影响太阳电池光电转换效率的因素和提高转换效率的主要措施.doc

太阳能电池的基础与工艺
课程期中考核论文

题目：影响太阳电池光电转换效率的因素及提高太阳电池效率的主要措施

学院：电子与电气工程学院
班级：电子091班
学号：0903741025
姓名：易磊华
影响太阳电池光电转换效率的因素及提高太阳电池效率的主要措施
随着化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度不断提高,寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切。最新的资料表明，太阳光的充分利用，包括光热及阳光发电，是最清洁、环保，取之不尽用之不竭的可再生能源。
由研究、开发，直到建立规模化生产，光伏行业已经打造成为现今有声势的可再生能源领域。当前太阳电池产业一直保持20%~30%的年增长率，并且已在2010年全球整体年产量达到了10GW。预计到2025年，光伏能源占总能源的比例为22%。可以预期，到21世纪中叶，光伏能源占到整个能源体系的34%的时候，人类生产、生活用电的三分之一将取自光伏发电。
然而，要想使太阳电池成为能源市场的主力之一，必须使太阳电池的制造成本和系统应用成本降低到可与现有能源可比拟的程度，世人才愿意使用，从而达到替代的目的。因此“提高太阳电池和系统的效率，同时降低光伏系统的制造成本”是光伏界的终极目的，而效率是至关重要的因素。
那么如何提高太阳能电池的光电转换效率呢？首先我们需要知道太阳电池的工作原理。光伏发电的基础是光生伏特效应，它是指当某种结构的半导体器件受到光照射时将产生直流电压（或电流），当光停止照射后电压（或电流）则立即消失的现象。这个半导体器件的结构大体上就是一个大面积的平面的p-n结。在光照射下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。这样形成的电子-空穴对由于热运动，向各个方向迁移。光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n区，光生空穴被推进p区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。在n区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向 p-n 结边界扩散，一旦到达 p-n 结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入p区，而光生电子（多数载流子）则被留在n区。p区中的光生电子也会向 p-n 结边界扩散，并在到达 p-n 结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动，进入n区，而光生空穴（多数载流子）则被留在p区。因此在 p-n 结两侧形成了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n型层带负电，因此产生了光生电动势。如图（1）所示。

图（1） 图（2）
一、影响太阳能电池光电转换效率的因素
知道了太阳电池的工作原理，下面我们来讨论究竟是什么因素影响了太阳电池的光电转换效率。我们知道，太阳电池的工作过程大致可以有四个部分，即：1、照射到电池表面的光子（能量大于半导体的禁带宽度）被吸收，产生电子空穴对；2、电子空穴对被内建电场分离，在PN结两端产生电势；3. 将PN结用导线连接，形成电流；4、在太阳电池两端连接负载，实现了将光能向电能的转换。所以，在这四个过程中，就相应的出现了光电转换效率的影响因素，即吸收过程中的光学损失，光伏转换过程的光激发电子空穴对的复合，电流输出过程的损耗等。下面我们逐一介绍。
1、 光学损失
由于光照射到电池板上，在正反两面发生的反射、折射等现象，或者能量小于或大于半导体的禁带宽度的光子未被吸收，以及电极、栅线等的阻隔，从而降低了电池的短路电流。仅这一项损失就使标准电池的转换效率局限至44％左右。光学损失的示意图如图（2）所示。
2、光激发电子空穴对的复合
复合损失不仅影响电流收集（短路电流）而且影响正向偏压注入电流（开路电压）。
复合经常是按照它在电池中发生的区域分类。如在表面的复合称为表面复合；电池内部的复合称为体复合，体复合是电池的主要的复合；在耗尽区的复合被称为耗尽区复合。
3、 电流输出过程的损失
太阳能电池的等效电路如图（3）所示。根据电路知识，太阳能电池等效为一个理想电流源、 一个正向二极管、一个串联电阻和一个并联电阻。所以，在负载一定的条件下，串联电阻越大，并联电阻越小，那么电流在输出的过程中的损耗就越大，即流经负载上的电流就越小。这就是电流在传输过程中的损失。

二、提高太阳电池效率的主要措施
针对以上三种引起太阳电池转换效率下降的因素，我们设计太阳电池的主要原则是：
• 尽可能的增加电池的光收集能力和被电池吸收的光转变为载流子数量.
• 尽力提高p-n结对光生载流子的收集能力
• 尽可能的减少正向偏压下暗电流
• 尽可能降低电流流出太阳电池时的电阻损失

