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1、太阳能光伏组件基础教程目录第一章太阳电池的工作原理和基本特性4I.1半导体物理基础41.1.1半导体的性质41.1.2半导体物理基础1.1.2.1能带结构和导电性41.L3半导体Pn结.151.2太阳电池工作原理171.3太阳电池的基本特性181.4影响太阳电池转换效率的因素24-,禁带亮度24二、温度24二、复合寿命24四、光强24五、掺杂浓度及剖面分布25六、表面复合速率25七、串联电阻26八、金属栅和光反射26第二章硅太阳电池常规工艺2B第三章太阳电池测试483.1太阳模拟器483.1.1概述4S3.1.2太阳辐射的基本特性3.1.2.1几个描述光的物理概念：483.2太阳模拟器493.
2、2.1稳态太阳模拟器和脉冲式太阳模拟器49322太阳模拟器的电光源及滤光装置493.3太阳模拟器某些光学特性的检测50331辐照不均匀度的检测50332辐照不稳定的检测SO333光谱失配误差计算503.4单体太阳电池测试513.5非晶硅太阳电池电性能测试须知573.5.1校准辐照度5735.2光源573.5.3光谱响应573.6太阳电流组件测试和环境试验方法573.6.1测试项目573.6.2组件电性能参数测量中所需的参考组件573.6.3太阳电池组件测试方法573.7地面用硅太阳电池组件环境试验概况58第四章光伏阵列604.E光伏组件（.阵列）60C-）用于电子产品的组件60（二）用于电力的
3、组件61（三）聚光式组件-63（四）混合型蛆件654.2有四个因素决定了光伏组件的输出功率66第三部分独立光伏电站（集中供电）及用户光伏系统（分散供电）99的设计，安装及维修.99交流功率=（交流电压）X（交流电流）102直流功率=（直流电压）X（直流电流）103第三部分太阳能电池系统应用介绍109一、航标灯，无人灯塔的电源109二、在铁路信号上的应用112三.农牧业设备电源1171、电围栏电源1172、黑光灯电源1193、割胶灯电源121四、广播、电视、通信设备电源122五、作为光伏抽水灌溉系统能源125六、太阳电池电源在阴极保护中的应用126_+_（I）在阴极金属溶解变成金属离子进入溶液中
4、Me一一Me+e（阳极过程）127（2）电子通过金属从阳极流到阴极127（3）在阴极，流过来的电子被溶液中能吸收电子的物质（D）所接127七、并网发电129八、太阳电池作为信号转换器的应用1301、作为光屯开关1312、光电流随着光照面积大小的变化而变化的应用1313、光电流随光强度的变化而变化的应用132九.太阳能节能灯“.“.133十.太阳能光电房135图无蓄电池系统136图有蓄f池系统137十一.公路道班太阳能电源13S（1）马山道班太阳能电源：139（2）女干道班太阳能电源139十二.农村中小学太阳能电教系统139第一部分地面太阳电池发电系统142第二部分风光互补系统155第三部分17
5、3第三部分光电水泵系统原理及测试1743.1引言17432）匕174第二种分类方法是根据水泵的安装位置分类；175二、全泵系统特性.三、补充实验。181第一章太阳电池的工作原理和基本特性1.1半导体物理基础1.1.1半导体的性质世界上的物体如果以导电的性能来区分，有的容易导电，有的不容易导电。容易导电的称为导体，如金、银、铜、铝、铅、锡等各种金属：不容易导电的物体称为绝缘体，常见的有玻璃、橡胶、塑料、石英等等；导电性能介于这两者之间的物体称为半导体，主要有错、硅、伸化保、硫化镉等等。众所周知，原子是由原子核及其周围的电子构成的，一些电子脱离原子核的束缚，能够自由运动时，称为自由电子。金属之所以
6、容易导电，是因为在金属体内有大量能够自由运动的电子，在电场的作用下，这些电子有规则地沿着电场的相反方向流动，形成了电流。自由电子的数量越多，或者它们在电场的作用下有规则流动的平均速度越高，电流就越大。电子流动运载的是电量，我们把这种运载电量的粒子，称为载流子。在常温下，绝缘体内仅有极少量的自由电子,因此对外不呈现导电性。半导体内有少量的自由电子，在一些特定条件下才能导电。半导体可以是元素，如硅(Si)和籍(Ge),也可以是化合物，如硫化镉(OCLS)和碑化保(GaAs),还可以是合金，如Ga,AL,As,其中X为OT之间的任意数。许多有机化合物，如JSi也是半导体。半导体的电阻率较大()105
7、P107m),而金属的电阻率则很小(约10*-10m),绝缘体的电阻率则很大(约PNl(TQ迎)。半导体的电阻率对温度的反应灵敏，例如错的温度从20C升高到30,电阻率就要降低一半左右。金属的电阻率随温度的变化则较小，例如铜的温度每升高100C,P增加40%左右。电阻率受杂质的影响显著。金属中含有少量杂质时，看不出电阻率有多大的变化，但在半导体里掺入微量的杂质时，却可以引起电阻率很大的变化，例如在纯硅中掺入百万分之一的硼，硅的电阻率就从2.14xl0m减小到0.004Cm左右。金属的电阻率不受光照影响，但是半导体的电阻率在适当的光线照射卜可以发生显著的变化。1.1.2半导体物理基础1.1.2.
