（微电子学与固体电子学专业论文）高效率ingan太阳能电池的研究.pdf

摘要 摘要 随着科技的飞速发展，能源问题日益成为人们关注的焦点。目前使用的能源 主要包括石油、天然气和煤，它们都是非可再生的化石能源，会污染环境并且导 致温室效应。因此，人们迫切希望寻找清洁的可再生的新型能源。而太阳能由于 具有清洁、取之不尽、分布广泛等诸多优势，备受人们关注。太阳能电池是是直 接将太阳辐射能转换成电能的一种装置，被认为是利用太阳能的最佳方式之一， 并且是清洁能源的代表。 长期以来，寻求高转换效率的太阳能电池材料一直是研究的热点。目前， i n g a n 这种直接带隙的半导体材料，通过改变i n 组分可使其禁带宽度从0 7 7 e v ( i n n ) 到3 4 2 e v ( g a n ) 连续可调，并且具有高的电子迁移率和抗辐射能力，因 此i n g a n 太阳能电池中引起了人们密切的关注。本论文基于i n g a n 的以上特点， 对采用i n g a n 材料的太阳能电池进行了分析，研究了加入渐变层和多量子阱这两 种结构的电池，并进行了仿真。 对于i n g a n 组分渐变的应用，本文采用了在异质结中加入渐变层的结构，设 计了p - g a n n i n g a n 渐变层n i n g a n 太阳能电池。通过与无渐变层的电池的仿真 对比，表明对于异质结太阳能电池加入渐变层能够改善电池的性能，发现了当i n 组分为0 6 1 时可以获得最大的转换效率( 可达2 6 9 3 ) 。此外，还发现了薄的轻 掺杂的渐变层可以获得较高的转换效率。 对于i n g a n 多量子阱的应用，本文采用了在p i n 中将多量子阱代替本征层 的结构，设计了p _ i n g a n i 一( i n g a n g a nm q w ) n i n g a n 太阳能电池。通过仿真对 比，表明多量子阱的加入可以提高短路电流，虽然开路电压略有降低，但是还是 增大了转换效率( 当势垒中i i l 组分为0 7 时效率可达2 7 1 3 ) 。此外，通过仿真 数据对比，表明较薄势垒层厚度、较高外界温度以及较多的量子阱数目都能提升 多量子阱太阳能电池的性能。 关键词：太阳能电池i n g a n 组分渐变多量子阱 高效率i n g a n 太阳能电池的研究 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，p r o b l e m sa b o u tt h ef o s s i l e n e r g yh a v eb e e np l a c e di n t ot h es p o t l i g h t t h en o n r e n e w a b l ef o s s i l f u e l sc a nl e a dt o t h eg r e e n h o u s ee f f e c ta n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h e r e f o r e ，p e o p l ea r ee a g e rt o 缅d n e wc l e a nr e n e w a b l ee n e r g y t h e yt u r n e dt ot h es o l a re n e r g y - 一ac l e a ra n di n e x h a u s t i b l e e n e r g yt h a tc a r lb ef o u n da l m o s te v e r y w h e r e s o l a rc e l l i sad e v i c et oc o n v e r ts o l a r r a d i a t i o nd i r e c t l yi n t oe l e c t r i c a le n e r g y ，w h i c hi sc o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h eb e s tw a y s t ou s es o l a re n e r g y a n di ti sa l s or e p r e s e n t a t i v ea sag r e e ne n e r g y s e e k i n gt h em a t e r i a l so fh i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yf o rs o l a rc e l lh a sb e e nt h e f o c u so fr e s e a r c hf o ral o n gt i m e 。