魯方瑩 權(quán)乃承 林雪

摘? 要：太陽能電池是當(dāng)前理想的可再生能源，因此多種太陽能電池成為研究熱點(diǎn)，其中硅晶太陽能電池更是備受關(guān)注，但是其轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)前的難題之一。該文對硅晶PN結(jié)的光譜特性與結(jié)深關(guān)系進(jìn)行分析，提出了可響應(yīng)多波段的雙PN結(jié)光電池結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可減少熱損失/量子損失，從而提高轉(zhuǎn)換效率。

關(guān)鍵詞：硅晶太陽能電池;轉(zhuǎn)換效率;雙PN結(jié)光電池結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TM914.4? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，對能源的需求也越來越大。綠色環(huán)保的可再生能源開發(fā)成為熱點(diǎn)，太陽能的利用，無疑是最理想的舉措。自1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室提出太陽能電池以來，已經(jīng)發(fā)展到第三代[1-2]，不同材料、結(jié)構(gòu)的太陽能電池層出不窮，其中晶硅太陽能電池是發(fā)展歷史最長，生產(chǎn)制備技術(shù)最成熟，市場占有率最高（占據(jù)光伏市場的90%以上）[1-3]。但太陽能電池依然有很多技術(shù)壁壘，各類產(chǎn)品競爭的焦點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率、制作工藝和成本。晶硅基太陽能電池的理論轉(zhuǎn)化效率為31%，實(shí)驗(yàn)樣品的最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)25%，而工業(yè)化生產(chǎn)的成品電池轉(zhuǎn)換效率只有17%左右[3-6]。提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率是光伏產(chǎn)業(yè)的重中之重，一般太陽能電池效率提升1%，成本可下降7%[2]。以晶體硅技術(shù)為基礎(chǔ)，著力于降低生產(chǎn)成本、提高發(fā)電效率的高效晶體硅電池研發(fā)始終是國際光伏領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1-2]。

1 光電池轉(zhuǎn)換效率

1.1 影響光電池轉(zhuǎn)換效率的因素

光電池的光電轉(zhuǎn)換效率η一般定義為電池的最大輸出功率Pm與入射到光電池表面的光總功率Pi之比：

制約晶體硅電池效率的因素主要有4個(gè)[2]。1）光學(xué)損失。2）載流子復(fù)合。3）串聯(lián)電阻。4）“熱電子”損失。晶體硅的能隙為1.12 eV，并不是很好地光吸收材料，高于晶體硅能隙的太陽光子以“熱電子”形式損耗掉。并且晶體硅表面反射掉30%～35%的太陽光，造成了大量的光學(xué)損失。為了減少光反射，目前常用表面蝕刻、濺射SiNx減反射涂層等技術(shù)進(jìn)行處理。但是，經(jīng)過上述處理后的硅晶太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率并沒有得到根本改善，反而大大增加了生產(chǎn)成本。同時(shí)，由于半導(dǎo)體導(dǎo)電性較差，電子經(jīng)過PN結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗則很大。此外，高于能隙的太陽光子被吸收后產(chǎn)生熱電子與空穴，這些熱載流子在它們的能量被捕獲之前迅速冷卻，導(dǎo)致大量的太陽光能以“熱電子”的形式損耗掉，降低了轉(zhuǎn)換效率[1-3]。

1.2 半導(dǎo)體硅晶體的特性

半導(dǎo)體硅晶的本征吸收系數(shù)隨入射光波長的不同而變化[6]，如圖1所示。紅外部分吸收系數(shù)小，紫外部分吸收系數(shù)大。因此，波長短的光子衰減快，穿透深度較淺，而波長長的光子則能進(jìn)入硅的較深區(qū)域。半導(dǎo)體硅晶PN結(jié)在不同結(jié)深時(shí)，量子效率隨波長的不同而變化[6]。淺的PN結(jié)有較好的藍(lán)紫光靈敏度，深的PN結(jié)則有利于紅外靈敏度的提高，如圖2所示?；谝陨戏治?，該文設(shè)計(jì)了一種不同結(jié)深的雙PN結(jié)的太陽能電池結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能對太陽光譜有較高的響應(yīng)度，而且響應(yīng)光譜寬，量子效率高。

2 雙PN結(jié)光電池結(jié)構(gòu)

光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)。圖3為光電池結(jié)構(gòu)示意圖，硅光電池實(shí)際上是一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)入射光子能量大于晶體硅的能隙時(shí)，硅晶吸收光子后在光敏區(qū)會(huì)產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在自建電場的作用下，最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢。其中梳狀電極是為了減少光生載流子的渡越時(shí)間，同時(shí)保證較大的光敏面，抗反射膜為了增強(qiáng)入射光的透射率，讓更多的光子能夠和光敏區(qū)電子相互作用。但從上述分析中發(fā)現(xiàn)，晶體硅的能隙為1.12 eV，高于能隙的太陽光子（也就是短光波光子）吸收后產(chǎn)生熱電子與空穴，并以熱電子的形式損耗掉[7]，制約了器件的轉(zhuǎn)換效率，也就是短波中能量較大的光子不能得到有效利用。

針對該問題（依據(jù)圖1關(guān)于波長與吸收系數(shù)、穿透深度的關(guān)系，可知短波越長，光的穿透深度越小。由圖2又知，結(jié)深較小時(shí)，短波量子效率較高，而結(jié)深較大時(shí)，長波量子效率較高），提出雙PN結(jié)光電池結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是在原有的光電池結(jié)構(gòu)中加了N型層，通過摻雜，形成不同于原PN結(jié)的結(jié)深，如圖4所示。

其由N+—P—N 3個(gè)區(qū)構(gòu)成，N+表示重?fù)诫s，與P區(qū)在界面形成淺結(jié)N+P結(jié)，P區(qū)與N區(qū)界面形成深結(jié)PN結(jié)。當(dāng)有光照射時(shí)，N+、P、N 3個(gè)區(qū)域及其間的勢壘區(qū)都有光子吸收，短波部分吸收系數(shù)大，穿透深度小，經(jīng)過短距離已基本吸收完畢，其對藍(lán)綠光靈敏度高，而對長波紅外光不靈敏。長波紅外部分吸收系數(shù)小，穿透深度大，在深結(jié)部分有較高的靈敏度。這樣雙PN結(jié)光電池結(jié)構(gòu)可以使太陽光更寬波段的光子都能得到有效吸收，轉(zhuǎn)化為光生電子空穴對，在勢壘區(qū)得到更多積累，從而提高光電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

3 結(jié)論

該文分析了半導(dǎo)體硅晶的相關(guān)特性，從減少光學(xué)損失和載流子復(fù)合角度出發(fā)，改善硅晶電池結(jié)構(gòu)，以此來提高晶體硅光電池的效率。分析了太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的影響因素，針對光能損失，該文提出雙PN結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能通過深淺PN結(jié)，對短波的高能光子和長波的低能光子進(jìn)行有效吸收轉(zhuǎn)換，從而提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。

參考文獻(xiàn)

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