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光的特性

各個(gè)區(qū)間波長的分布見下圖，可見光，又可分為紫光(390-450)藍(lán)光（450--490nm），綠光(490-570nm)，紅光（620-780nm）.

光子的能量跟波長成反比，h為普朗克常數(shù)，C為光速，都為常量。下面公式1是基于把光當(dāng)成電磁波來看。

大氣質(zhì)量：太陽光穿過大氣層的路徑，AM1.5為1.5倍垂直入射穿過大氣層的距離，也就是θ=48度。AM0條件下，太陽能垂直入射到地球最大的光強(qiáng)為1366W/㎡。

二極管以及光伏發(fā)電原理

價(jià)帶：共價(jià)鍵束縛載流子自由移動(dòng)，不能參與導(dǎo)電。

導(dǎo)帶：電子可以自由移動(dòng)。

禁帶：介于價(jià)帶和導(dǎo)帶之間。

禁帶寬度：一個(gè)電子從價(jià)帶運(yùn)動(dòng)到能參與導(dǎo)電的自由狀態(tài)所需要吸收的最低能量值，硅材料禁帶寬度1.12ev，對(duì)應(yīng)110nm波段。

載流子：電子和空穴都能參與導(dǎo)電并都稱為。

電子移向?qū)У倪\(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了電子本身的移動(dòng)。

電子移動(dòng)過程還產(chǎn)生了空穴在價(jià)帶中的移動(dòng)。

本征載流子：沒有注入能改變載流子濃度的雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料叫做本征材料，濃度跟材料本身以及溫度有關(guān)系，且電子空穴數(shù)目相等。

N型半導(dǎo)體：摻雜后多子帶負(fù)電，例如摻磷。

P型半導(dǎo)體：摻雜后多子帶正電，例如摻硼，摻鎵。

晶體硅的原子結(jié)構(gòu)，最外層電子由四對(duì)共用電子對(duì)組成。

太陽能電池片最重要的參數(shù)

禁帶寬度：電子從從價(jià)帶到導(dǎo)帶躍遷需要的最小能量；

導(dǎo)帶自由載流子數(shù)量；

光照條件下產(chǎn)生和復(fù)合的自由載流子數(shù)量。
本征載流子濃度由材料以及溫度所決定，溫度越高，載流子濃度越高。

平衡載流子濃度：在沒有偏置情況下，導(dǎo)帶和價(jià)帶的載流子數(shù)量稱為平衡載流子濃度。多子數(shù)量等于本征自由載流子數(shù)量加上參雜的自由載流子數(shù)量，一般情況下，參雜的載流子數(shù)量大于本征載流子數(shù)量的幾個(gè)數(shù)量級(jí)，也就是約等于參雜濃度。

Ni: 本征載流子數(shù)量， n0p0分別代表電子和空穴載流子數(shù)量。

光的吸收：

1.Eph<Eg 光子能量Eph小于禁帶寬度Eg，光子與半導(dǎo)體的相互作用很弱，只是穿過，似乎半導(dǎo)體是透明的一樣。

2.Eph=Eg 光子的能量剛剛好足夠激發(fā)出一個(gè)電子-空穴對(duì)，能量被完全吸收。

3.Eph>Eg 光子能量大于禁帶寬度并被強(qiáng)烈吸收。

吸收深度：

400nm以下紫外波段，在硅片厚度0.1um處被完全吸收。

400—800nm可見光波段，在硅片厚度10um處被完全吸收。

800-1000nm近紅外波段，在硅片厚度100um處被完全吸收。

1100nm近紅外處波段，能穿透硅片厚度超過1000um。

載流子的產(chǎn)生率：
不同波段光在電池片厚度的產(chǎn)生率： 藍(lán)光在0.1um處被完全吸收；紅光在50um處幾乎被完全吸收； 近紅外光在100um處還能激發(fā)表面90%的載流子，吸收很慢。

全波段總的生成率：在電池片表面，因短波段基本集中在表面，故激發(fā)的載流子數(shù)量最多，然后隨著硅片厚度增加光的吸收逐步遞減，導(dǎo)致載流子數(shù)量逐步減少。

三種復(fù)合：

• 輻射復(fù)合：電子空穴的復(fù)合，激發(fā)出近似禁帶寬度的1100nm的光，也是EL/PL發(fā)光的原理。

• 俄歇復(fù)合：涉及兩個(gè)電子，一個(gè)空穴。電子跟空穴復(fù)合，傳遞能量給另外一個(gè)電子做運(yùn)動(dòng)，沒有光激發(fā)。主要體現(xiàn)在重?fù)诫s或者加熱高溫材料。