r e c e n t l y ，i n g a na l l o y se m e r g ea san e ws o l a rc e l l m a t e r i a l ss y s t e mb e c a u s eo ft h e i rt u n a b l ee n e r g yb a n dg a p sv a r y i n gf r o m0 7e vf o r i n nt o3 4e vf o rg a n ，a n dt h e i rs u p e r i o rp h o t o v o l t a i cc h a r a c t e r i s t i c s - - d i r e c te n e r g y b a n dg a pi nt h ee n t i r ea l l o yr a n g ea n dh i g hc a m e rm o b i l i t y ，d r i f tv e l o c i t ya n dr a d i a t i o n r e s i s t a n c e b a s e do nt h ea d v a n t a g e so fi n g a na b o v e ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ei n g a n s o l a rc e l l s ，d o s er e s e a r c hw i t hc o m p o s i t i o n a l l yg r a d e dl a y e ra n dm u l t i p l eq u a n t u mw e l l ( m q w ) s t r u c t u r e ，a n ds i m u l a t e st h e s et w o s o l a rc e l l s f o rt h e a p p l i c a t i o n o fc o m p o s i t i o n g r a d i n g ，t h i s t h e s i si n c o r p o r a t e sa c o m p o s i t i o n a l l yg r a d e dr e g i o ni nt h eh e t e r o j u n c t i o n a n dd e s i g n sap - g a n n - i n g a n g r a d e dl a y e r n - l n g a ns o l a rc e l l a f t e rt h ec o m p a r i s o nw i t ht h eh e t e r o j u n c t i o ns o l a r c e l lw h i c hh a sn og r a d e dl a y e rt h r o u g hs i m u l a t i o n ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a ta ne x t r a g r a d e dl a y e rc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs o l a rc e l l s i m u l a t i o np r e d i c tt h a ti t c a n g e tm a x i m u mc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ( 2 6 9 3 ) w h e ni nc o m p o s i t i o ni s 61 i ta l s o p r e d i c t st h a tal i g h t l yd o p e d t h i ng r a d e dl a y e re x h i b i t st h eh i g h e re f f i c i e n c y f o rt h ea p p l i c a t i o no fm q w ，t h i st h e s i sd e s i g n sap - l n g a n i 一( i n g a n g a n m q w s ) n i n g a ns o l a rc e l lw h i c hh a v em q w s i i lt h ei - r e g i o ni n s t e a do ft h ei n t r i n s i c l a y e r s i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o np r e d i c tt h a tm q w c a ni n c r e a s et h es h o r tc i r c u i t c u r r e n ta n dt h ee f f i c i e n c y ( 叩t o2 7 13 w h e ni nc o m p o s i t i o ni s7 0 ) ，t h o u g ht h e