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 如何提高太陽能電池的光電轉換效率呢？

首先我們需要知道太陽電池的工作原理。光伏發(fā)電的基礎是光生伏特效應，它是指當某種結構的半導體器件受到光照射時將產(chǎn)生直流電壓（或電流），當光停止照射后電壓（或電流）則立即消失的現(xiàn)象。這個半導體器件的結構大體上就是一個大面積的平面的p-n結。在光照射下，能量大于半導體禁帶寬度的光子，使得半導體中原子的價電子受到激發(fā)，在p區(qū)、空間電荷區(qū)和n區(qū)都會產(chǎn)生光生電子-空穴對，也稱光生載流子。這樣形成的電子-空穴對由于熱運動，向各個方向遷移。

光生電子-空穴對在空間電荷區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場分離，光生電子被推進n區(qū)，光生空穴被推進p區(qū)。在空間電荷區(qū)邊界處總的載流子濃度近似為0。在n區(qū)，光生電子-空穴產(chǎn)生后，光生空穴便向 p-n 結邊界擴散，一旦到達 p-n 結邊界，便立即受到內(nèi)建電場的作用，在電場力作用下作漂移運動，越過空間電荷區(qū)進入p區(qū)，而光生電子（多數(shù)載流子）則被留在n區(qū)。p區(qū)中的光生電子也會向 p-n 結邊界擴散，并在到達 p-n 結邊界后，同樣由于受到內(nèi)建電場的作用而在電場力作用下作漂移運動，進入n區(qū)，而光生空穴（多數(shù)載流子）則被留在p區(qū)。

因此在 p-n 結兩側形成了正、負電荷的積累，形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。這個電場除了一部分抵消內(nèi)建電場以外，還使p型層帶正電，n型層帶負電，因此產(chǎn)生了光生電動勢。如圖（1）所示。


一、影響太陽能電池光電轉換效率的因素

知道了太陽電池的工作原理，下面我們來討論究竟是什么因素影響了太陽電池的光電轉換效率。我們知道，太陽電池的工作過程大致可以有四個部分，即：1、照射到電池表面的光子（能量大于半導體的禁帶寬度）被吸收，產(chǎn)生電子空穴對；2、電子空穴對被內(nèi)建電場分離，在PN結兩端產(chǎn)生電勢；3. 將PN結用導線連接，形成電流；4、在太陽電池兩端連接負載，實現(xiàn)了將光能向電能的轉換。所以，在這四個過程中，就相應的出現(xiàn)了光電轉換效率的影響因素，即吸收過程中的光學損失，光伏轉換過程的光激發(fā)電子空穴對的復合，電流輸出過程的損耗等。下面我們逐一介紹。

1、光學損失

由于光照射到電池板上，在正反兩面發(fā)生的反射、折射等現(xiàn)象，或者能量小于或大于半導體的禁帶寬度的光子未被吸收，以及電極、柵線等的阻隔，從而降低了電池的短路電流。僅這一項損失就使標準電池的轉換效率局限至44％左右。光學損失的示意圖如圖（2）所示。

2、光激發(fā)電子空穴對的復合

復合損失不僅影響電流收集（短路電流）而且影響正向偏壓注入電流（開路電壓）。

復合經(jīng)常是按照它在電池中發(fā)生的區(qū)域分類。如在表面的復合稱為表面復合；電池內(nèi)部的復合稱為體復合，體復合是電池的主要的復合；在耗盡區(qū)的復合被稱為耗盡區(qū)復合。

3、電流輸出過程的損失

太陽能電池的等效電路如圖（3）所示。根據(jù)電路知識，太陽能電池等效為一個理想電流源、 一個正向二極管、一個串聯(lián)電阻和一個并聯(lián)電阻。所以，在負載一定的條件下，串聯(lián)電阻越大，并聯(lián)電阻越小，那么電流在輸出的過程中的損耗就越大，即流經(jīng)負載上的電流就越小。這就是電流在傳輸過程中的損失。