• 肖克萊-雷德-霍爾復(fù)合：也叫復(fù)合中心的復(fù)合或者缺陷復(fù)合，直接吸收電子或者空穴，輻射出能量非常弱的光。

擴(kuò)散長度/少子壽命

少子擴(kuò)散長度：在復(fù)合之前一個(gè)載流子從產(chǎn)生處開始運(yùn)動(dòng)的平均路程。

少子壽命：在復(fù)合之前一個(gè)載流子從產(chǎn)生到復(fù)合的平均時(shí)間。

表面復(fù)合

半導(dǎo)體表面的缺陷是由于晶格排列在表面處的中斷照成的，即在表面處產(chǎn)生掛鍵，所以電池表面是一個(gè)復(fù)合率非常高的區(qū)域。減少掛鍵的數(shù)目可以通過在半導(dǎo)體表面處生長一層薄膜以連接這些掛鍵，這種方法也叫做表面鈍化。

載流子的運(yùn)動(dòng)：在大多數(shù)情況下，電子是電場(chǎng)相反的方向運(yùn)動(dòng)。

擴(kuò)散：

在兩個(gè)不同濃度的區(qū)域之間將會(huì)出現(xiàn)載流子梯度。載流子將從高濃度區(qū)域流向低濃度區(qū)域。

漂移：

由外加電場(chǎng)所引起的載流子運(yùn)動(dòng)叫“漂移運(yùn)動(dòng)”。

PN結(jié)：

n型半導(dǎo)體區(qū)域的電子濃度很高，而p型區(qū)域的空穴濃度很高，所以電子從n型區(qū)擴(kuò)散到p型區(qū)，同理，空穴從P型區(qū)擴(kuò)散到n型區(qū)。當(dāng)電子和空穴運(yùn)動(dòng)到pn結(jié)的另一邊時(shí)，也在雜質(zhì)原子區(qū)域留下了與之相反的電荷，這種電荷被固定在晶格當(dāng)中不能移動(dòng)。在n型區(qū)，被留下的便是帶正電的原子核，相反，在p型區(qū)，留下的是帶負(fù)電的原子核。于是，一個(gè)從n型區(qū)的正離子區(qū)域指向p型區(qū)的負(fù)離子區(qū)域的電場(chǎng)E就建立起來了。這個(gè)電場(chǎng)區(qū)域叫做“耗盡區(qū)”，因?yàn)榇穗妶?chǎng)能迅速把自由載流子移走，因此，這個(gè)區(qū)域的自由載流子是被耗盡的。

正向偏壓下的二極管（核心知識(shí)點(diǎn)）

正向偏壓（也叫正向偏置）指的是在器件兩邊施加電壓，以使得pn結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)減小。電場(chǎng)的減小將破壞pn結(jié)的平衡，即減小了對(duì)載流子從pn結(jié)的一邊到另一邊的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙，增大擴(kuò)散電流。

從pn結(jié)的一端到另一端的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的增加導(dǎo)致了少數(shù)載流子（少子）往耗散區(qū)邊緣的注入。這些少數(shù)載流子由于擴(kuò)散而漸漸遠(yuǎn)離pn結(jié)并最終與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合。在正向偏置下的擴(kuò)散電流也是復(fù)合電流。復(fù)合的速度越高，通過pn結(jié)的擴(kuò)散電流就越大。“暗飽和電流”（I0）是區(qū)別兩種不同二極管的非常重要的參數(shù)。I0是衡量一個(gè)器件復(fù)合特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，二極管的復(fù)合速率越大，I0也越大。

反向偏壓

反向偏置電壓是指在器件兩端加電場(chǎng)，以使pn結(jié)增大。在pn結(jié)中的內(nèi)建電場(chǎng)越大，載流子能從pn結(jié)一段擴(kuò)散至另一端的概率就越小，即擴(kuò)散電流就越小。

理想二極管方程：

I為通過二極管的凈電流；

I0為暗飽和電流（在沒有光照情況下輸出的電流），I0隨著T的升高而增大。在溫度為300k時(shí)，KT/q=25.85mV。

V是施加在二極管兩端的電壓；

q和k分別代表電荷的絕對(duì)值和玻耳茲曼常數(shù)；

T則表示絕對(duì)溫度（K）。

收集概率：（可結(jié)合載流子產(chǎn)生率對(duì)比）

“收集概率”描述了光照射到電池的某個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的載流子被pn結(jié)收集并參與到電流流動(dòng)的概率，它的大小取決于光生載流子需要運(yùn)動(dòng)的距離和電池的表面特性。在耗散區(qū)的所有光生載流子的收集概率都是相同的，因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域的電子空穴對(duì)會(huì)被電場(chǎng)迅速地分開。當(dāng)載流子在與電場(chǎng)的距離大于擴(kuò)散長度的區(qū)域產(chǎn)生時(shí)，那么它的收集概率是相當(dāng)?shù)偷?。相似的，如果載流子是在靠近電池表面這樣的高復(fù)合區(qū)的區(qū)域產(chǎn)生，那么它將會(huì)被復(fù)合。下面的圖描述了表面鈍化和擴(kuò)散長度對(duì)收集概率的影響。