o p e nc i r c u i tv o l t a g ed r o p ss l i g h t l y b e s i d e s ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h et h i nb a r r i e r l a y e r ，t h eh i g ht e m p e r a t u r ea n dm o r eq u a n t u mw e l l sc a l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f s o l a re e l lo b v i o u s l y k e y w o r d s ：s o l a rc e l l i n g a nc o m p o s i t i o ng r a d i n gm u l t i p l eq u a n t u mw e l l 高效率i n g a n 太阳能电池的研究 一_ 一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着科学技术的发展和人类文明的进步，能源在人类生活和社会发展中的作 用越来越重要。化石能源的有限和对环境的污染使得人们迫切的寻求新型可再生 的清洁能源。太阳能的诸多优势使得它成为当今世界研究的热点。 1 1 1 化石能源特点综述 在当今的社会生产中，化石能源是目前全球消耗的最主要能源，2 0 0 6 年全球 消耗的能源中化石能源占比高达8 7 9 ，我国的比例高达9 3 8 t 1 1 。但人类的不断 开采化石能源，也给社会发展带来了两方面主要问题。 首先，化石能源的枯竭是不可避免的，研究统计表明大部分化石能源本世纪 将被开采殆尽。据美国地质局估计，全世界最终可采石油储量为3 万亿桶。由此 推算，世乔石油产量的顶峰将在2 0 3 0 年出现【羽。由于剩余储量开采难度增大，石 油产量会快速下降。世界煤炭总可采储量大约为8 4 7 5 亿吨。长期来看，尽管世界 煤炭可采储量相对稳定，但还是出现了下降的趋势。按当前的消费水平，最多也 只能维持2 0 0 年左右的时间。世界天然气储量大约为1 7 7 万亿立方米。如果年开 采量维持在2 3 万亿立方米，则天然气将在8 0 年内枯竭。 其次，化石能源的使用过程中会增加大量温室气体，如：c 0 2 ，同时可能产 生一些有污染的烟气，威胁全球生态。化石能源的利用，也是造成环境变化与污 染的关键因素。大量的化石能源消费，还会引起温室气体排放，使大气中温室气 体浓度增加、温室效应增强，导致全球气候变暖。1 8 6 0 年以来，全球平均气温提 高了0 4 c o 8 。i p c c ( 政府间气候变化专门委员会) 所做的气候变化预估报 告的结论是，c 0 2 为温室气体的主要部分，其中约9 0 以上的人为c 0 2 排放是化 石能源消费活动产生的。可以看出以化石能源为主的能源结构，具有明显的不可 持续性。 1 1 2 新能源发展现状 由上节内容可以看出，要保证科学技术的继续飞速发展并且保护人类的生存 环境，开发新型的环保型的可再生能源可以说是势在必行。当前阶段开发的新型 高效率i n g a n 太阳能电池的研究 能源主要是：太阳能、风能、海洋能、地热能、生物能和氢能等【3 1 。这些新能源 中，太阳能是最受关注的一个。 太阳能的利用已经日益广泛，它包括太阳能的光热转换( 例如太阳能热水器) ， 太阳能的光电利用( 例如太阳能电池) 。太阳能源于太阳，也就是说在相当长的时 期内可以认为太阳能是源源不断的，并且获取方便，没有污染，具有重要的开发 和利用价值。 太阳发出的辐射能来自太阳内部的核聚变反应1 4 】，每秒约有6 1 0 1 1 k g 的h 2 转 变成h e ，净质量损失约为4 1 0 3 k g ，这一质量损失通过爱因斯坦关系( e - - m e 2 ) 转变为4 1 0 2 0 j 的能量，此能量主要以从紫外到红外到射频范围( 0 2 3 9 m ) 的电 磁辐射发射出去。太阳的总质量目前约为2 1 0 3 0 蚝，预测太阳在超过1 0 0 亿年的 相当稳定的寿命内，能够输出几乎恒定的辐射能，所以可以认定太阳能是永不枯 竭的能源。 在日一地平均距离的自由空间内，太阳辐射强度为1 3 5 3 w m 2 。当阳光到达地 表时，大气层使阳光减弱，主要原因有红外波段的水蒸气吸收、紫外波段的臭氧 吸收以及飞尘和悬浮颗粒的散射。大气层对地表处接收到的阳光的影响程度定义 为“大气质量”( a i r m a s s ) ，称太阳与天项夹角的正割( s e e 0 ) 为大气质量数( a m ) ， 用于度量光线所经过的大气层路径与太阳正当顶时最短路径的比值。a m 0 表示地 球大气层以外的太阳光谱，a m l 表示太阳位于天顶时地表的太阳光谱，其入射功 率约为9 2 5 w m 2 ，a m 2 是对于0 = 6 0 0 而言的，其入射功率约为6 9 1 w m 2 。 