8、1能带结构和导电性半导体的许多电特性可以用一种简单的模型来解释.硅是四价元素，每个原子的最外壳层上有4个电子，在硅晶体中每个原子有4个相邻原子，并和每一个相邻原子共有两个价电子，形成稳定的8电子壳层自由空间的电子所能得到的能量值基本上是连续的，但在晶体中的情况就可能截然不同了，孤立原子中的电子占据非常固定的一组分立的能线，当孤立原子相互靠近，规则整齐排列的晶体中，由于各原子的核外电子相互作用，本来在孤立原子状态是分离的能级扩展，根据情况相互重叠，变成如图2.1所示的带状。电子许可占据的能带叫允许带，允许带与允许带间不许可电子存在的范围叫禁带。图2.1原子间距和电子能级的关系在低温时，晶体内的电
9、子占有最低的可能能态。但是晶体的平衡状态并不是电子全都处在最低允许能级的一种状态。基本物理定理一一泡利（PaUIi）不相容原理规定，每个允许能级最多只能被两个自旋方向相反的电子所占据.这意味着，在低温F,晶体的某一能级以下的所有可能能态都将被两个电子占据，该能级称为费米能级（EQiI随着温度的升高，一些电子得到超过费米能级的能量，考虑到泡利不相容原理的限制，任一给定能量E的一个所允许的电子能态的占有几率可以根据统计规律计算，其结果是由下式给出的费米一狄拉克分布函数f（E）,即现在就可用电子能带结构来描述金属、绝缘体和半导体之间的差别。电导现象是随电子填充允许带的方式不同而不同。被电子完全占据的
10、允许带（称为满带）上方，隔着很宽的禁带，存在完全空的允许带（称为导带），这时满带的电子即使加电场也不能移动，所以这种物质便成为绝缘体。允许带不完全占满的情况下，电子在很小的电场作用下就能移动到离允许带少许上方的另一个能级，成为自由电子，而使电导率变得很大，这种物质称为导体。所谓半导体，即是天然具有和绝缘体一样的能带结构，但禁带宽度较小的物质。在这种情况下，满带的电子获得室温的热能，就有可能越过禁带跳到导带成为自由电子，它们将有助于物质的导电性。参与这种电导现象的满带能级在大多数情况F位于满带的最高能级，因此可将能带结构简化为图2.2。另外，因为这个满带的电子处于各原子的最外层，是参与原子间结合
11、的价电子，所以又把这个满带称为价带。图中省略了导带的上部和价带的下部。半导体结晶在相邻原子间存在着共用价电子的共价键。如图2.2所示，一旦从外部获得能量，共价键被破坏后，电子将从价带跃造到导带，同时在价带中留出电子的一个空位。这个空位可由价带中邻键上的电子来占据，而这个电子移动所留下的新的空位又可以由其它电子来填补。这样，我们可以看成是空位在依次地移动，等效于带正电荷的粒子朝着与电子运动方向相反的方向移动，称它为空穴。在半导体中，空穴和导带中的自由电子一样成为导电的带电粒子（即载流子）。电子和空穴在外电场作用下,朝相反方向运动，但是由于电荷符号也相反，因此，作为电流流动方向则相同，对电导率起迭
12、加作用。图2.2半导体能带结构和载流子的移动1.1.2.2木征半导体、掺杂半导体图2.2所示的能带结构中，当禁带宽度Eg比较小的情况下，随着温度上升，从价带跃迁到导带的电子数增多，同时在价带产生同样数目的空穴。这个过程叫电子一空穴对的产生，把在室温条件下能进行这样成对的产生并具有一定电导率的半导体叫本征半导体，它只能在极纯的材料情况下得到的。而通常情况下，由于半导体内含有杂质或存在品格缺陷，作为自由载流子的电子或空穴中任意一方增多，就成为掺杂半导体。存在多余电子的称为n型半导体，存在多余空穴的称为P型半导体。杂质原子可通过两种方式掺入晶体结构：它们可以挤在基质晶体原子间的位置上，这种情况称它们
13、为间隙杂质：另一种方式是，它们可以替换基质晶体的原子，保持晶体结构中的有规律的原子排列，这种情况下，它们被称为替位杂质。周期表中III族和V族原子在硅中充当替位杂质，图2.3示出一个V族杂质(如磷)替换了一个硅原子的部分晶格。四个价电子与周围的硅原子组成共价键，但第五个却处于不同的情况，它不在共价键内，因此不在价带内，它被束缚于V族原子，所图2.3个V族原子替代了一个硅原子的部分硅晶格以不能穿过晶格自由运动，因此它也不在导带内。可以预期，与束缚在共价键内的自由电子相比，释放这个多余电子只须较小的能量，比硅的带隙能量IjeV小得多。自由电子位于导带中,因此束缚于V族原子的多余电子位于低于导带底的
