影響太陽(yáng)能電池效率因素

摘要：提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率一直以來(lái)都是太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究的重點(diǎn)，因而受到廣泛的關(guān)注。本文主要從材料的微觀結(jié)構(gòu)入手，論述了材料的表面結(jié)構(gòu)，內(nèi)部雜質(zhì)帶量子阱結(jié)構(gòu)，p-n結(jié)數(shù)目，界面，層錯(cuò)缺陷等因素對(duì)光生伏特效應(yīng)的影響，從而為提高太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率提供可行的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池 異質(zhì)結(jié) 量子阱 雜質(zhì)帶 點(diǎn)缺陷 摻雜

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源問(wèn)題日益突出，太陽(yáng)能作為一種優(yōu)質(zhì)的可再生清潔能源能在帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)改善環(huán)境污染問(wèn)題。太陽(yáng)能電池具有安全，環(huán)保的優(yōu)良特性，可應(yīng)用于日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，具有可觀的發(fā)展前景。

太陽(yáng)能電池利用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽谦@取太陽(yáng)能的有效方式，Si作為目前太陽(yáng)能電池主要材料其光吸收率很低，禁帶寬度為 1.12ev,與最佳光伏響應(yīng)禁帶寬度1.5ev相差較大。因此，研究結(jié)構(gòu)對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的影響非常必要，為今后通過(guò)開(kāi)發(fā)新材料新結(jié)構(gòu)及對(duì)舊材料改性來(lái)提高光電轉(zhuǎn)換效率奠定理論基礎(chǔ)。

1 太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換基本原理

固體樣品的電子結(jié)構(gòu)或其他性質(zhì)存在某種不均勻性或異質(zhì)性，當(dāng)光照固體時(shí)出現(xiàn)外電壓的光生伏特效應(yīng)【1】。這種不均質(zhì)固體想接觸時(shí)，勢(shì)壘區(qū)域產(chǎn)生光激發(fā)載流子，內(nèi)建場(chǎng)將使異號(hào)的剩余載流子向相反方向運(yùn)動(dòng)，形成電子和空穴在不同區(qū)域積累，導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)的突變，形成光電壓。

2 影響光生伏特效應(yīng)的因素

提高光電轉(zhuǎn)換效率主要取決于開(kāi)路電壓，閉路電流和填充因子三個(gè)物理量。下面從以下幾個(gè)影響因素論述其對(duì)這三個(gè)物理量的影響提高太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率。

2.1梯度摻雜

對(duì)于均勻摻雜的p-n結(jié)太陽(yáng)能電池，在p區(qū)與n區(qū)界面處通過(guò)擴(kuò)散作用產(chǎn)生了自建電場(chǎng)，在厚度很小的耗盡層內(nèi)，光照時(shí)，只在電場(chǎng)區(qū)域及附近的電子空穴對(duì)守電場(chǎng)力的驅(qū)使定向移動(dòng)形成光電流。其他區(qū)域電子空穴對(duì)由于無(wú)電場(chǎng)力無(wú)法分離，激子復(fù)合率較大，重新輻射出光子，相當(dāng)于降低了光子吸收率。

若在n區(qū)p區(qū)進(jìn)行梯度摻雜，在同型區(qū)域內(nèi)由于濃度差引起載流子的擴(kuò)散形成自建電場(chǎng)。指數(shù)遞增摻雜【2】，且遠(yuǎn)離耗盡層濃度高，n區(qū)靜電荷分布隨濃度增大而從負(fù)至正，且與耗盡層電場(chǎng)方向一致，有利于光生電子被n區(qū)收集，空穴被驅(qū)使至p區(qū)，減少了載流子的復(fù)合從而增大了閉路電流，提高效率。線性遞增摻雜，耗盡層外電場(chǎng)強(qiáng)度較小，光生載流子的收集效果不明顯，因此閉路電流提高較小。

2.2增加p-n結(jié)數(shù)目

開(kāi)路電壓V0隨反向飽和電流I0的減小而增大，而Eg的增大使I0迅速減小，所以V0隨Eg的增加而增加。Eg的增加，太陽(yáng)光中能量大于Eg的光子數(shù)減少，所以閉路電流Is減小，則一定存在著一個(gè)最佳的Eg使得能量轉(zhuǎn)換效率最高。