图1 1a m 0 和a m l 5 时的太阳光谱 太阳光谱是指太阳辐射按照波长( 频率) 分布的特征。图1 1 是通过s i l v a c o 仿真得到的a m 0 和a m l 5 时的太阳光谱。它可以分为无线电波、红外线、可见 光、紫外线和射线等【5 1 ，其中可见光又可分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色 光。到地面的太阳光辐射中以红外线能量最多，约为5 0 0 o - - - 7 0 ，可见光比例次之， 第一章绪论 约占3 0 - 4 6 ，紫外线最少，约占0 1 - - 4 。 太阳能作为一种新型能源，与常规能源如化石燃料及核能相比有以下特点： ( 1 ) 广泛性。太阳能对于交通不便利的地区具有很高的优越性，一次投资建设 好发电设施之后，平时维护的费用远比其他能源要小的多。 ( 2 ) 清洁性。相比化石能源燃烧时放出的各种气体以及核能开发时排出的放射 性物质对环境的危害，太阳能可以最大程度的降低对环境的污染，是很好的清洁 能源。 ( 3 ) 分散性。太阳辐射虽然遍及很广，但是单位面积上的功率却不大，因此需 要较大的受光面积才能获得较大的功率。 ( 4 ) 间歇性。太阳能的利用由于季节、气候、纬度的影响，其可用量是不稳定 的，所以利用太阳能发电时需要提供相当容量的储能设备。 综上所述，可以看出太阳能是未来最有希望的可再生新能源。将太阳能直接 转换为电能和热能造福于人类一直是科学家的追求目标。因而，自从1 9 5 4 年第一 块单晶硅太阳能电池问世以来，人们对利用半导体太阳能电池拟解决将来由于化i 石能源枯竭而引起的能源危机寄予很大希望。 1 2研究意义 太阳能主要通过太阳能电池将太阳光的能量转换为电能，从而进一步进行利 用。太阳能电池的发展大体分为两个方面：一是有特殊用途的高效高成本的太阳 能电池系统，通过提高效率降低单位输出价格；另外一种是发展中等转化效率， 低成本的电池系统。两者的目的都是在提高太阳能电池的能量转换效率的情况下， 同时降低成本。因为只有太阳能的利用成本降低到与化石能源成本接近时，太阳 能系统才能被市场和社会接受，从而发挥其巨大的有时，并逐渐取代化石能源。 第一个太阳电池是1 9 5 4 年由c h a p i n ，f u l l e r ，p e a r s o n 利用扩散硅p - n 结技术 制成的1 6 】，现在各种形式的太阳能电池相继问世，目前研究最广泛的太阳能电池 主要是单晶硅、多晶硅、非晶硅以及化合物等形式的电池。然而，与水利和化石 能源相比，单晶硅电池原料成本高，生产工艺复杂，限制了它的民用化。非晶硅 电池价格更加便宜，但是现有的产品一般光电转化效率较低，且稳定性差。而且， 经过研究表明，太阳能电池的光电转换效率不仅与其组成材料有关，还与太阳能 电池的结构有密切关系。 单晶硅太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求9 9 9 9 9 。单晶硅太 阳能电池板由许多单体片用串联或者并联的方法构成，可输出一定的电压和电流。 目前，单晶硅太阳能电池是开发得最快的一种太阳能电池【7 l ，技术最为成熟，光 4 高效率i n g a n 太阳能电池的研究 电转换效率为1 5 ，使用年限长，用途广泛，但是由于价格高昂的高纯硅和复杂 的工艺导致成本居高不下。 多晶硅太阳能电池是以多晶硅锭为原料制成的。多晶硅薄膜电池由于所使用 的硅比单晶硅少很多，不存在效率衰退等问题，而且可以在廉价的衬底材料上制 备。其成本远低于单晶硅电池，光电装换效率最高达2 0 ，因此很有前景。 非晶硅太阳能电池是1 9 7 6 年出现的新型薄膜式太阳能电池，它与单晶硅和多 晶硅电池的制作方法完全不同。非晶硅太阳能电池很薄，在一个平面上，用适当 的掩膜工艺，一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。并且结构多样化，因 此制作方法也很多种。其制作简单，硅材料消耗很少，重量轻，电耗低，成本较 低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得以迅速发展，光电转换效率可达 1 0 ，但是稳定性较差，常有转换效率衰退的现象，所以尚未大量用于作大型太 阳能电源，而多半用于弱光电源，例如袖珍式电子计算器、电子钟表等方面。 化合物薄膜太阳能电池大多以i i i v 族化合物为主。近年来在高效叠层电池的 研制中，人们普遍采用3 元和4 元的v 族化合物作为各个电池的材料，以取得 更适宜的禁带宽度【s 】。他们大多是直接带隙半导体，光吸收系数大，还具有良好 的抗辐照性能和较小的温度系数，因此这类材料特别适合于制备高效率、空间用 太阳能电池。如今发展最为成熟的是以g a a s 、i n g a n 为代表的化合物太阳能电池。 但是其材料价格昂贵、制备技术复杂，导致成本远高于硅太阳能电池，不过随着 叠层电池效率的迅速提高以及聚光太阳能电池技术的发展和设备的不断改进，这 类太阳能电池是很有潜力的。 