14、能量为E的地方，如图(格P28图2.13(a)所示那样。这就在“禁止的”晶隙中安置了一个允许的能级，III族杂质的分析与此类似。例如，把V族元素(Sb,As,P)作为杂质掺入单元素半导体硅单晶中时，这1Iti三*JRZisF；：，鬼m，:刈MM图2.4(a)Y族替位杂质在禁带中引入的允许能级(b)HI族杂质的对应能态些杂质替代硅原子的位置进入晶格点。它的5个价电子除与相邻的硅原子形成共价键外，还多余1个价电子，与共价键相比，这个剩余价电子极松弛地结合于杂质原子。因此，只要杂质原子得到很小的能量，就可以释放出电子形成自由电子，而本身变成1价正离子，但因受晶格点阵的束缚，它不能运动。这种情况下，形
15、成电子过剩的n型半导体。这类可以向半导体提供自由电子的杂质称为施主杂质。其能带结构如图2.5所示。在n型半导体中，除存在从这些施主能级产生的电子外，还存在从价带激发到导带的电子。由于这个过程是电子-空穴成对产生的，因此，也存在相同数目的空穴.我们把数量多的电子称为多数载流子，将数量少的空穴称为少数载流子。TtrE女W.三x图2.5n型半导体的能带结构图2.6P型半导体的能带结构把In族元素(B、Al、Ga、In)作为杂质掺入时，由于形成完整的共价键上缺少个电子。所以，就从相邻的硅原子中夺取-个价电子来形成完整的共价键。被夺走的电子留下-个空位，成为空穴。结果，杂质原子成为1价负离子的同时，提供
16、了束缚不紧的空穴。这种结合用很小的能量就可以破坏，而形成自由空穴，使半导体成为空穴过剩的P型半导体，可以接受电子的杂质原子称为受主杂质。其能带结构如图2.6所示。这种情况下，多数载流子为空穴，少数载流子为电子。上述的例子都是由掺杂形成的n型或P型半导体，因此称为掺杂半导体。但为数很多的化合物半导体，根据构成元素某种过剩或不足，有时导电类型发生变化。另外，也有由于构成元素蒸气压差过大等原因，造成即使掺入杂质有时也得不到n、P两种导电类型的情况。1.1.2.3载流子浓度半导体处于热平衡状态时，多数载流子和少数载流子的浓度各自达到平衡值。因某种原因，少数载流子一旦超过平衡值，就将发生与多数载流子的复
17、合，企图恢复到原来的平衡的状态。设电子浓度为n,空穴浓度为p,则空穴浓度随时间的变化率由电子-空穴对的产生和复合之差给出下式：功否Wgylg(2.1)电子-空穴对的产生几率g是由价带中成为激发对象的电子数和导带中可允许占据的能级数决定。然而，空穴少于导带的允许能级时，不依赖于载流子数而成为定值。复合率正比于载流子浓度n与P的乘积，比例系数r表示复合几率。平衡状态时dpdt=O,由此可导出pn=g广士啼#_(2.2)它意味着多数载流子浓度和少数载流子浓度的乘积为确定值。这个关系式也适用于本征半导体,可得到式中，k-玻耳兹星常数: h一一普朗克常数；(2, 4)m*“一一电子有效质量；11*空穴有
18、效质量；T绝对温度；E1-一价带顶能量：Ec-导带底能量：Nv一一价带顶的有效态密度Nc-导带底的有效态密度假如知道半导体的禁带宽度Eg,就可以很容易地计算出本征载流子浓度。费米能级在描述半导体的能级图上是重要的参量。所谓费米能级，即为电子占据几率为1/2处的能级，可根据半导体电中性条件求出，即自由空穴浓度+电离施主浓度=自由电子浓度+电离受主浓度(2.5)而在n型半导体中靠近导带。在P型半 发生如图2. 6所示的变化。例如，n型(2. 6)费米能级在本征半导体中几乎位于禁带中央,导体中靠近价带。同时费米能级将根据掺杂浓度的不同,半导体中设施主浓度为N”可给出：Ec-EpkTn图2.6费米能级