增加p-n結(jié)數(shù)目相當(dāng)于電池的串聯(lián)，多層p-n結(jié)電池各層材料應(yīng)使其各自不同的禁帶寬度匹配可見(jiàn)光中不同的頻段，增大了電池對(duì)光子的響應(yīng)范圍，形成更多的電子空穴對(duì)，增加了電池效率。

但這種途徑往往受到材料的晶格匹配，化學(xué)融合的差異，熱膨脹差異的限制，較難同時(shí)實(shí)現(xiàn)各種化學(xué)晶格匹配和最佳禁帶寬度材料的生長(zhǎng)。

2.3缺陷的影響

材料中載流子的復(fù)合所造成的損失也直接決定光電轉(zhuǎn)換效率，其主要由材料中的缺陷程度決定。延長(zhǎng)少數(shù)載流子的壽命可以減少載流子的復(fù)合速度，有助于載流子在p-n結(jié)兩端長(zhǎng)時(shí)間較高濃度的積累，導(dǎo)致p區(qū)和n區(qū)較高的電位差，載流子通過(guò)擴(kuò)散的復(fù)合愈加困難，即增大了材料中的開(kāi)路電壓。

對(duì)于材料中本證結(jié)構(gòu)不可避免的點(diǎn)缺陷，由于空位的產(chǎn)生或間隙點(diǎn)雜質(zhì)為電子空穴對(duì)的復(fù)合提供了能級(jí)陷阱，增加了非直接復(fù)合的幾率從而減小了載流子數(shù)目，由電流密度I=nev知光電流減小。但若適當(dāng)提高材料制備溫度，內(nèi)部點(diǎn)缺陷向晶界或表面擴(kuò)散，大大減小了材料內(nèi)部缺陷密度，延長(zhǎng)了少數(shù)載流子壽命，但表面高濃度的缺陷間隙會(huì)使得表面失去光生伏特效應(yīng)。同時(shí)，點(diǎn)缺陷產(chǎn)生的載流子可以在一定程度上彌補(bǔ)載流子因缺陷的復(fù)合。

當(dāng)點(diǎn)缺陷濃度過(guò)高時(shí)，點(diǎn)缺陷移動(dòng)形成缺陷線面，產(chǎn)生缺陷能級(jí)，大大增加了復(fù)合作用，光伏效應(yīng)劇烈下降。高濃度的線缺陷【3】延生至界面上形成針狀，導(dǎo)致內(nèi)部短路，降低光伏效應(yīng)效率。

若材料中有固溶第二相【4】，阻止了載流子的遷移，遷移率的下降是電阻率增大，降低了材料的電學(xué)性能【5】，短路電流減小。另外，第二相還是很強(qiáng)的復(fù)合中心，即顯著降低光伏發(fā)電效率。但是，第二相有利于改善禁帶寬度。

2.4量子阱結(jié)構(gòu)的引入

在p-n結(jié)中間結(jié)構(gòu)中摻入勢(shì)阱雜質(zhì)，晶格材料作為勢(shì)壘，形成量子阱結(jié)構(gòu)【6】，增大勢(shì)壘寬度，導(dǎo)致高頻光子吸收增多，光生載流子數(shù)目升高。同時(shí)由于p-n結(jié)中心層高勢(shì)壘阻止了電子空穴對(duì)越過(guò)耗盡層內(nèi)電場(chǎng)的復(fù)合，光電流提高，導(dǎo)致效率的提高。這種勢(shì)阱結(jié)構(gòu)的內(nèi)部高勢(shì)壘阻止了表面區(qū)光生載流子的收集，開(kāi)路電壓減小。但增加量子阱數(shù)目產(chǎn)生的光電流增加能彌補(bǔ)開(kāi)路電壓減小的損失。