1、为了尽量减少光学损失，我们主要有以下措施：
· 电池表面的上接触面积尽可能的小(尽管这可能会提高串联电阻）
• 光照面使用减反射膜
• 利用表面刻蚀减少反射
• 增加电池厚度提高光吸收（尽管由于载流子复合吸收的光不一定贡献电流）
• 表面刻蚀与陷光结构增加光在电池中的光路

（1） 选取禁带宽度合适的材料
太阳光的光谱的利用范围是0.8—1.6eV。因此如果能够有一种材料，制成半导后的禁带宽度恰好在这个范围，那么红外线、紫外线和可见光都能被吸收。因此，发明了多结太阳电池，即两个甚至是两个以上不同禁带宽度的pn结叠加在一起，从而更加有效地吸收太阳光。然而，这造成了成本的提高，在此不赘述。
（2）陷光结构（light trapping）降低光学损失
器件厚度的优化不能仅仅考虑光吸收。如果吸收的光不在pn结的扩散长度之内，那么产生的光生载流子会因为复合而损失掉。对于吸收能力相同的电池，更薄的电池的电压将会更高。
因此，典型的优化的电池具有陷光结构，此时光路长度将会是没有陷光结构的电池的几倍。光路长度是指一个未被吸收的光子在它逃离器件之前在电池内走的距离 。光路长度常常用器件厚度表示，例如一个没有陷光结构的电池可能有一个器件厚度的光路长度，而一个具有陷光结构的电池可能有50个器件厚度的光路长度，这暗示着光将在电池内部来回好多次。陷光效果的取得：当入射光照射在一个有角度的表面时，入射光传播的角度会发生变化
绒面结构不仅可以降低反射，而且可以使得光重复倾斜地在电池内传输，从而增加光路长度。
（ 3）背反射膜Lambertian Rear Reflectors
背反射是为了将到达电池背表面即将要逃离出电池的光再反射到电池内部，增加吸收。原理图如图（4）所示

2、 减少电子—空穴对的复合
采用具有合适性能的半导体材料(尤其是光生载流产寿命长的材料)可以将载流产复合损失降至最低，也就是减少材料缺陷从而消除载流子复合通道。载流子寿命此时决定于心池内部的辐射复合，它是光激发过程的逆过程。
为了减少复合，我们希望：结末端的少子数量，越多越好;材料内的扩散长度；低的扩散长度意味着少子由于复合将很快从结末端消失，要使复合最小化，取得高的电压，需要高的扩散长度。扩散长度与材料类型、制备工艺过程和掺杂有关，高的掺杂降低扩散长度。掺杂不能太高，也不能太低（同时影响电流和电压）；在一个扩散长度范围内的局域复合源，越少越好。
因此，我们的措施是利用钝化技术减少表面缺陷可以有效降低表面复合。（电子工业常用的有二氧化硅层钝化层）。商业化电池，一般采用氮化硅为钝化层（silicon nitride）或氧化硅。由于钝化层通常是绝缘的，因此在电池上任何有欧姆接触的地方（引出电流的地方）不能采用钝化层，一般采用提高掺杂来降低前接触部分的表面复合。
3、电极设计
电极就是与P-N结两端形成紧密欧姆接触的导电材料。这样的材料应该满足：与硅可形成牢固的接触而且接触电阻小、导电性优良、遮挡面积小、收集效率高等要求。所示设计原则：让电池的输出最大，即电池的串联电阻尽可能小且电池的光照作用面积尽可能大。商品化电池生产中大量被采用的工艺是铝浆印刷。
4、 减小串联电阻，增大并联电阻
串联电阻主要是由硅片基体电阻、 扩散方块电阻、 栅线电阻、烧结后的接触电阻等组成。因此提高硅片的质量，可以减小它决定的基体电阻；另外金属栅线要窄和厚，即能减少对光的遮挡，又能保持低的电阻形成良好的p-n结，结深0.5微米左右；电极形成好的欧姆接触等也可以减小串联电阻，从而增大负载上的功率。
并联电阻是由边缘漏电、 体内杂质和微观缺陷、PN结局部短路等组成。边缘良好的绝缘、材料缺陷少、形成良好的p-n结等可以提高并联电阻。

当然，我所讲的只是提高太阳电池转换效率的方法中的冰山一角。随着科学技术的大力发展，越来越多的制作工艺被用来制作太阳电池，转换效率也在不断地提高。有理由相信，在不久的将来，太阳能电池的转换效率会越来越高，清洁的、无穷无尽的太阳能新能源的更加广泛的应用将不再是梦想！

参考文献：
《太阳能电池基础与应用》 熊邵珍 朱美芳 主编
《太阳电池基础与工艺》ppt 王晓晶 编
《如何提高太阳能电池的转换效率》 汤志强 编