19、与杂质浓度的关系P型半导体中设受主浓度为NC则可给出：Ef-EvIn(2.7)如果知道r杂质浓度就可以通过计算求得费米能级。1.1.2.4载流子的传输-、漂移在外加电场0的影响下，一个随机运动的自由电子在与电场相反的方向上有一个加速度a=U/m,在此方向上，它的速度随时间不断地增加。晶体内的电子处于一种不同的情况，它运动时的质量不同于自由电子的质量，它不会长久持续地加速，最终将与晶格原子、杂质原子或晶体结构内的缺陷相碰撞.这种碰撞将造成电子运动的杂乱无章，换句话说，它将降低电子从外加电场得到附加速度，两次碰撞之间的平均”时间称为弛理时间tr,由电子无规则热运动的速度来决定.此速度通常要比电场给
20、与的速度大得多，在两次碰撞之间由电场所引起的电子平均速度的增量称为漂移速度。导带内电子的漂移速度由下式得出：V=Lr=I(2.8)&2Iine(如果L是对所有的电子速度取平均，则去掉系数2)。电子载流子的迁移率定义为:Nd=(2.9)来自导带电子的相应的电流密度将是Je=qnvd=gf(2.10)对于价带内的空穴，其类似公式为Jll=qhp&(2.11)总电流就是这两部分的和。因此半导体的电导率b为=qen+qhP(2.12)其中P是电阻率。对于结晶质量很好的比较纯的半导体来说，使载流子速度变得紊乱的碰撞是由晶体的原子引起的.然而，电离了的掺杂剂是有效的散射体，因为它们带有净电荷。因此，随着半
21、导体掺杂的加重，两次碰撞间的平均时间以及迁移率都将降低。当温度升高时，基体原子的振动更剧烈，它们变为更大的靶”，从而降低了两次碰撞间的平均时间及迁移率。重掺杂时，这个影响就得不太显著，因为此时电离了的掺杂剂是有效的载流子的散射体。电场强度的提高，最终将使载流子的漂移速度增加到可与无规则热速度相比。因此，电子的总速度归根结底将随着电场强度的增加而增加。电场的增加使碰撞之间的时间及迁移率减小了。二、扩散除了漂移运动以外，半导体中的载流子也可以由于扩散而流动。象气体分子那样的任何粒子过分集中时，若不受到限制，它们就会自己散开。此现象的基本原因是这些粒子的无规则的热速度。粒子流与浓度梯度的负值成正比因
22、为电流与荷电粒子流成正比，所以对应于电子的维浓度梯度的电流密度是白dx其中D.是扩散常数。同样对于空穴，有Jh=-qD(2,14)从根本上讲，漂移和扩散两个过程是有关系的，因而，迁移率和扩散常数不是独立的，它们通过爱因斯坦关系相互联系，即左丁kT0=巴和/=一%kTq是在与太阳电池有关的关系式中经常出现的参数，它具有电压的量纲，室温时为26mv。1.1.2.5半导体的吸收系数半导体晶体的吸光程度由光的频率V利材料的禁带宽度所决定。当频率低、光子能量hv比半导体的禁带宽度及小时，大部分光都能穿透；随着频率变高，吸收光的能力急剧增强。吸收某个波长入的光的能力用吸收系数(hv)来定义。半导体的光吸收
23、由各种因素决定，这里仅考虑到在太阳电池上用到的电子能带间的跃迁。一般禁带宽度越宽，对某个波长的吸收系数就越小.除此以外，光的吸收还依赖于导带、价带的态密度。光为价带电子提供能量，使它跃迁到导带，在跃迁过程中，能量和动量守恒，对没有声子参与的情况，即不伴随有动量变化的跃迁称为直接跃迁，其吸收过程的形式示于图2.7,而图2.8间接带隙半导体的能量一晶体动量图伴随声子的跃迁称为间接跃迁，其吸收跃迁过程示于图2.8。图2.7直接带隙半导体的能量晶体动量图硅属于间接跃迁类型，其吸收系数上升非常平缓，所以在太阳光照射F,光可到达距表面20m以上相当深的地方，在此还能产生电子一空穴对。与此相反，对直接跃迁型
24、材料GaAs,在其禁带宽度附近吸收系数急剧增加，对能量大于禁带宛度的光子的吸收缓慢增加，此时，光吸收和电子一空穴对的产生，大部分是在距表面2m左右的极薄区域中发生。简言之，制造太阳电池时，用克接跃迁型材料，即使厚度很薄，也能充分的吸收太阳光，而用间接跃迁型材料，没有一定的厚度，就不能保证光的充分吸收.但是作为太阳电池必要的厚度，并不是仅仅由吸收系数来决定的，与少数载流广的寿命也有关系，当半导体掺杂时，吸收系数将向高能量一侧发生偏移.由于一部分光在半导体表面被反射掉，因此，进入内部的光实际上等于扣除反射后所剩部分。为了充分利用太阳光，应在半导体表面制备绒面和减反射层，以减少光在其表面的反射损失。