本文基于太阳能电池的光生伏特效应，通过使用s i l v a c oa t l a s 软件对太阳 能电池的特性进行仿真，探索新型高效率的太阳能电池的结构。经过研究，本文 提出了以i n g a n 为核心的组分渐变结构和多量子阱结构的太阳能电池，通过仿真 结果指出了这两类电池能够明显的提高太阳能电池的转换效率。 1 3 国内外研究进展 太阳能电池的研发经历了三个阶段，目前正从第一代基于硅片技术的太阳能 电池向基于半导体薄膜技术的第二代太阳能电池过度。到目前为止，大型的商业 化的太阳能电池仍是以无毒的硅太阳能电池为主。它主要特点是转换效率高、寿 命长和稳定性好，但成本较高，其成本的一半来自硅材料【9 】。阻碍太阳能电池推 广的最大障碍就是成本问题，为进一步降低成本，基于薄膜太阳能电池技术的第 二代太阳能电池就应运而生。在薄膜电池中，很薄的光电材料被铺在衬底上，大 大减小了半导体材料的消耗，也容易形成批量生产而大大降低电池的成本。薄膜 第一章绪论 电池材料主要有多晶硅、非晶硅、碲化镉及铜铟硒等。对于第二代薄膜电池，提 高转换效率是需要解决的主要问题，而薄膜电池的性能稳定性和生产成本也必须 达到大规模应用的要求【1 0 】。因此，在第一、第二代太阳能电池的基础上第三代电 池应运而生。 第三代太阳能电池的光电转化效率比第一代太阳能电池高的同时，保持了第 二代薄膜太阳能电池低成本的优势，m a r t i na g r e e n 分析及估算了光伏电池效率 与成本的关系如图1 2 所剥1 1 】。 图1 2 三代太阳能电池的成本和转换效率区间 第三代太阳能电池应当具备的特点是：薄膜化、转换效率高，原料丰富且无 毒，目前还处于实验室研究阶段。已经提出的第三代电池主要有叠层太阳能电池、 多带隙太阳能电池和热载流子太阳能电池。叠层电池采用多层电池结构设计，每 层电池的能带均不同，从顶至下能带一次减小，这样能量高的光子被上面能带高 的电池吸收，而能量低的光子则能透过上面的电池而被下面能带低得电池吸收， 从而有效地提高转换效率。在理想情况下，无限增加电池层的数目，电池的理论 效率可达8 6 8 【l2 | 。通过适当地掺杂可以在能带中引入中间能级，使太阳光入射 到这种材料内部时，不同能量的光子可以将电子激发到不同的能带，从而有效了 利用太阳光。美国伯克利国家实验室的研究人员在锌锰碲合金中注入氧，使合金 具有0 7 3 e v 、1 8 3 e v 、2 5 6 e v 等三个能级，这种合金几乎对整个太阳光谱作出相 响应，而且原料丰富，是一种比较理想的太阳能电池材料【1 3 】。 中科院半导体所重点半导体材料科学实验室的张小宾等人先后发表了以 i n g a n 为材料的单结和双结的太阳能电池的设计和方针结果。在单结太阳能电池 中i n 的组分是0 6 5 ，其p 型和n 型的掺杂浓度均为5 x1 0 1 7 c m 一，厚度分别为1 3 0 n m 和2 7 0 n m ，它的转换效率可达2 0 2 8 4 ，短路电流、开路电压和填充因子分别是 2 9 6 1 3 m a c m 2 、0 8 3 4 v 和8 2 2 1 14 j 。对于双结太阳能电池，项电池和底电池中i n 的组分分别为0 4 9 和0 7 4 ，相应的禁带宽度分别为1 7 2 e v 和1 1 2 e v ，一个太阳 6 高效率i n g a n 太阳能电池的研究 时并且大气质量为a m l 5 时其转换效率可达4 0 9 1 1 5 1 ，结果相当可观。 广西大学物理科学与工程技术学院发表的关于i n g a n 叠层电池的方针结果也 是很客观的。对于i n g a n 单结电池，i n 组分为0 6 5 时，其设计的电池转换效率 为2 4 9 5 ，短路电流、开路电压和填充因子分别是2 9 5 8 m a c m 2 、0 9 6 v 和8 8 。 双结的i n g a n 转换效率可达3 4 4 ，而三结的太阳能电池，转换效率更是达到了 4 1 7 6 t 1 6 1 。 美国加州劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学部门的g f b r o w n 等人发表的 文章指出，对于i n g a n 材料的电池，加入组分渐变的i n g a n 能有效的提高转换效 率。对于单个的p - g a n n 1 n o s g a o s n 异质结构成的太阳能电池中加入5 0 n m 的 n - i n , , g a ( i 。n ，可使转换效率从0 3 5 增大到17 8 ，对于双结的l n g a n s i 太阳能 电池加入渐变的l n g a n ，其转换效率可达2 8 9 t 1 7 】。 总之，近年来，随着太阳能电池在新能源中的比重不断增大，国内外专家、 学者对太阳能电池的研究也越来越重视，基于不同材料、不同结构的太阳能电池 更是层出不穷。 1 4 本文主要工作和结构安排 本文的主要研究课题为以i n g a n 为主要材料的高效率太阳能电池的研究。