二、提高太陽電池效率的主要措施

針對以上三種引起太陽電池轉換效率下降的因素，我們設計太陽電池的主要原則是：

盡可能的增加電池的光收集能力和被電池吸收的光轉變?yōu)檩d流子數(shù)量。

盡力提高p-n結對光生載流子的收集能力

盡可能的減少正向偏壓下暗電流

盡可能降低電流流出太陽電池時的電阻損失

1、為了盡量減少光學損失，我們主要有以下措施：

電池表面的上接觸面積盡可能的?。ūM管這可能會提高串聯(lián)電阻）

光照面使用減反射膜

利用表面刻蝕減少反射

增加電池厚度提高光吸收（盡管由于載流子復合吸收的光不一定貢獻電流）

表面刻蝕與陷光結構增加光在電池中的光路

（1）選取禁帶寬度合適的材料

太陽光的光譜的利用范圍是0.8—1.6eV。因此如果能夠有一種材料，制成半導后的禁帶寬度恰好在這個范圍，那么紅外線、紫外線和可見光都能被吸收。因此，發(fā)明了多結太陽電池，即兩個甚至是兩個以上不同禁帶寬度的pn結疊加在一起，從而更加有效地吸收太陽光。然而，這造成了成本的提高，在此不贅述。

（2）陷光結構（light trapping）降低光學損失

器件厚度的優(yōu)化不能僅僅考慮光吸收。如果吸收的光不在pn結的擴散長度之內(nèi)，那么產(chǎn)生的光生載流子會因為復合而損失掉。對于吸收能力相同的電池，更薄的電池的電壓將會更高。

因此，典型的優(yōu)化的電池具有陷光結構，此時光路長度將會是沒有陷光結構的電池的幾倍。光路長度是指一個未被吸收的光子在它逃離器件之前在電池內(nèi)走的距離 。光路長度常常用器件厚度表示，例如一個沒有陷光結構的電池可能有一個器件厚度的光路長度，而一個具有陷光結構的電池可能有50個器件厚度的光路長度，這暗示著光將在電池內(nèi)部來回好多次。陷光效果的取得：當入射光照射在一個有角度的表面時，入射光傳播的角度會發(fā)生變化

絨面結構不僅可以降低反射，而且可以使得光重復傾斜地在電池內(nèi)傳輸，從而增加光路長度。

（3）背反射膜Lambertian Rear Reflectors

背反射是為了將到達電池背表面即將要逃離出電池的光再反射到電池內(nèi)部，增加吸收。原理圖如圖（4）所示


2、 減少電子—空穴對的復合

采用具有合適性能的半導體材料（尤其是光生載流產(chǎn)壽命長的材料）可以將載流產(chǎn)復合損失降至最低，也就是減少材料缺陷從而消除載流子復合通道。載流子壽命此時決定于心池內(nèi)部的輻射復合，它是光激發(fā)過程的逆過程。

為了減少復合，我們希望：結末端的少子數(shù)量，越多越好；材料內(nèi)的擴散長度；低的擴散長度意味著少子由于復合將很快從結末端消失，要使復合最小化，取得高的電壓，需要高的擴散長度。擴散長度與材料類型、制備工藝過程和摻雜有關，高的摻雜降低擴散長度。摻雜不能太高，也不能太低（同時影響電流和電壓）；在一個擴散長度范圍內(nèi)的局域復合源，越少越好。

因此，我們的措施是利用鈍化技術減少表面缺陷可以有效降低表面復合。（電子工業(yè)常用的有二氧化硅層鈍化層）。商業(yè)化電池，一般采用氮化硅為鈍化層（silicon nitride）或氧化硅。由于鈍化層通常是絕緣的，因此在電池上任何有歐姆接觸的地方（引出電流的地方）不能采用鈍化層，一般采用提高摻雜來降低前接觸部分的表面復合。

3、電極設計

電極就是與P-N結兩端形成緊密歐姆接觸的導電材料。這樣的材料應該滿足：與硅可形成牢固的接觸而且接觸電阻小、導電性優(yōu)良、遮擋面積小、收集效率高等要求。所示設計原則：讓電池的輸出最大，即電池的串聯(lián)電阻盡可能小且電池的光照作用面積盡可能大。商品化電池生產(chǎn)中大量被采用的工藝是鋁漿印刷。

4、減小串聯(lián)電阻，增大并聯(lián)電阻

串聯(lián)電阻主要是由硅片基體電阻、 擴散方塊電阻、 柵線電阻、燒結后的接觸電阻等組成。因此提高硅片的質量，可以減小它決定的基體電阻；另外金屬柵線要窄和厚，即能減少對光的遮擋，又能保持低的電阻形成良好的p-n結，結深0.5微米左右；電極形成好的歐姆接觸等也可以減小串聯(lián)電阻，從而增大負載上的功率。

并聯(lián)電阻是由邊緣漏電、 體內(nèi)雜質和微觀缺陷、PN結局部短路等組成。邊緣良好的絕緣、材料缺陷少、形成良好的p-n結等可以提高并聯(lián)電阻。

原標題：如何提高光伏電池的光電轉換效率？