25、1.1.2.6载流子的复合-驰豫到平衡适当波长的光照射在半导体上会产生电子一空穴对。因此，光照射时材料的载流子浓度将超过无光照时的值。如果切断光源，则载流子浓度就衰减到它们平衡时的值。这个衰减过程通称为复合过程。下面将介绍几种不同的复合机构。二辐射复合辐射复合就是光吸收过程的逆过程。占据比热平衡时更高能态的电子有可能跃迁到空的低能态，其全部（或大部分）初末态间的能量差以光的方式发射。所有已考虑到的吸收机构都有相反的辐射复合过程。由于间接带隙半导体需要包括声子的两级过程，所以辐射复合在直接带隙半导体中比间接带隙半导体中进行得快。总的辐射复合速率L与导带中占有态（电子）的浓度和价带中未占有态（空穴
26、）的浓度的乘积成正比，即RR=Bnp（2.16）式中，B对给定的半导体来说是一个常数。由于光吸收和这种复合过程之间的关系，由半导体的吸收系数能够计算出B。热平衡时，即np=r时，复合率由数目相等但过程相反的产生率所平衡。在不存在由外部激励源产生载流子对的情况下，与上式相对应的净复合率Uli由总的复合率减去热平衡时的产生率得到，即UR=8（P-后）（2.17）对任何复合机构，都可定义有关载流子寿命（对电子）和（对空穴）它们分别为（2.18）式中，U为净复合率，n和AP是相应我流子从它们热平衡时的值n,和P的扰动。对An=Ap的辐射复合机构而言，由式（2.17）确定的特征寿命是T=/Po（2.19
27、）一也再+pJ硅的B值约为2xl0%6/s正如前面所说的直接带隙材料的复合寿命比间接带隙材料的小得多利用GaAS及其合金为t撷的商用半导体激光器和光发射二极管就是以嬲投合过程作为基础的.但对硅来说，其它的复合机梅远比这重要得多。三、俄歇复合在俄歇(AUger)效应中，电子与空穴复合时，将多余的能量传给第二个电子而不是发射光。图2.9示出了这个过程。然后，第二个电子通过发射声子弛豫l三l到它初始所在的能级。俄歇复合就是史熟悉的碰撞电离效应的逆过程。对具有充足的电子和空穴的材料来说，与俄歇过程有关的特征寿命分别是_=Cnp+O/或_=Cnp+Dp2(220)在每种情况下，右边的第一项描述少数载流子
28、能带的电子激发，第二项描述多数载流子能带的电子激发。由于第二项的影响，高掺杂材料中俄歇复合尤其显著。对于高质量硅，掺杂浓度大于1017cm,时，俄歇复合处于支配地位。出图2.9俄歇旦合过程多余的能量传给导带中的电f 多余的能量传给价带中的电子四、通过陷阱的复合前面己指出，半导体中的杂质和缺陷会在禁带中产生允许能级。这些缺陷能级引起-种很有效的两级复合过程。如图2.10 (a)所示，在此过程中，电子从导带能级弛像到缺陷 能级，然后再弛豫到价带，结果与一个空穴复合。图2.10(a)通过半导体禁带中的陷阱能级的两级复合过程(b)在半导体表面位于禁带中的表面态对此过程进行动力学分析可得，通过陷阱的净复
29、合一产生率Ur可写为(2D片尸+cp十Pl式中，5和%是寿命参数，它们的大小取决于陷阱的类型和陷阱缺陷的体密度，%和出是分析过程中产生的参数，此分析过程还引入一个复合速率与陷阱能E,的关系式：=NKJE-EA(2.22)ICexpIkJnp=足(2,23)式(2.22)在形式上与用费米能级表示电子浓度的公式很相似。如果口和中数量级相同，可知当n户Pl时，U有其峰值.当缺陷能级位于禁带间中央附近时，就出现这种情况。因此，在带隙中央引入能级的杂质是有效的复合中心。五、表面复合表面可以说是晶体结构中有相当严重缺陷的地方。如图2.10(b)所示，在表面处存在许多能量位于禁带中的允许能态。因此由上面所叙
30、述的机构，在表面处，复合很容易发生。单能级表面态每单位面积的净复合率Uli具有与2.21类似的形式，即UA=(AV”)24)rt+rtLP+P式中S.,和SMt是表面复合速度。位于带隙中央附近的表面态能级也是最有效的复合中心。1.1.2.7半导体器件物理学基本方程前面几节中己经概述了半导体的有关特性，这些内容现在将被归纳为一组能描述半导体器件工作的基本方程。这些方程的解使我们能够确定包括太阳电池在内的大部分半导体器件的理想特性。忽略其余两维空间的变化，方程组将写成一维的形式。1、泊松方程它描述了电场散度与空间电荷密度P之间的关系，在一维情况下，其形式为：U-=Q(2.25)必式中E是介电常数。
