太阳能电池

Solar Cell也称光伏电池、光伏器件、photovoltaic cell

通过吸收光子、分离并收集载流子，把入射光能转换成可交付负载的电能的半导体器件。

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光子在吸收层产生电子和空穴，但只有在复合前被收集到外电路的载流子才能形成有用输出。常见 PN 结太阳能电池利用耗尽区漂移和中性区扩散共同收集；结构设计需要兼顾吸收、复合、接触电阻和光学损失。

系统理解

约 2 分钟

太阳能电池通常在不外加反向偏压的光伏模式下工作。吸收层的带隙规定普通带间吸收的低能边界，而高于带隙的光子也不能把全部能量转成电功。PN 结附近的电场有助于分离和收集载流子，中性区产生的少数载流子则需要扩散到收集区。吸收厚度、扩散长度、表面与晶界复合、前后接触和光学结构共同决定有多少光生载流子真正到达负载。

在 PN 结、能隙与复合基础上，把光吸收、载流子收集和负载输出连成完整的器件工作链；再进入太阳能电池表征理解电流、电压与效率。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
吸收系数	cm⁻¹	表征给定波长光在材料中随深度衰减的程度
少数载流子扩散长度	μm	扩散与复合竞争下的特征输运长度
表面复合速度	cm/s	表征特定表面边界的载流子复合强弱

常见误区

吸收了光子就一定产生可输出的电流。
耗尽区之外产生的载流子都没有作用。
薄膜、多晶和低效率是可以互相替换的概念。

工程深入

12 条结论

从光子到外电路

定义

太阳能电池面向负载电输出进行优化

太阳能电池把光辐射转换为交付负载的电能。与以特定波段信号检测为目标的光电探测器相比，它通常更强调较大受光面积、较宽太阳光谱响应与功率转换效率。^{1, 2}

成立条件 讨论光伏发电工作模式。；常见 PN 结实现不能代表全部新型光伏结构。

边界

带隙限制普通带间吸收的低能光子利用

在普通单结的带间吸收模型中，光子能量低于吸收层带隙时，不能通过该带间过程产生用于电输出的电子空穴对。缩小带隙可以扩大可吸收的光谱范围，但不等于转换效率单调提高。^{1, 2}

成立条件 不计中间带、缺陷辅助、多光子和载流子倍增等额外机制。；带隙与输出电压的权衡需要同时考虑。

机制

高于带隙的光子能量并非全部变成电功

普通热化单结电池吸收高能光子后，载流子高于带边的部分能量可通过热化散失。增加高能光子的吸收不等于消除了热化损失。^{1, 2}

成立条件 采用普通单结、载流子热化的能量转换模型。；不涵盖专门利用热载流子或载流子倍增的结构。

漂移、扩散与复合

机制

耗尽区光生载流子主要依靠漂移收集

PN 结耗尽区的电场可以使光生电子和空穴向不同方向输运。当离开场区的时间短于复合时间时，该区域吸收产生的载流子具有较高收集概率。^{1, 2}

成立条件 耗尽区具有足够电场，且收集时间与复合时间的比较成立。；不能将理想近似下的完全收集推广到所有器件。

机制

中性区也能贡献有用光生电流

在电场可忽略的均匀中性区，光生少数载流子可以通过扩散到达结附近的收集区。因此，有效光生电流并不只来自耗尽层内部吸收。^{1, 2}

成立条件 采用中性区近似均匀、扩散主导的 PN 结模型。；到达收集区之前的复合损失不能忽略。

边界

扩散长度需要与实际输运路径比较

光生少数载流子的输运路径若相对扩散长度过长，部分载流子会在到达收集区之前复合。光学吸收量与外电路收集量不是同一件事。^{1, 2}

成立条件 存在有限少数载流子寿命且相关区域以扩散为主要输运方式。；收集概率还与表面和接触边界条件有关。

结构设计与材料边界

机制

前表面金属栅线存在遮光与电阻的折中

前表面接触栅线有助于降低导电路径的串联电阻，但不透明金属也会遮住一部分入射光。栅线设计需要同时考虑电阻损失与遮光损失。¹

成立条件 适用于具有前表面不透明金属栅线的太阳能电池。；背接触或透明接触结构的具体约束不同。

机制

减反射层和织构减少光学反射损失

减反射层可以针对一定光谱与入射条件降低表面反射，表面织构则可使部分反射光再次进入材料。两者改善的是光学耦合，最终效率仍受电学损失约束。^{1, 2}

成立条件 讨论适配相应材料、光谱和几何的光学结构。；不能把任意粗糙化都等同于全器件效率改善。

机制

背表面场降低背接触附近的少数载流子损失

在适当的背表面重掺杂结构中，势垒可以使部分少数载流子远离复合较强的背接触，改善其被收集的机会。以 n⁺–p–p⁺ 结构为例，背侧高掺杂区影响 p 型基区中电子的输运。^{1, 2}

成立条件 限定具有相应掺杂梯度和能带势垒的背表面场结构。；载流子类型与能带方向需随器件掺杂结构判断。

边界

吸收层厚度不能只按吸收率单独选择

增加吸收层厚度可以提高部分波段的吸收，但若新增吸收发生在难以收集的区域，输出电流未必按相同比例增加。厚度设计需要把吸收长度、输运长度与边界复合一起考虑。^{1, 2}

