光伏工程师必须掌握的电池理论基础光伏电池生产制造可以说是光伏

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1、光伏工程师必须掌握的电池理论基础光伏电池生产制造可以说是光伏产业链中最重要，也是技术含量最高的环节，熟悉掌握太阳能电池相关的理论基础，对进一步理解电池生产工艺及高效电池的研发都是很有必要的，为此笔者对太阳能光伏电池理论做了一些基础总结。       光学基础　　晶体硅的禁带宽度为Eg=1.12ev，其随温度而变化，但一般在1.1—1.3ev之间。由hv=hc/λ=Eg推出：　　λ=hc/Eg=1.24/1.12=1100nm（本征吸收的光波极限）　　由光生伏特效应可知：只有波长小于1100nm的才能在硅中激发出出电子空穴对，即产生光生伏特效应。　　而如下图所示，97%以上的太阳

2、辐射能的波长位于290—3000nm，可见光波长为380（紫色）—780（红色）nm。故能产生光生伏特效应的光子占大部分的为可见光。 　　太阳光谱中波长大于1.1μm不能产生光生伏特效应，而是转变为热量，这部分占光能的25%；而当光子能量大于禁带宽度1.12ev时，只能激发产生一个电子空穴对，剩余的能量转化为热量，这部分损失的能量同样占总光能的25%。所以用于转化为电能的能量只占太阳能总能量的50%。　　半导体材料的光吸收（包括热能和转换的电能等）　　当一束光照射在物体上时，一部分入射光线在物体表面反射或散射，一部分被物体吸收，另一部分可能透过物体。也就是说，光能的一部分可以被

3、物体吸收。随着物体厚度的增加，光吸收也增加。如果入射光的能量为I0，则在离表面距离x处，光的能量为　　I=I0e-ax　　式中，a为物体的吸收系数，表示光在物体中传播1/a距离时，能量因吸收而衰减到原来的1/e。半导体材料的吸收系数较大，一般在105cm-1以上，能够强烈的吸收光的能量。被吸收的光能将使材料中能量低的电子跃迁到较高的能级。　　硅材料是间接能带材料，在可见光范围内，硅的光吸收系数远低于其他太阳能光电材料，如吸收95%的太阳光，GaAs太阳电池只需要5—10μm的厚度，而硅太阳电池则需要150μm以上的厚度；因此在制备晶体硅太阳电池时，硅片的厚度在150—200μm

4、以上，才能有效的吸收太阳能。直接带隙和间接带隙的区别主要体现在光的吸收系数，直接带隙半导体的吸收系数大于间接带隙，这样直接带隙的半导体可以做的更薄且能量损失也少。·另外，根据电动力学理论，平面电磁波在物质中传播时，其电矢量和磁矢量都按指数规律exp（-ωμxc-1）衰减。将电矢量和磁矢量的exp（-ωμxc-1）相乘积即得：　　 （基本关系：T=λ/v，ω=2π/T）　　μ称为消光系数，半导体的消光系数μ与入射光的波长无关。　　由上可知，光波越短吸收系数越大，半导体对愈短波长的光吸收愈强，光强随距离的衰减越严重。对故短波长的光来说，其主要在半导体表面被吸收。所以说深结时，由短波

5、长产生的电子空穴对在到达pn结之前严重复合，影响其光谱响应。　　光生电流的光学损失　　太阳能电池的效率损失中，有三种是属于光学损失，其主要影响是降低了光生电流值。　　1、反射损失：从空气（或真空）垂直入射到半导体材料的光的反射。以硅为例，在感兴趣的太阳光谱中，超过30%的光能被裸露的硅表面反射掉了。　　2、栅线电极遮光损失c：定义为栅线电极遮光面积在太阳能总面积中所占的百分比。对一般电池来说，c约为4%-15%。　　3、透射损失：如果电池厚度不足够大，某些能量合适能被吸收的光子可能从电池背面穿出。这决定了半导体材料之最小厚度。间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。　　能带

6、理论　　对于n型半导体，费米能级位于禁带中线以上，施主杂质ND越大，费米能级位置越高甚至进入导带。对于p型半导体，费米能级位于中线以下，受主杂质NA越大，费米能级越低甚至进入价带。　　当两块半导体结合形成pn结时，以EFn和EFp分别表示n型和p型半导体的费米能级。当两块半导体结合形成pn结时，按费米能级的意义，电子将从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴则从p区流向n区，因而EFn不断下移，且EFp不断上移，直至EFn=EFp时为止。这时pn结中有统一的费米能级EF，pn结处于平衡状态。　　平衡状态pn结能带图·金属半导体接触　　具有整流效应的金属半导体接触叫做肖特基接

7、触，以此为基础制成的二极管称为肖特基二极管。　　没有整流效应的金属半导体接触叫做欧姆接触。　　在一定范围内，半导体的电阻随温度的升高而降低，金属导体的电阻随温度的升高而升高。由于电流通过后要产热，两个按一定比例串联接入电路后，刚好互补，从而使电阻不随温度的变化而变化。欧姆接触时，接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，大部分的电压降在于活动区而不在接触面。即欧姆接触不会形成附加的阻抗，不会影响半导体中的平衡载流子浓度。　　一般的本征半导体和金属接触产生肖特基势垒，如果半导体有很高的掺杂浓度，则