研 究工作从光伏效应、影响电池性能的因素及仿真流程着手，设计了以i n g a n 为核 心的组分渐变结构和多量子阱结构的太阳能电池，并且进行了仿真和分析。经过 对仿真结果的对比，指出了采用渐变层结构的电池，在p - g a n n i n g a n 异质结中 加入i n g a n 渐变层能够提高转换效率，而且采用较薄的轻掺杂的i n g a n 渐变层能 够促进效率的增大。对于采用多量子阱结构的电池，表明在p - i - n 电池的基础上采 用i n g a n g a n 多量子阱结构替代本征层进而提高转换效率，还研究了影响多量子 阱电池性能的4 个因素。 本文第二章首先讲述了太阳能电池的发展史，随后介绍了太阳能电池的光生伏 特效应的基本原理及电池的电流电压特性，还介绍了影响太阳能电池性能的主要 因素。这部分的工作为本文后续进行电池的仿真提供了重要的理论依据。 本文第三章介绍了器件仿真软件- - s i l v a c oa t l a s 及其在电池仿真中的基本流 程。 本文第四章首先介绍了i n g a n 材料的特性，然后主要介绍了i n g a n 组分渐变 结构对电池性能的改善，设计了加入渐变层的异质结并进行了仿真，并且发现了 薄的轻掺杂的i n g a n 渐变层可以获得较高的转换效率。 本文的第五章首先介绍了多量子阱结构对太阳能电池性能的影响，设计了加 第一章绪论 入i n g a n g a n 多量子阱的p - i n 结电池，并进行了仿真，证明了多量子阱能明显 的提升电池性能，还研究了势垒层厚度、外界温度、势垒中i n 组分以及量子阱数 目对电池的性能的影响。 本文的最后对文章中提出的电池的研究及其仿真进行了全面总结，指出了本 文工作的不足之处并对下一步研究工作做出了展望。 8 高效率i n g a n 太阳能电池的研究 一_ 一 第二章太阳能电池基本理论 9 第二章太阳能电池基本理论 本章简要介绍了太阳能电池的发展史，详细讲解了太阳能电池的光生伏特效 应的基本原理及电流电压特性的推导，研究了影响太阳能电池性能的主要因素。 2 1 太阳能电池的历史 太阳能电池的研究最早始于1 8 3 9 年e d m u n db e c q u e r e l 发现的光生伏特效应。 他观察到当有光照射到泡在电解液中的涂有铂的银板时，会产生光生电流。接下 来，w i l l i a ma d a m s 和r i c h a r dd a y 在1 8 7 7 年发现了光照时硒( s e ) 也能产生光生电 流。基于上述的发现，c h a r l e sf r i t t s 在1 8 8 3 年发明了第一个用硒制成的太阳能电 池。随后，w a l t e rs c h o t t k y 等又对这一金属半导体太阳能电池进行了改进。在2 0 世界5 0 年代的时候，硅已经应用于电子制造领域。通过应用硅材料的p n 结，使 得s c h o t t k y 电池的性能进一步提高。19 5 4 年，c h a p i n ，f u l l e r 和p e a r s o n 发明了第 一个硅太阳能电池，其效率为6 6 1 。虽然效率不高，却适用于那些难以架构电网 的区域。硅太阳能电池首先被用在了卫星上。在此之后，太阳能电池的效率随着 材料的改进进一步提升。 以下列出了从18 3 9 年至2 0 0 2 年间光伏里程中的重大事件【ls 】： 1 8 3 9 年法国的b e c q u e r e l 首先发现了电解液中的光电效应。 1 8 7 3 年英国的s m i t h 发现在硒( s e ) 中友光电导效应。 1 8 7 7 年英国的a d a r m s 和d a y 在硒管中发现发生电流，这是首次在固体中观 察到光伏效应。 1 9 3 0 年s c h o t t k y 首次提出c u 2 0 势垒的“光伏效应”理论。同年，l o n g e r 首 次提出可以利用“光伏效应”制造“太阳能电池”，使太阳能变成电能。 1 9 5 4 年美国贝尔实验室p e a r s o n 偶然开启房间里的灯光时，发现单晶硅p n 结 会产生一个电压的物理现象。经过这种光伏现象的研究，1 9 5 4 年底首次发表 单晶硅太阳能电池效率达6 的报道，开启了“p n ”结型电池的新时代，时至 今日“p n ”电池仍占据着光伏失业的绝对地位。 1 9 5 8 年美国n a s a 的v a n g u a r d 人造卫星上使用s i 太阳能电池组件排布的矩 阵板。 1 9 6 3 年日本s h a r p 公司最先生产处商业化的s i 电池组件。 1 9 7 0 年苏联a l f e r o v 、a n d r e e v 等，研制第一块g a a s 异质结太阳能电池。 1 9 7 3 年时光伏的大年：第一次世纪石油危机刺激很多国家考虑包括光伏在内 l o 高效率i n g a n 太阳能电池的研究 的再生能源；美国c h e r r yh i l l 会议上确定了光伏作为可再生能源的地位；美 国决定正式立法设立研究基金予以支持；世界上第一个太阳电力住宅在美国 d e l a w a r e 大学建立，当时用的不是s i 电池，而是硫化亚铜的太阳能电池组件。 