31、P为电荷密度。在半导体中，P值为p=qp-n+N+-N)(2.26)PA式中，P和n是空穴和电子的浓度，N和X分别是己电离的施主和受主的浓度。在正常情况下，大部分施主和受主都被电离，因此ASSND(2.27)式中N,和N、为施主和受主杂质的总浓度。2,电流密度方程电子和空穴通过漂移和扩散过程可对电流作出贡献.因此，电子和空穴的总电流密度J,和Jh的表达式为g P自-*迁移率和扩散系数的关系由爱因斯坦关系式D,=(kT/q).和D11=(kT/q)lJ确定。3、连续方程ffl 2.11推导电子连续方程用的单元体积参看图2.11中长为8、横截面积为A的单元体积，可以说这个体积中电子的净增加几率等于
32、它们进入的速率减去它们出去的速率，加上该体积中它们的产生率，减去它们的复合率,写成方程为：进入速率一出去速率=d-j(x)-J+趴)=&也&(2.29)产生率一复合率=4,(G-U)30)式中G是由于外部作用(如光照)所一引起的净产生率，U是净复合率。在稳态情况下，净增加率必须为0,这样就有1.也=U-Gqdx同样，对于空穴有1 力 =-(U-G)32)q dx4.方程组由上述方程，我们可得到应用于半导体器件的基本方程组:手=气p-ri+NNA)dxEJiq+qDdp,、Jh=hp-qDh-33)1.也=U-GdJh=_(/G)qdx利用计算机，通过引入一些考虑周详的近似处理，可能极简单地就可
33、求得这些方程的解。1.1.3半导体ph结1.1.3.1能带图在一块半导体晶体内，P型和n型紧接在一起时，将它们交界处称为Pn结当P型,n型单独存在时，费米能级如图2.12(a)所示，分别位于介带和导带附近.一旦形成Pn结，由于结两边的电子和空穴的浓度不同，电子就强烈地要从n区向P区扩散，空穴则要向相反方向扩散，其结果在n型-边出现正电荷，在P型一边出现负电荷，NK这两种电荷层在半导体内部建立了一个内建电场，这个电场反过来又在结处产生一个内部电位降，阻挡了电子和空穴的进一步扩散，包含这两种电荷层的空间称为耗尽区或空间电荷区.通过这个空间电荷区的作用，使费米育做成同一水平，达到平衡状态。图2.12
34、(b)表示pn结的能带图及从P区向n区变化的空间电荷区。内建电场从n区指向P区，形成势垒。在平衡状态下，由于扩散，从P区越过势垒向n区移动的空穴数目等同于空间电荷区附近n区中由于热运动产生的少数载流子空穴在空间电荷区内建电场的作用下漂移到P区的数R.因此S有电流流过。对于电子也可做同样的论述。1.1.3.2电流电压特性在Pn结上加偏置电压时，由于空间电荷区内没有载流子（又称为耗尽区）形成高阻区,因此，电压几乎全部跨落在空间电荷区上。当外加电压使得p区为正时，势垒高度减小，空穴从P区向n区的移动以及电子从n区向p区的移动变得容易，在两个区内有少数载流子注入，因此电流容易流动（称为正向）。当外加电
35、压使得n区为正时，势垒高度增加，载流子的移动就变得困难，几乎没有电流流过（此时称为反向）。当存在外加电压时，空间电荷区的n区边界和P区边界的空穴浓度P.及电子浓度n。如0当加正向电压时vo,加反向电压时vo.由于我们认为外加电压仅跨越在空间电荷区，所以可视为n区内没有电场，由空穴构同样，注入到区的少数载流子电子的电流密度J。为成的电流只是由于它KJ浓度梯度形成的扩即也流。(2. 38). _!图2.13 pn结的电流一电压特性故总电流密度J为:，产以丁+小丁总电流密度J具有如图2.13所示的整流特性。正向时，在电压较大的区域，电流密度与exp（qV/kT）成正比；反向时则趋近于-J。称J。为饱
