太阳能电池基本原理光生伏特原理PN结内建电场等效电路

HessenwasrevisedinJanuary2021太阳能电池基本原理光生伏特原理PN结内建电场等效电路太阳能电池基本原理基本原理——光生伏特效应太阳能光伏发电是利用太阳电池的光伏效应原理，直接把太阳辐射能转变为电能的发电方式。典型太阳电池是一个p-n结半导体二极管。光子把电子从价带（束缚）激发到导带（自由），并在价带内留下一个空穴（自由）——产生了自由电子-空穴对（光生载流子），p型材料中的电子与n型材料中的空穴将在与少子寿命相当的时间内，以相对稳定的状态存在，直到复合。当载流子复合后，光生电子空穴对将消失，没有电流和功率产生。光生电子-空穴对在耗尽层中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被送进n区，光生空穴则被送进p区。光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能。内建电场当把N型和P型材料放在一起的时候，在N型材料中，费米能级靠近导带底，在P型材料中，费米能级靠近价带顶，当P型材料和N型材料连接在一起时，费米能级在热平衡时必定恒等，由于在P型材料中有多得多的空穴，它们将向N型一边扩散。与此同时，在N型一边的电子将沿着相反的方向向P型区扩散。由于电子和空穴的扩散，在p-n结区产生了耗尽层，即空间电荷区电场，又称为内建电场。（1）光子吸收：在大部分有机太阳能电池中，因为材料的带隙过高，只有一小部分入射光被吸收，吸收只能达到30%左右。（2）激子扩散：激子的扩散长度应该至少等于薄膜的厚度，否则激子就会发生复合，造成吸收光子的浪费。（3）电荷分离：对于单层器件，激子在电极与有机半导体界面处离化，对于双层器件，激子在施主－受主界面形成的p-n结处离化。（4）电荷传输：在有机材料中，电荷的传输是定域态间的跳跃，而不是能带内的传输，这意味着有机材料和聚合物材料中载流子的迁移率通常都比无机半导体材料的低。（5）电荷收集：电荷的收集效率也是影响光伏器件功率转换效率的关键因素，金属与半导体接触时会产生一个阻挡层，阻碍电荷顺利地到达金属电极。等效电路模型太阳能电池等效电路无光照时类似二极管特性，外加电压时单向电流ID称为暗电流；有光照时产生光生电流IL；Rs、Rsh分别为太阳电池中的串、并联电阻RL为负载。（1）恒流源：在恒定光照下，一个处于工作状态的太阳电池，其光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可把它看做恒流源。（2）暗电流ID：光电流一部分流经负载RL，在负载两端建立起端电压U，反过来，它又正向偏置于PN结，引起一股与光电流方向相反的暗电流ID。（3）串联电阻RS：由于前面和背面的电极接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的引入附加电阻。流经负载的电阻经过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，他们的总效果用一个串联电阻RS示。并联电阻RSH由于电池边沿的漏电和制作金属电极时在微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载达到电流短路，这种作用的大小可以用一个并联电阻RSH等效。决定太阳能电池能量转换效率的三个参数分别是短路电流（Isc）、开路电压（Voc）和填充因子（FF）。因为电流（I）与太阳能电池的面积（A）成正比例关系，因此一般用电流密度（J）取代电流，来描述太阳能电池的伏安特性。J=I/A当电池在光照下，得到的端电压和电路中通过负载的工作电流的关系曲线，叫做光电池的伏安特性曲线。如图红色线所示，图上所示的第四象限中与红色线相交的方形区域面积就代表太阳能电池的最大输出功率，对应的点为最佳工作点。太阳能电池在没有光照时可以视为一个二极管，电压和电流的关系如图蓝色线所示，为太阳能电池的暗特性曲线。太阳能电池的伏安特性曲线（1）开路电压（VOC）一般来说，对于金属-绝缘体-金属（MIM）型的器件，其开路电压VOC取决于两个金属电极功函数之差。而对于p-n结，其最大的可用电压则是由n-型掺杂半导体与p-型掺杂半导体两者的准费米能级之差所决定，开路电压现行的依赖于给体的HOMO能级与受体的LUMO能级。增加Voc的途径有减少复合以减小反向饱和电流，增加各区掺杂浓度等。（2）短路光电流（ISC）短路电流的大小与上面提到的光电转换过程的5个步骤的效率相关，要得到大的短路电流：第一，需要光伏材料在可见区有宽光谱和强的吸收，以提高太阳光的利用率；第二，需要吸收光子后产生的激子有较长的寿命和较短的到达给体/受体异质结界面的距离，使得激子都能够扩散到异质结界面上；第三，需要激子在给体/受体界面上有高的电荷分离效率，使到达界面的激子都能够分离成位于受体LUMO能级上的电子和位于给体HOMO能级上的空穴，这要求给体的LUMO和HOMO能级分别高于受体的对应能级eV以上，以克服激子的束缚能而发生电子和空穴的电荷分离；第四，光伏材料有高的纯度和高的电荷载流子迁移率；第五，使用高功函数的正极和低功函数的负极也非常重要；最后，要求电极/活性层界面是欧姆接触，并且界面接触电阻要小。提高Jsc的途径在于提高光生载流子产生率G、增加各区少子寿命和减少表面复合。（3）填充因子（FF）最大输出功率与（VOCISC）之比称为填充因子，用FF表示。对于开路电压VOC和短路电流ISC一定的特性曲线来说，填充因子越接近于1，电池效率越高，伏安特性线弯曲越大。因此FF也称曲线因子，表示式为FF=PmpVOCISC=VmpImpVOCISCFF是用以衡量太阳电池输出特性好坏的重要指之一。在一定光强下，FF愈大，曲线愈方，输出功率越高。对于有合适效率的电池，该值应在范围之内。（4）光电转换效率电池的输出电功率与入射光功率之比η称为光电转换效率，简称效率η=PmpPin=VOC?ISCFFPin光电转换效率η是表征太阳电池性能的最重要的参数，要提高太阳电池的效率，必须提高开路电压、短路电流和填充因子这三个基本参量。