1 9 7 4 年日本宣布开始实施“阳光( s u ns h i n e ) 计划，以培育光伏工业及其 应用的增长；美国的t y c o 研制出宽度能达2 5 c m 光伏用的单晶s i 带，首次 找到可替代s i 片的光伏材料。 1 9 8 0 年第一个效率大于1 0 的c u l n s e 电池在美国制出；效率达8 的非晶硅 电池由r c a 的c a r l s o n 研制出来，树立了非晶硅电池的里程碑。 1 9 8 1 年在s a u d ia r a b i a 建立起3 5 0 k w 的聚光电池矩阵，开启了聚光电池的新 纪元。 1 9 8 2 年第一个1 m w 实用规模的光伏电站在美国加利福尼亚州安装。 1 9 8 5 年高效s i 电池的大年：由澳大利亚西南威尔士大学报到了在一个标准太 阳下s i 电池的效率大于2 0 ；美国s t a n f o r d 大学给出在2 0 0 个太阳下聚光电 池效率大于2 5 的报道。 1 9 8 6 年美国a r c os o l a r 的第一个商业化的薄膜a s i 功率组件g 4 0 0 诞生。 1 9 8 7 年世界第一次1 4 台太阳能电池动力汽车完成3 2 0 0 k m 的世界太阳能汽车 锦标赛在澳大利亚举行，冠军的平均时速为7 0 k m h 。 1 9 9 0 年太阳能电池共用电力并网发电系统技术研究成熟，德国提出“2 0 0 0 个 光伏屋顶计划”；而在电池生产方面，各国竞争激烈，“洗牌 现象波及全球。 1 9 9 4 年美国n r e l 发布g a l n p g a a s 两端聚光多结电池效率大于3 0 。 1 9 9 5 年德国、日本及欧盟，正式启动“光伏示范”计划，引发了私人家庭安 装光伏的法律问题。 1 9 9 6 年瑞士诺桑g r a t z e l 的“染料敏化 固液电池效率达1 1 。 1 9 9 7 年美国启动“克林顿总统百万屋顶计划”；日本启动“新新阳光计划”； 荷兰政府提出“荷兰百万屋顶计划”；欧盟也计划到2 0 1 0 年生产3 7 亿峰瓦的 光伏电池。光伏年产达1 0 0 m w 。 1 9 9 8 年美国n r e l 宣称薄膜c n i n s e 电池效率达1 9 ，第一个g a l n p g a a s g e 三结聚光电池宣布在l 号空间站上应用。 1 9 9 9 年世界累计建立光伏电站达1 0 0 0 m w ：m g r e e n 研究组发表单晶硅电池 效率2 4 7 创世界记录的文章报道。 2 0 0 0 年的澳大利亚奥林匹克运动会的亮点是大范围地应用了太阳能电池。 2 0 0 2 年世界累计建立光伏电站达2 g w 。从1 9 5 4 年光伏电池出现，第一个累 计i g w 电站的建立，前后花了2 5 年的时间，而第二个1 g w ，仅用了3 年； 仅日本s h a r p 公司一家，其硅电池年生产能力就超过1 0 0 m w 。 第二章太阳能电池基本理论 2 2 光生伏特效应 当用适当波长的光照射非均匀半导体( p n 结等) 时，由于内建场的作用( 不 加外电场) ，半导体内部产生电动势( 光生电压) ；如果将p - n 短路，则会出现电 流( 光生电流) 。这种由内建场引起的光电效应，称为光生伏特效应【1 9 】。 由于p n 结内势垒区内存在较强的内建场( 自n 区指向p 区) ，结两边的光生 少数载流子受该场的作用，各自向相反的方向运动：p 区的电子穿过p - n 结进入n 区；n 区的空穴进入p 区，使得p 端的电势升高，n 区的电势降低，于是在p n 结 两端形成了光生电动势，这就是p n 结的光生伏特效应。 图2 1p - n 结能带图( a ) 无光照( b ) 光照激发 由于光照产生的载流子各自向相反方向运动，从而在p n 结内部形成自n 区 。 向p 区的光生电流i l ，如图2 1 所示。由于光照在p n 结两端产生光生电动势， 相当于在p - n 结两端加正向电压v ，使势垒降低为q v d q v , 产生正向电流i f 。在 p n 结开路情况下，光生电流和正向电流相等时，p n 结两端建立起稳定的电势差。 v o c ( p 区相对于n 区是正的) ，这就是光电池的开路电压。如果将p _ n 结与外电 路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p n 结起了电源的 作用。这就是光电池的基本原理。 2 3 太阳能电池电流一电压特性分析 一个n + p 结太阳能电池的基本结构如图2 2 所示【2 0 1 ，它由三部分组成：掺杂 浓度为n a 厚度为w p 的p 型区( x 0 ) ：掺杂浓度为n d 厚度为w 。