量子效率：

所謂“量子效率”，即太陽能電池所收集的載流子的數(shù)量與入射光子的數(shù)量的比例。量子效率即可以與波長相對(duì)應(yīng)又可以與光子能量相對(duì)應(yīng)。如果某個(gè)特定波長的所有光子都被吸收，并且其所產(chǎn)生的少數(shù)載流子都能被收集，則這個(gè)特定波長的所有光子的量子效率都是相同的。而能量低于禁帶寬度的光子的量子效率為零。下圖將描述理想太陽能電池的量子效率曲線。


光伏效應(yīng)（核心知識(shí)點(diǎn)）

電池開路的情況下，pn結(jié)的正向偏壓處在新的一點(diǎn)，此時(shí)，光生電流大小等于擴(kuò)散電流大小，且方向相反，即總的電流為零。

電池短路的情況下，將不會(huì)出現(xiàn)電荷的聚集，因?yàn)檩d流子都參與了光生電流的流動(dòng)，短路電流等于光生電流（同樣等于開壓狀態(tài)下內(nèi)部擴(kuò)散電流）。

工作狀態(tài)下，其電流等于光生電流減去太陽能電池內(nèi)部擴(kuò)散電流。

短路電流等于光生電流，且等于內(nèi)建電場(chǎng)作用下的漂移電流，也是電池片能提供的最大的電流。

開路電壓下，光生載流子導(dǎo)致正向偏壓從而消弱內(nèi)建電場(chǎng)，增加擴(kuò)散電流，光生電流等于擴(kuò)散電流且方向相反。

工作狀態(tài)下，流出電池的電流大小就等于光生電流與擴(kuò)散電流的差。

內(nèi)建電場(chǎng)代表著對(duì)前置擴(kuò)散電流的障礙，所以電場(chǎng)減小的同時(shí)也增大擴(kuò)散電流。

復(fù)合機(jī)制對(duì)開路電壓的影響（核心難點(diǎn)）

PN結(jié)邊緣的少子數(shù)量，越少，耗盡區(qū)越寬，則需要增加摻雜濃度。

擴(kuò)散長度。 摻雜濃度越高，擴(kuò)散長度越低（擴(kuò)散電流越大），則需要降低摻雜濃度。

二者需要達(dá)到平衡。
ECV曲線解讀

體電阻（硅片電阻率）：電阻是縱向的，電子垂直移動(dòng)然后到達(dá)表面。故移動(dòng)的距離為電池片厚度，橫截面為電池片面積，即R=ρW/A

方塊電阻：電阻是橫向的，不是垂直縱向，即橫截面積等于距離L乘以厚度T，所以電阻R=ρ L / （L*T），只要L是正方形邊長，則方塊電阻只跟電阻率以及N區(qū)厚度有關(guān)系。

方塊電阻的測(cè)量非常容易，通過四探針測(cè)試方法，外面兩根探針提供電流，中間兩根探針處產(chǎn)生壓降，N區(qū)和P區(qū)之間的PN結(jié)做為結(jié)緣體。注意測(cè)試必須在暗室。

太能能電池等效電路圖(核心知識(shí)點(diǎn))

引起串聯(lián)電阻的因素有三種：

第一，穿過電池發(fā)射區(qū)和基區(qū)的電流流動(dòng)；

第二，金屬電極與硅之間的接觸電阻；

第三便是頂部和背部的金屬電阻。串聯(lián)電阻對(duì)電池的主要影響是減小填充因子，此外，當(dāng)阻值過大時(shí)還會(huì)減小短路電流。串聯(lián)電阻并不會(huì)影響到電池的開路電壓，因?yàn)榇藭r(shí)電池的總電流為零，所以串聯(lián)電阻也為零。

并聯(lián)電阻RSH造成的顯著的功率損失通常是由于制造缺陷引起的。

溫度效應(yīng)

本征載流子隨著溫度高，濃度高，導(dǎo)致暗電流增加，復(fù)合增加，從而導(dǎo)致開路電壓下降。

原標(biāo)題：光伏基礎(chǔ)原理