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第4章 太阳能电池操作的结构和方法
光伏发电的基础是太阳能电池。因此，本章将更详细地介绍其结构和功能。我们将特别关注如何实现更高效率的问题，并介绍当前太阳能电池的效率记录。
4.1 光电二极管的考虑
光电二极管是太阳能电池的基础。
4.1.1 结构与特点
在最简单的情况下，我们可以认为光电二极管是从侧面照亮的p-n结（如图4.1）。
图4.1 发光的p-n结：由光吸收产生的自由电子和空穴被空间电荷区的场分开并“带回家”图
穿透的光子被吸收并生成自由电子-空穴对。这些空穴对又被空间电荷区域中普遍存在的电场分开并“带回家”：电子流向n侧，空穴流向p侧。它们是多数载流子，这些载流子可降低发生不希望的重组的可能性。现在，所产生的功率可以从触点上抽出。由于它是由光子产生的，因此称为光电流。
我们假设每个吸收的光子会导致一个电子-空穴对，从而产生光电流。因此，光电流与辐照度成正比：
（4.1）
产生的特性曲线如图4.2所示。
图4.2 光电二极管的符号和曲线图
只要没有光照射在光电二极管上，它就可以视作是普通的p-n结。使用反向电压时，只有很小的反向电流流动，这种电流称为暗电流。一旦光线照射到二极管上，就会将与电压V无关的光电流添加到二极管特性曲线中。因为它沿相反方向流动，所以它使所示的I / V曲线向下移动。在第III象限中使用光电二极管称为光电二极管操作，因为光电二极管通常在施加的反向电压下运行，以便例如用作光学数据接收器的检测器。在第IV象限中，光电二极管用作太阳能电池：施加正电压后，结果为负电流。在如图4.2所示的负载参考箭头系统中不从设备使用能量，而是产生能量。
在用户参考箭头系统中，将电压V施加到设备，然后将从电压源流向组件的电流I计数为正。
原则上也可以省去二极管中的p-n结。同样在未掺杂的硅晶体中，光的吸收会导致电子-空穴对的产生。人们还能利用这种外部产生的电能吗？
实际上，电子-空穴对在发光的未掺杂半导体中产生。这增加了载流子浓度并因此增加了晶体的电导率。因此，我们有一个LDR（光敏电阻）。尽管这可以用于光的测量（例如，在微光开关中），但不能用于电能的产生。
4.1.2 等效电路
光电二极管的电学行为可由下面的肖克莱方程（3.16）表示：与光电流结合。
（4.2）
在这个维度中，是上一章已经提到的饱和电流：
（4.3）
公式4.2可以用等效电路表示（图4.3）。在这种情况下，强度为的电流源与无源二极管结合在一起。考虑到太阳能电池，我们将返回该等效电路。
图4.3 光电二极管的等效电路
4.2 太阳能电池的功能方法
4.2.1 结构原理
太阳能电池的结构是什么？图4.4提供了有关此信息。基本上，像光电二极管一样，它由一个p-n结组成。这是不对称掺杂的，底部是p基极，顶部掺杂很多发射极。基极和发射极来自双极晶体管的起始时间，已被太阳能电池所采用。如果光穿透电池，则每个吸收的光子都会生成一个电子-空穴对。粒子从空间电荷区域的场中分离出来并移动到触点：从基极到底部背面触点的空穴，从发射极到正面触点的电子。
图4.4 典型的硅太阳能电池结构图
这些是小的金属条，可将产生的电子传输到集电轨（母线）。如果将负载连接到太阳能电池的两极，则可以吸收产生的电能。
4.2.2 重组和扩散长度
在更详细地考虑电池的工作方法之前，我们必须了解少数电荷载流子的行为。利用入射光，通过吸收光子产生电子-空穴对，然后这些电子-空穴对可用作“剩余”电荷载流子。当关闭光源时，粒子会在短时间内重新结合，以重新创建启动条件。
图4.5 杂质情况下电子-空穴对的重组：外来原子的能级形成“阶跃能级”，电子从电导向价带的转移以“步阶能级”增加图
对我们而言，最重要的机制是缺陷的重组。当理论上理想的晶体由于外来原子，晶体结构错误或类似原因而变得不纯时，会发生这种情况。在这种情况下，禁区不再是空的，而是具有其他能级（图4.5）。因此，例如，硅晶体中的铁原子导致在禁区中间的能级，而硫原子仅位于导带以下0.18eV。对于电子，附加能级表示类似阶跃级的东西，在该阶跃以上的价带下降变得更简单，因此更有可能。硫原子的水平很容易使电子从导带到达，但它仍必须弥合几乎整个1.12eV – 0.18eV = 0.94eV的带隙。然而，对于铁原子，台阶高度降低至0.56eV，因此此处的复合概率非常大。由外来原子引起的重组中心也称为陷阱。除外来原子外，晶体错误（例如，空的晶格位置或晶体位移）也会导致重组增加。
