽電池結構，其中第2個二極管特性的指數項分母中的理想因子為2。太陽電池可能還包含串聯電阻R_s和并聯（或分流）電阻R_P。這樣，其特性可以表示為

其中，I₀₁為理想太陽電池的電流，I₀₂為非理想太陽電池的電流光生電流，I_ph在某些情況下與電壓有關系。圖2.5為第2個二極管對太陽電池伏安特性的影響，圖2.6為串、并聯電阻對太陽電池伏安特性的影響。由圖2.7可以得到這些參數的更多信息。串聯電阻對填充因子的影響可表示為

并聯電阻存在類似的表達式。

3.量子效率與光譜響應

太陽電池的量子效率定義為一個具有一定波長的入射光子在外電路產生電子的數目。因此，可以將EQE（λ）和IQE（λ）分別定義為外量子效率和內量子效率。兩者的區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為λ的光子通道；

R(λ)——頂表面的反射系數對被太陽電池吸收的全部波長積分。

使用干涉濾光器或單色儀對內、外量子效率進行常規測量，以衡量一個太陽電池的性能。

以一定波長的單色光照射一個太陽電池時產生的光電流與該波長的光譜輻照度之比，定義為光譜響應，用SR（λ）表示，單位為 A/W。由于光子數和輻照度相關，所以光譜響應可以用量子效率QE（λ）來表示，即

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