36、和电流密度。1.2太阳电池工作原理1.2.1半导体的内光电效应当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：(1)价带电子；(2)自由电子或空穴(FreeCarrier)；(3)存在于杂质能级上的电子。太阳电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子得到光的能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为木征或固有吸收。太阳电池能量转换的基础是结的光生伏特效应。当光照射到Pn结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入P区，结果使n区储存了过剩的电子，
37、p区有过剩的空穴。它打应pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。此时，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，这个电流称作知:路电流,另一方面，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。由于此时结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定%的值。1.2.2太阳电池的能量转换过程太阳电池是将太阳能直接转换
38、成电能的器件。它的基本构造是由半导体的PN结组成。此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到较好的光电转换效率。本节以最普通的硅PN结太阳电池为例，详细地观察光能转换成电能的情况。首先研究使太阳电池工作时，在外部观测到的特性.图2.14表示了无光照时典型的电流电压特性(暗电流)。当太阳光照射到这个太阳电池上时，将有和暗电流方向相反的光电流1w流过。ngmIS2.11无光照及光照时电流一电压特性当给太阳电池连结负载R,并用太阳光照射时，则负载上的电流L和电压V。将由图中有光照时的电流一电压特性曲线与V=TR表示的直线的交点来确定。此时负载上有P点R的功率消耗，它清楚地表明正在进行着光电能量的转换。通过
39、调整负载的大小，可以在一个最佳的工作点上得到最大输出功率。输出功率(电能)与输入功率(光能)之比称为太阳电池的能量转换效率。下面我们把目光转到太阳电池的内部，详细研究能量转换过程。太阳电池由硅Pn结构成，在表面及背面形成无整流特性的欧姆接触。并假设除负载电阻R外，电路中无其它电阻成分。当具有hv(eV)(hvEs,ES为硅的禁带宽度)能量的光子照射在太阳电池上时，产生电子一空穴对。由于光子的能量比硅的禁带宽度大，因此电子被激发到比导带底还高的能级处。对于P型硅来说，少数载流子浓度n极小(一般小于10/cm),导带的能级几乎都是空的，因此电子又马上落在导带底。这时电子及空穴将总的hv-Eg(ev
40、)的多余能量以声子(晶格振动)的形式传给晶格。落到导带底的电子有的向表面或结扩散，有的在半导体内部或表面复合而消失了。但有一部分到达结的载流子，受结处的内建电场加速而流入n型硅中。在n型硅中，由于电子是多数载流子，流入的电子按介电驰豫时间的顺序传播，同时为满足n型硅内的载流子电中性条件，与流入的电子相同数目的电子从连接n型硅的电极流出。这时，电子失去相当于空间电荷区的电位高度及导带底和费米能级之间电位差的能量。设负载电阻上每秒每立方厘米流入N个电一子，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
41、电流L=I/exp(qV/nkT)T朝着与光激发产生的载流子形成的光电流匚相反的方向流动，因而流入负载电阻的电流值为Iu=J-UeXP(W739)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hV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1.3太阳电池的基本特性1.3.1短路电流太阳电池的短路电流等于其光生电流。分析短路电流的最方便的方法是将太阳光谱划分成许多段，每-段只有很窄的波长范围，并找出每-段光谱所对应的电流，电池的总短路电流是全部光谱段贡献的总和：fX()JX)A=i0-()9F()(2.40)式中