成立条件 吸收系数与载流子收集能力均有限。；不把特定材料的厚度范围推广为所有光伏材料的设计值。

边界

电活性晶界会影响多晶电池的载流子收集

多晶材料中具有电活性的晶界可以引入复合损失，使有效输运长度和载流子收集受到影响。是否为薄膜、是否为多晶和晶界是否电活跃是不同维度，不能简单互相替代。^{1, 2}

成立条件 讨论存在相关电活性晶界的多晶吸收层。；影响程度取决于晶界性质、晶粒与器件结构。

机制

多结结构用不同带隙分担不同能段的吸收

多结太阳能电池把不同带隙的吸收层组合起来，使较高能量与较低能量的光子由适合的吸收层利用，从而改变普通单结的光谱利用权衡。它不是把同一种单结简单加厚。^{1, 2}

成立条件 不同带隙子电池的光学和电学连接需要共同设计。；具体上限效率依赖光谱、聚光和连接模型，不能脱离假设使用。

出处

2 本教材 · 23 处引用

1
Physics of Semiconductor Devices
S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021
- §13.9.1；PDF pp.1317–1318；印刷页未映射 支持：太阳能电池面向负载电输出进行优化
- §13.9.2；PDF p.1320、p.1324；印刷页未映射 支持：带隙限制普通带间吸收的低能光子利用
- §13.9.2、§13.9.4；PDF pp.1320、1341；印刷页未映射 支持：高于带隙的光子能量并非全部变成电功
- §13.9.3，式104；PDF pp.1327、1331；印刷页未映射 支持：耗尽区光生载流子主要依靠漂移收集
- §13.9.3，式93–103；PDF pp.1327–1331；印刷页未映射 支持：中性区也能贡献有用光生电流
- §13.9.3–13.9.4；PDF pp.1330–1333、1337；印刷页未映射 支持：扩散长度需要与实际输运路径比较
- §13.9.3，图49；PDF pp.1327–1328；印刷页未映射 支持：前表面金属栅线存在遮光与电阻的折中
- §13.9.4，图53–54；PDF pp.1334–1336；印刷页未映射 支持：减反射层和织构减少光学反射损失
- §13.9.4，图52；PDF pp.1334–1335；印刷页未映射 支持：背表面场降低背接触附近的少数载流子损失
- §13.9.4，薄膜太阳能电池；PDF p.1337；印刷页未映射 支持：吸收层厚度不能只按吸收率单独选择；电活性晶界会影响多晶电池的载流子收集
- §13.9.4，图55；PDF pp.1340–1341；印刷页未映射 支持：多结结构用不同带隙分担不同能段的吸收
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2
The Physics of Semiconductors
Marius Grundmann
- §22.4；；PDF p.723，第 707 页 支持：太阳能电池面向负载电输出进行优化
- §22.4.2；；PDF pp.725、728–729，第 709、712–713 页 支持：带隙限制普通带间吸收的低能光子利用
- §22.4.2；；PDF pp.728–730，第 712–714 页 支持：高于带隙的光子能量并非全部变成电功
- §22.4.2，式22.61；；PDF pp.725–726，第 709–710 页 支持：耗尽区光生载流子主要依靠漂移收集
- §22.4.2，式22.63–22.64；；PDF pp.726–727，第 710–711 页 支持：中性区也能贡献有用光生电流
- §22.4.2，式22.64后说明；；PDF p.727，第 711 页 支持：扩散长度需要与实际输运路径比较
- §22.4.4，图22.58；；PDF pp.731–732，第 715–716 页 支持：减反射层和织构减少光学反射损失
- §22.4.4，图22.57；；PDF p.731，第 715 页 支持：背表面场降低背接触附近的少数载流子损失
- §22.4.2、§22.4.6，式22.64；；PDF pp.727、734，第 711、718 页 支持：吸收层厚度不能只按吸收率单独选择
- §22.4.6，图22.61；；PDF p.734，第 718 页 支持：电活性晶界会影响多晶电池的载流子收集
- §22.4.2、§22.4.6，图22.64；；PDF pp.730、737，第 714、721 页 支持：多结结构用不同带隙分担不同能段的吸收
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关键参数

常见误区

从光子到外电路

#太阳能电池面向负载电输出进行优化

#带隙限制普通带间吸收的低能光子利用

#高于带隙的光子能量并非全部变成电功

漂移、扩散与复合

#耗尽区光生载流子主要依靠漂移收集

#中性区也能贡献有用光生电流

#扩散长度需要与实际输运路径比较

结构设计与材料边界

#前表面金属栅线存在遮光与电阻的折中

#减反射层和织构减少光学反射损失

#背表面场降低背接触附近的少数载流子损失

#吸收层厚度不能只按吸收率单独选择

#电活性晶界会影响多晶电池的载流子收集

#多结结构用不同带隙分担不同能段的吸收

Physics of Semiconductor Devices

The Physics of Semiconductors