晶体表面也是理想的无限延伸晶体的干扰。外部原子的电子找不到键合伴侣，而是保持为开放键。这些随后导致不期望的表面重组。
从这种考虑可以明显看出，用于太阳能电池的晶体应尽可能是单晶且具有高纯度。为了比较各种材料，需要测量特定材料样品的载流子寿命。载流子寿命定义了所产生的电子平均存在多长时间，直到再次复合。取决于硅的质量和掺杂浓度，它的范围是从ms到mu;s。
更有用的是扩散长度的使用。这描述了所产生的电子在半导体中传播直至再次复合之前的距离。它可以根据载体的寿命进行计算：
(4.4)
其中：电子的扩散常数；对于硅来说：。
例如硅的典型数值在50mu;m至500mu;m之间。
图4.6 太阳能电池的横截面：单独生成的电子-空穴对具有贡献光电流的不同好机会
4.2.3 个别电池区域会发生什么？
图4.6更详细地显示了太阳能电池内部的情况。正如我们在第3.6.1节中已经看到的那样，不同波长的光被吸收的方式不同。蓝光具有最高的吸收系数，穿透深度小于1mu;m，相比之下，红外线具有超过100mu;m的穿透深度。因此，我们将更仔细地观察在不同深度的电池中产生光电流的情况。
4.2.3.1 发射极吸收
现在考虑光子①。它被高掺杂发射极吸收。由于高掺杂程度，扩散长度极小，因此产生的空穴可能在到达空间电荷区之前重新结合。发射极的特别高掺杂的上边缘有时也称为死层，以强调这是最高复合概率所在的位置。
4.2.3.2 空间电荷区的吸收
光子②会发生什么？吸收发生在空间电荷区域内。在空间电荷区域中占优势的场将产生的电子-空穴对分开，并沿不同方向驱动两个电荷载流子。电子被移动到n区域，然后从那里进一步移动到太阳能电池的负触点。空穴沿相反方向移动，它必须经过一个较长的距离才能穿过基极到达正触点。由于在该运动期间处于p区域，因此重组的可能性很小。因此，实际上所有产生的电子-空穴对都可以用于光电流。
4.2.3.3 电子扩散长度内的吸收
光子③仅在太阳能电池的深处被吸收。产生的电子不在电场中，而是作为少数电荷载体扩散，该电荷载体在整个晶体中几乎没有动力。如果偶然地它到达空间电荷区域的边缘，那么它将被占优势的电场拉向n侧，在那里它可以作为多数载流子流到触点。由于仍在扩散长度内生成电子，因此它可以将自身保存到空间电荷区域的可能性相对较高。
4.2.3.4 电子扩散长度以外的吸收
光子④是真正的损失者，仅在太阳能电池的下部区域被吸收。尽管电子通过p基扩散，但在到达空间电荷区之前会与空穴复合。因此，尽管由于光吸收而形成了电子-空穴对，但是电子和空穴被“消除”。这对光电流没有任何贡献，并且通过该转换过程，晶体仅变得稍微变热。这种考虑清楚地表明了良好晶体质量对于高效率的重要性。只有这样，才能达到很高的扩散长度，因此吸收的红外线甚至可以在电池深处使用。
图4.6显示了生成的电子如何通过上触点向外流动而空穴如何向下流动。电池中可用的电子和空穴会在某个阶段用完吗？
这是关于孔的思想模型的误解。实际上，孔只是缺少电子的位置，请参阅第3.3.1节。在太阳能电池中，这意味着电子通过外部电流电路在上触点处流走，然后在下触点处返回电池。遇到它们的空穴意味着电子朝相反的方向“滑动”。从电池底部流出的电子充满了一个空穴，因此该电子-空穴对随后可以通过吸收光而“再生”。因此，电子和空穴不会“用完”。
4.2.4 后表面场
金属半导体界面是在太阳能电池下部区域产生的电子的特殊危险，因为在那里可能发生大量的表面复合。遏制这种危险的正常技巧是在金属和半导体之间应用高掺杂的p 层。这例如通过掺杂硼或铝原子来实现。
这个技巧如何运作？由于浓度梯度，空穴从该高度掺杂的p 层流出，进入p区域，并留下位点固定的带负电荷的受体原子。产生的电场称为后表面场（BSF）。它就像电镜一样，将通过吸收产生的电子返回到空间电荷区域的方向。因此，大大降低了在电池后部发生不希望的重组的可能性.