42、。-本征吸收波长限R(A)表面反射率F(N)一一太阳光谱中波长为九入+d间隔内的光子数。F()的值很大的程度上依赖于太阳天顶角。作为表示F()分布的参数是AM(AirMass).AM表示入射到地球大气的太阳直射光所通过的路程长度，定义为AM幺ecZ 瓦(2. 41式中：bo标准大气压b测定时的大气压Z太阳天顶距离一般情况下，b a b。,例如,AMl相当于太阳在天顶位置时的情况，AM2相当于太阳高度角为30。时的情况，AMO则表示在宇宙空间中的分布在实际的半导体表面的反射率与入射光的波长有关，一般为3050%。为防止表面的反射，在半导体表面制备折射率介于半导体和空气折射率之间的透明薄膜层。这个
43、薄膜层称为减反射膜(Antireflectivecoating).设半导体、减反射膜、空气的折射率分别为m、n1,%,减反射膜厚度为d1,则反射率R为(2. 42)r+r+2rrcos2A-f+2r7cos2式中：1=缶0-n1)/(ns+Iij)2=(n-n2)(nl+n2)=2Jtnd1A-波长显然，减反射膜的厚度也为1/4波长时，R为最小。即1&=时4%(2.43)一般在太阳光谱的峰值波长处，使得R变为最小，以此来决定4的值。以硅电池为例,因为在可见光至红外光范围内，硅的折射率为S=3.44.0,使式(2.43)为零，则n的值(J*卢2，n=l)为1.84n,2.0设=4800埃，则60
44、0埃d667埃，满足这些条件的材料一般可采用一氧化硅，在中心波长处，反射率达到1%左右。由于制备了减反射膜，短路电流可以增加3040%。此外，采用的减反射膜SiO(n11.5),AlA(nl*1.9),Sb2O3(n,1.9),TO、LA(n,2.25)o将具有不同折射率的氧化膜重叠二层,在满足一定的条件下，就可以在更宽的的波长范围内减少折射率。此外也可以将表面加工成棱锥体状的方法，来防止表面反射。1.3.2开路电压当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大小产生电动势，这就是开路电压。在式（2.39）中，设I=O（开路），q=q,则nkT1.=-InZ旬_.（2.44）在可以忽略串联、 Ld因
45、此并联电阻的影响时，%为与入射光强度成正比的值，在很弱的阳光下，%=迎乙=九%（245）q4nkT其中RO=qk在很强的阳光下,V-咳二r（2.46）由此可见，在较弱阳光时，硅太阳电池的开路电压随光的强度作近似宜线的变化。而当有较强的阳光时，V.则与入射光的强度的对数成正比图2.15表示具有代表性的硅和GaAs太阳电池的L与上之间的关系。Si与GaAS比较，因GaAs的禁带宽度宽，故I”值比Si的小几个数量级，GaAs的心值比Si的高0.45伏左右。假如结形成的很好，禁带宽度愈宽的半导体，V也愈大。图2.15开路电压与短路电流的关系1.33太阳电池的输出特性1.3.3.1等效电路为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一等效电路来模拟。在恒定光照下,一个处于工作状态的太阳电池，其光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可把它看作是恒流源.光电流一部分流经负载Rl,在负载两端建立起端电压V,反过来它又正向偏置于p-n结二极管，引起一股与光电流方向相反的暗电流I*,这样，一个理想的PN同质结太阳电池的等效电路就被绘制成如图2.16(a)所示。但是，由于前面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。流经负载的电流,经过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示。由于电池边沿的漏电和制作金属
