第2章 太阳电池实验

2.1 太阳电池的基本特性

太阳电池将太阳能转化为电能有两个必要的步骤。首先，电池吸收光子，产生电子空穴对；然后，半导体器件结构将电子和空穴分开，电子流向负极而空穴流向正极，从而产生电流。上述过程如图2.1所示。图中清楚地描绘了当今市面上主要的商用典型太阳电池的原理。每种电池使用两种示意方法来描绘工作原理。一种示意图展示器件的物理结构以及在能量转换过程中起决定作用的电子的传输过程；另一种示意图则用半导体的能带或分子器件的能级来展示这一过程。

在图2.1（a）所示的晶硅太阳电池中，电池的主要部分为一层厚的P型基区，这里吸收了绝大部分的入射光并产生绝大部分的功率。吸收太阳光之后，少子（电子）扩散到PN结区并被场内建电场扫过PN结区，电功率则在太阳电池正反面的金属电极上收集。图2.1（b）所示为典型的砷化镓太阳电池，由于砷化镓太阳电池表面覆盖了薄GaAlAs钝化膜，因此，该结构也称为异质面结构。GaAlAs“窗口”层防止少子（电子）由发射区到达表面而复合，并能让绝大部分入射光通过而进入发射区，能量的主要部分也在此区域产生。图2.1（c）所示为典型的单结非晶硅太阳电池，其中包含一个本征半导体层并将相邻两个电机的重掺P区和N区分开而形成PIN结，空间电荷区内产生电子和空穴。由于内建电场使电荷分离而提高了收集效率。透明导电氧化物（TCO）的陷光特性有助于减少厚度并降低退化作用。图2.1（d）和图2.1（e）所示分别为基于化合物半导体结构的Cu（In,Ga）Se₂和CdTe太阳电池结构。结的前部由宽带隙材料（CdS“窗口”）形成，CdS“窗口”让绝大部分入射太阳光进入吸收层，在这里形成几乎全部的电子空穴对。顶部接触由透明导电氧化物构成。在图2.1（f）所示的点接触太阳电池中，正、负电极可以安装在太阳电池的同一侧，在接近本征半导体处，通常是轻微N型多晶硅的体内产生电子空穴对。采取织构的顶表面和反射式背表面等陷光措施可以加强光的吸收。图2.1（g）、图2.1（h）所示为染料敏化太阳电池模型。其由基态转移到激发态，然后，电子转移到受主，而基态的电子缺失（空穴）则由施主补充，此过程与半导体太阳电池中由价带到导带的过程不同。在染料敏化太阳电池中，电子施主是氧化还原电解液，而TiO₂的导带则起受主的作用。在塑料太阳电池中，施主和受主均由分子材料担当。

1.理想太阳电池

理想太阳电池的等效电路如图2.2所示。它包含一个电流源和一个并联的整流二极管。

相应的伏安特性可由肖克莱（Shockley）太阳电池方程描述,即

式中 k_B——玻尔兹曼常数；

T——热力学温度；

q——电子电荷；

V——电池两端的电压；

I₀——二极管饱和电流；

I_ph——光生电流。

光生电流I_ph与入射在电池上的光子通量紧密相关，经常用量子效率或光谱响应来讨论I_ph与光波长的关系。光生电流通常与施加电场无关，但对单结非晶硅电池和其他某些薄膜材料可能例外。

理想太阳电池的特性如图2.3所示。图2.3(a)中阴影部分的面积为最大功率点产生的功率。在理想情况下，短路电流I_sc=I_ph，且开路电压U_oc为

在图2.3（b）中，电压为U_m、电流为I_m时电池产生最大功率P_max，且可以方便地定义填充因子FF为

理想太阳电池的填充因子FF将附以下标0。FF₀仅与U_oc/k_BT比值有关。FF₀可以用精确度相当好的近似式表示为

理想太阳电池的伏安特性遵循叠加性原则。将暗态二极管特性沿电流轴移动I_ph，就可以得到太阳电池伏安特性，如图2.4所示。

2.实际太阳电池

实际太阳电池的伏安特性与理想特性通常有区别。为符合实验曲线，常使用一种双二极管模型表示太阳电池结构，其中第2个二极管特性的指数项分母中的理想因子为2。太阳电池可能还包含串联电阻R_s和并联（或分流）电阻R_P。这样，其特性可以表示为

其中，I₀₁为理想太阳电池的电流，I₀₂为非理想太阳电池的电流光生电流，I_ph在某些情况下与电压有关系。图2.5为第2个二极管对太阳电池伏安特性的影响，图2.6为串、并联电阻对太阳电池伏安特性的影响。由图2.7可以得到这些参数的更多信息。串联电阻对填充因子的影响可表示为

并联电阻存在类似的表达式。

3.量子效率与光谱响应

太阳电池的量子效率定义为一个具有一定波长的入射光子在外电路产生电子的数目。因此，可以将EQE（λ）和IQE（λ）分别定义为外量子效率和内量子效率。两者的区别在于如何处理来自电池反射的光子。EQE（λ）考虑全部碰撞电池表面的电子，而IQE（λ）仅考虑没有反射的光子。

如果内量子效率已知，则总光生电流为

式中 q——电子电荷;

Φ(λ)——入射在电池上的波长为λ的光子通道；

R(λ)——顶表面的反射系数对被太阳电池吸收的全部波长积分。

使用干涉滤光器或单色仪对内、外量子效率进行常规测量，以衡量一个太阳电池的性能。

以一定波长的单色光照射一个太阳电池时产生的光电流与该波长的光谱辐照度之比，定义为光谱响应，用SR（λ）表示，单位为 A/W。由于光子数和辐照度相关，所以光谱响应可以用量子效率QE（λ）来表示，即

λ的单位是μm。代入不同的量子效率，式（2.8）可以得到相应的内光谱响应和外光谱响应。