2.5雜質(zhì)帶的適當(dāng)引入

太陽(yáng)能電池材料，一般只存在相應(yīng)的導(dǎo)帶和價(jià)帶，并沒(méi)有中間能帶。這就導(dǎo)致了一般的太陽(yáng)能電池只能吸收太陽(yáng)能光譜中大于電池材料禁帶寬度的高能量光譜，對(duì)低于其禁帶寬度低能量光子則無(wú)法利用，限制了太陽(yáng)能電池的效率。

當(dāng)材料帶隙中引入一層中間雜質(zhì)帶的時(shí)候，就有兩種方式能夠?qū)е码娮涌昭▽?duì)的產(chǎn)生。一種是電子從價(jià)帶躍遷到中間帶，然后通過(guò)中間帶躍遷到導(dǎo)帶，另外的一種方式就是電子直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。這樣，雜質(zhì)帶太陽(yáng)能電池就可以等效于三個(gè)不同帶隙太陽(yáng)能電池的并聯(lián)，能夠極大地提高太陽(yáng)能電池的效率。

但另一方面，如果雜質(zhì)帶不能夠得到良好的控制，在材料中引入雜質(zhì)能級(jí)的同時(shí)，也相當(dāng)于在材料中引入了復(fù)合中心，從而會(huì)導(dǎo)致非輻射復(fù)合的產(chǎn)生。 A.Luque【7】等指出當(dāng)摻雜濃度大到足以形成雜質(zhì)帶的時(shí)候可以抑制非輻射復(fù)合。如果當(dāng)雜質(zhì)引入的電子之間有相互作用的時(shí)候，就能夠?qū)崿F(xiàn)電子在不同原子的原子軌道上自由移動(dòng)，非輻射復(fù)合就能夠受到抑制。當(dāng)然為了達(dá)到這種目的，雜質(zhì)摻入要達(dá)到一定的濃度，這個(gè)濃度一般認(rèn)為是Mott【8】相變濃度。

中間雜質(zhì)帶上的電子必須處于半填充的狀態(tài)，保證雜質(zhì)帶既有空穴又存在電子。這樣既能夠使電子從中間帶躍遷到導(dǎo)帶，又能同時(shí)使電子從價(jià)帶躍遷到中間帶。

2.6異質(zhì)絨面結(jié)構(gòu)的影響

為提高光吸收率，降低表面光反射是十分必要的，一般經(jīng)過(guò)特殊化學(xué)腐蝕的p區(qū)和n區(qū)構(gòu)成良好的絨面結(jié)構(gòu)，且形成隨機(jī)分布的金字塔結(jié)構(gòu)交錯(cuò)在一起。即相當(dāng)于增加了p-n結(jié)的有效光吸收面積，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。

但同時(shí)，由于這種交錯(cuò)結(jié)構(gòu)疏松，空氣中的O2容易滲透到交界處【9】，產(chǎn)生絕緣層，嚴(yán)重影響了載流子的傳輸，遷移率的下降和不穩(wěn)定造成光電流的下降和不穩(wěn)定。因此，光電池穩(wěn)定性有待加強(qiáng)，可以嘗試在界面間隙處沉積一層薄膜，既阻止O2的滲入和絕緣層隨老化的增厚，同時(shí)又確保了載流子的遷移不受影響，一定程度提高光伏發(fā)電效率。

3 結(jié)論

(1) 量子阱結(jié)構(gòu)，p-n結(jié)數(shù)目，指數(shù)梯度的摻雜，絨面結(jié)構(gòu)有助于提高電池效率。

(2) 缺陷，雜質(zhì)帶的作用較復(fù)雜，需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證綜合考慮。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要從結(jié)構(gòu)缺陷方面理論上淺述了以上六個(gè)影響太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的因素，為改善太陽(yáng)能電池效率提供理論可行性，由于缺乏實(shí)驗(yàn)支持，未能考慮到實(shí)際制備中的工藝，流程，成品率，精細(xì)控制程度等方面的問(wèn)題，可能與實(shí)際有很大

差距。但從以上可以看到，提高太陽(yáng)能電池效率是一個(gè)復(fù)雜，各種因素相互作用的過(guò)程，必須充分綜合考慮到材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和外部宏觀條件。

參考文獻(xiàn)

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