图4.7 背面电场的影响：生成的电子在pp 界面处被成层电势台阶所阻止，并被驱动回到p区域[11]
为了了解这种影响，另一种观看方式在频段图中显示（图4.7）。类似于图3.16，我们首先考虑电池各个区域所具有的费米能量。合并之后，结果就是所示的波段过程。在p 到p层的过渡处，可以看到阻止电子进一步向上移动到背接触的小电位阶跃。除了是电子镜之外，BSF功能还具有其他优势。现在，单元上的整个电压降被划分为实际p-n结处的电势电平和pp 接口处的附加电平。这样在p-n结处减小的电压导致减小的暗电流，然后最终导致开路电压增大[31]。
4.3 光电流
一方面，光电流的大小取决于太阳能电池吸收的入射光子的数量。另一方面，由光吸收产生的电子-空穴对必须分开并安全地带回家。我们将更仔细地研究其条件。
4.3.1 吸收效率
图4.8显示了类似于图3.19的太阳能电池的光吸收。总辐照度的一部分在表面反射（请参阅第3.6.2节）。因此，部分渗透到单元中。现在，根据式子3.20，光的强度会通过吸收而减弱。在底端，仍然保留。差异吸收了单元格中吸收的部分光。
图4.8 太阳能电池中的光吸收
我们将吸收效率定义为吸收光子数与从外部入射的光子数之间的关系。
（4.5）
代入上面的等式后，我们得到：
（4.6）
其中：R是反射系数；alpha;是吸收系数。
可以达到几乎100%的值。为此，一方面，表面上的反射必须减少（例如，通过减反射层，请参阅第3.6.2节）。另一方面，该电池应该足够厚以至于对于x=d，几乎没有光子遗留下来。这里的问题是吸收系数在很大程度上取决于波长。近红外区域的光吸收相对较弱。例4.1 吸收红外光：波长为lambda; = 1000nm的红外光的吸收系数约为50 / cm。根据公式3.21，这相当于200mu;m的穿透深度。对于200mu;m的电池，未使用时会损失1 /easymp;37%的一部分（假设R = 0）。如果希望使电池足够厚，以至于最多损失1%的光，则根据公式4.6的最小厚度为：
因此，示例中的单元大约为900mu;m厚。除了生产这种电池的高成本外，还存在一个问题，即在电池深处产生的电子将在进入空间电荷区的途中重新结合。例如，更好的解决方案是为电池的背面提供光学反射镜。这样，对于相同厚度的电池，光程距离可以加倍。
4.3.2 量子效率
即使成功地将吸收效率提高到100%，也不是所有产生的电子-空穴对都有助于光电流。因此，将外部量子效率定义为可用于光电流的电子-空穴对与整个入射光子之间的关系：
（4.7）
除了外部，我们还定义了内部量子效率，其中不考虑反射引起的损耗：
（4.8）
自然，它的值总是大于外部量子效率。
4.3.3 光谱灵敏度
光谱灵敏度S(lambda;)显示在特定光功率入射下产生的光电流：
（4.9）
当将电流解释为每次的电荷Q并将光功率解释为每次的光能时，可以很容易地找到两个量之间的联系：
（4.10）
前置因子仅由自然常数组成，可以组合为：
（4.11）
因此，最后对于光谱灵敏度：
（4.12）
图4.9显示了标准硅太阳能电池以及高效电池的光谱灵敏度的测量曲线（请参见4.7节）。同时示出了对于的情况的理想曲线。值得注意的是，蓝光（400-500
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