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 如何提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)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(chǔ)是光生伏特效應(yīng)，它是指當(dāng)某種結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件受到光照射時(shí)將產(chǎn)生直流電壓（或電流），當(dāng)光停止照射后電壓（或電流）則立即消失的現(xiàn)象。這個(gè)半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)大體上就是一個(gè)大面積的平面的p-n結(jié)。在光照射下，能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子，使得半導(dǎo)體中原子的價(jià)電子受到激發(fā)，在p區(qū)、空間電荷區(qū)和n區(qū)都會(huì)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，也稱光生載流子。這樣形成的電子-空穴對(duì)由于熱運(yùn)動(dòng)，向各個(gè)方向遷移。

光生電子-空穴對(duì)在空間電荷區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場(chǎng)分離，光生電子被推進(jìn)n區(qū)，光生空穴被推進(jìn)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(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá) p-n 結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場(chǎng)的作用，在電場(chǎng)力作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，越過空間電荷區(qū)進(jìn)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(huì)向 p-n 結(jié)邊界擴(kuò)散，并在到達(dá) p-n 結(jié)邊界后，同樣由于受到內(nèi)建電場(chǎng)的作用而在電場(chǎng)力作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，進(jìn)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(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)除了一部分抵消內(nèi)建電場(chǎng)以外，還使p型層帶正電，n型層帶負(fù)電，因此產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)。如圖（1）所示。


一、影響太陽能電池光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率。我們知道，太陽電池的工作過程大致可以有四個(gè)部分，即：1、照射到電池表面的光子（能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度）被吸收，產(chǎn)生電子空穴對(duì)；2、電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離，在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電勢(shì)；3. 將PN結(jié)用導(dǎo)線連接，形成電流；4、在太陽電池兩端連接負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了將光能向電能的轉(zhuǎn)換。所以，在這四個(gè)過程中，就相應(yīng)的出現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換效率的影響因素，即吸收過程中的光學(xué)損失，光伏轉(zhuǎn)換過程的光激發(fā)電子空穴對(duì)的復(fù)合，電流輸出過程的損耗等。下面我們逐一介紹。

1、光學(xué)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(dǎo)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(xiàng)損失就使標(biāo)準(zhǔn)電池的轉(zhuǎn)換效率局限至44％左右。光學(xué)損失的示意圖如圖（2）所示。

2、光激發(fā)電子空穴對(duì)的復(fù)合

復(fù)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(fù)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(fù)合稱為表面復(fù)合；電池內(nèi)部的復(fù)合稱為體復(fù)合，體復(fù)合是電池的主要的復(fù)合；在耗盡區(qū)的復(fù)合被稱為耗盡區(qū)復(fù)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(shí)，太陽能電池等效為一個(gè)理想電流源、 一個(gè)正向二極管、一個(gè)串聯(lián)電阻和一個(gè)并聯(lián)電阻。所以，在負(fù)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(fù)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(duì)以上三種引起太陽電池轉(zhuǎn)換效率下降的因素，我們?cè)O(shè)計(jì)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(zhuǎn)變?yōu)檩d流子數(shù)量。

盡力提高p-n結(jié)對(duì)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(shí)的電阻損失

1、為了盡量減少光學(xué)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(huì)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(fù)合吸收的光不一定貢獻(xiàn)電流）

表面刻蝕與陷光結(jié)構(gòu)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(dǎo)后的禁帶寬度恰好在這個(gè)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(jié)太陽電池，即兩個(gè)甚至是兩個(gè)以上不同禁帶寬度的pn結(jié)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(jié)構(gòu)（light trapping）降低光學(xué)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(jié)的擴(kuò)散長度之內(nèi)，那么產(chǎn)生的光生載流子會(huì)因?yàn)閺?fù)合而損失掉。對(duì)于吸收能力相同的電池，更薄的電池的電壓將會(huì)更高。

因此，典型的優(yōu)化的電池具有陷光結(jié)構(gòu)，此時(shí)光路長度將會(huì)是沒有陷光結(jié)構(gòu)的電池的幾倍。光路長度是指一個(gè)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(gè)沒有陷光結(jié)構(gòu)的電池可能有一個(gè)器件厚度的光路長度，而一個(gè)具有陷光結(jié)構(gòu)的電池可能有50個(gè)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(dāng)入射光照射在一個(gè)有角度的表面時(shí)，入射光傳播的角度會(huì)發(fā)生變化

絨面結(jié)構(gòu)不僅可以降低反射，而且可以使得光重復(fù)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(dá)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(duì)的復(fù)合

采用具有合適性能的半導(dǎo)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(fù)合損失降至最低，也就是減少材料缺陷從而消除載流子復(fù)合通道。載流子壽命此時(shí)決定于心池內(nèi)部的輻射復(fù)合，它是光激發(fā)過程的逆過程。

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

因此，我們的措施是利用鈍化技術(shù)減少表面缺陷可以有效降低表面復(fù)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(fù)合。

3、電極設(shè)計(jì)

電極就是與P-N結(jié)兩端形成緊密歐姆接觸的導(dǎo)電材料。這樣的材料應(yīng)該滿足：與硅可形成牢固的接觸而且接觸電阻小、導(dǎo)電性優(yōu)良、遮擋面積小、收集效率高等要求。所示設(shè)計(jì)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(kuò)散方塊電阻、 柵線電阻、燒結(jié)后的接觸電阻等組成。因此提高硅片的質(zhì)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(duì)光的遮擋，又能保持低的電阻形成良好的p-n結(jié)，結(jié)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(fù)載上的功率。

并聯(lián)電阻是由邊緣漏電、 體內(nèi)雜質(zhì)和微觀缺陷、PN結(jié)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(jié)等可以提高并聯(lián)電阻。

原標(biāo)題：如何提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率？