光伏-光电转换过程

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1、北二成交j甩大学不更.士学位i仑文第二章硅太阳电池的基本原理太阳电池是利用各种势垒，将光能转化为电能的光电器件。多晶硅太阳电池的基本原理与体材料太阳电池大致相同。如.1光电转换过程与半导体太阳电池相关的光电转换大致包括三个物理过程:(1)光在空气一半导体界面上的反射与折射;(2)光子激发产生电子一空穴对;(3)非平衡载流子的扩散和漂移，并被势场分离。下面分别描述这三个过程。笋.1.1光的反射与折射一束单色光入射到半导体表面后，其中一部分将被反射，反射光与入射光强度之比称反射系数R，其余部分透射入

2、半导体内.显然，透射系数:=1一R(2.1)对半导体这类光吸收材料，折射率珑可写为n,=n一ik(2.2)其中，n为普通折射率，k为消光系数，n,n,k都是入射光波长入的函数。当光垂直入射到折射率和消光系数分别为n,k的介质上时，反射系数与n,k的关系:R=(2.3)北京交通大学XdL-学t立it文在硅太阳电池感兴趣的波长范围内(300-11oonm)，由于n>3.5,相当于R>30%。对非垂直入射情况，也有类似结果。妙.1.2半导体中的光吸收半导体受到光照时，价带中的电子受光子激发而跃迁到导带

3、，同时在价带中留下一个空穴。这一过程称半导体的本征吸收过程。发生本征吸收的条件是光子能量大于或等于半导体禁带宽度，即hv?Eg.因而不同半导体材料都存在各自的吸收限:(2.4)波长大于入。的光则无法被吸收。对硅而言，这一吸收限k.o;}-1100nm.半导体内亦存在其它形式的光吸收过程，如杂质吸收、激子吸收、自由载流子吸收等等。对一般太阳电池而言，感兴趣的主要是本征吸收。由于光吸收作用，射入半导体内的光强随射入深度而衰减。在dx距离内被吸收的光强为。(}.)中(x)dx，其中a定义为吸收系数。这

4、样在半导体内深度为x处的光强与x=。处光强中。的关系为"(X)=Ooe-'(2.5)吸收系数a与消光系数k有如下关系:(2.6)上式结合(2.3)式表明，吸收系数大时，半导体对该波长光的反射也高。对于GaAs一类直接带隙半导体而言，由于本征吸收过程不需声子参与，因而吸收系数较大。而对Si一类间接带隙半导体而言，其本北京交通大学硕士学1立论文征吸收过程一般需声子参与，跃迁发生几率较低，因而吸收系数也较刁、。妙.1.3PN结的光生伏特效应如果by>E‘的光子照射具有PN结结构的半导体表面，半导体内将

5、产生电子一空穴对。这些非平衡载流子运动到PN结的边界便马上被PN结的内建电场所分离。在P区和N区分别产生空穴和电子的积累，从而在PN结两边建立光生电动势。这一效应称为光生伏特效应。当有回路连接PN结两端时，由于光生电压的作用，回路中有电流出现，并在负载上输出电功率。太阳电池正是在此种情况下工作的。'2.2导体中的复合过程半导体中的复合过程大致可以分为:(1)直接复合。即导带电子跃迁到价带与空穴直接复合;(2)通过复合中心的复合。即电子、空穴在复合中心上完成的复合。复合过程中产生的能量可以以产生光

6、子的形式释放，也可以以热能形式传递给晶格。表征产生、复合过程的物理量有产生率G.复合率R以及净复合率U。单位时间、单位体积内复合的电子一空穴对数称复合率。同时产生的电子一空穴对数称产生率。净复合率为二者之差。显然，热平衡时产生率与复合率相等;而在非平衡时，净复合率不为零。非平衡少数载流子的平均生存时间称少子寿命:二4p(或△n)/U(2.7)