的n 型区( x 瓦主与【l 州训q ( 功m ) 一川如( 2 - 1 2 ) 在准中性区电场可以忽略，只有少子的扩散电流，p 区和n 区的少子扩散电 流密度如下表示 以( x ) ：以华 ( 2 - 1 3 ) 以( 加一峨警 ( 2 - 1 4 高效率i n g a n 太阳能电池的研究 总的扩散电流密度为 j ( x ) = 【j p ( x ) + 以( x ) 】 ( 2 - 1 5 ) 讨论耗尽区的电流可以从稳态电流连续方程积分得到，在耗尽区对x 积分 垦丛d x 生出= 以( ) 一以( 一毛) = g 【厂( 工) 一g ) 】出( 2 - 1 6 ) 复合率的计算，若再耗尽区是通过复合中心的复合机制，而且是通过带隙中 央e t = e j 的复合能级。在凹进去内最大复合率u ( x m ) 是常数，x m 是定义在该点电子 浓度等于空穴浓度，n d ( x m ) = p d ( x m ) 。带入有关载流子浓度与边界条件，耗尽区的 复合率可以表示为 u o ：= n , ( e c v 2 * r - i ) ( 2 - 17 ) t d 为耗尽区有效寿命。由此，式( 2 1 6 ) 可写成 以( 一) = 以( ) 一幔妙( x ) 一g o ) 】出 ；讹) + 厶一g 业( e q v 2 t s r - 1 ) 2 1 8 d 其中，j d 为耗尽区产生电流密度 厶= g ( 1 一s ) f 【l r ( 缈) b ( 缈) k - a ( w - x , ) - - e - a ( w - x p ) k ( 2 - 1 9 ) 式中，x n 、x p 分另l j 1 1 区和p 区耗尽层宽度，w d - - - - x 。+ x p 为耗尽层总宽度。根据式 ( 2 1 5 ) 。总的电流应该是在空间相同一点的电子电流与空穴电流之后，最后得到 j = 4 以( 一毛) + 以( 一毛) 】 = 彳卜咿侧小g 等r 一- ) q 2 其中，a 为电池面积，第一、第二项分别代表少子的扩散电流，最后一项代表耗 尽层的复合电流。应用已求出的少子电流密度式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 以及扩散电流 方程等，带入式( 2 2 0 ) 整理后可得到太阳能电池的电流电压特性 i = ，贮一i o l ( p 9 y 7 b r 一1 ) - 0 2 ( p 9 矿7 2 b r 一1 ) ( 2 2 1 ) 第一项i s c 是当v = o 时的短路电流，第二项中i o l 是与n 和p 中性区的复合相关的 暗饱和电流，第三项中1 0 2 是与耗尽区复合有关的暗饱和电流。 图2 3 给出了电池暗的与光照下得i v 特性，从图中看出光i v 特性曲线是 将光电流叠加到通常的整流二极管的i - v 电流。短路时的i l 就是短路电流i s c 。 第二章太阳能电池基本理论 j 一，一， f 一一一一一一 k。 一 n 意 b 二 j i l 也 1 i s c ( i m p ，v m p ) 图2 3 太阳能电池无光照与有光照时的i v 特性 通过对式( 2 2 1 ) 的分析可知，太阳能电池的i v 特性事与材料的基本性质： e g 、n a 、n d 、d n 、d p 、l i i 、l p ，与器件结构和工艺：w 。、w p 、s f e f f 、s b s f 等参数 密切相关的。 2 4 太阳能电池性能表征 为了进一步理解太阳能电池工作的特点和提出太阳能电池性能的表征，将式 ( 2 2 1 ) 用一个等效电路表示。图2 4 由三个并联的的器件组成，一个理想的恒 流源i s c 及理想因子分别为l 和2 的两个二极管d l 及d 2 。电流源i s c 的电流与两 聱。 个二极管的电流方向相反，相当于二极管处于正向偏置。总的电流表示成 ，( 矿) = ，簖一如l 一，d 2 ( 2 - 2 2 ) 、 i z k i 5 z j )l d l h 上 上一 图2 4 简化的双二极管模型等效电路 设在理想情况下，与耗尽区复合相关的二极管d 2 对电流的贡献很小，式 ( 2 2 2 ) 则为 i _ - k - i o i p 妒一1 ) ( 2 - 2 3 ) 具体计算一个n + p 结构太阳能电池的i v 特性，表2 1 列出一个硅太阳能电池的 材料与结构参数【1 羽。发射区的掺杂浓度( n d ) 比基区掺杂浓度( 1 ) 高出五个量级， 1 6 高效率i n g a n 太阳能电池的研究 有高的注入效率。而发射区厚度仅是基区厚度的千分之一，保证了电池有充分的 吸收。将参数带入式( 2 2 3 ) ，计算出典型的太阳能电池电流电压特性如图2 5 所示。图2 5 是以光生电流为正的结果，它与图2 - 3 第四象限的结果是对应的。通 过电流电压特性来定义表征电池性能的参数。v = 0 ，由光电流提供的电流为短路 电流l s c 。i = 0 时，电池的输出电压为开路电压，可由下式表示： ：丝l n 叠盘! 坚l n 生 ( 2 2 4 ) 一 go lg0 1 表2 1s i 太阳能电池计算参数 参数 数值 参数数值 a1 0 0 c m w n0 3 5 p mw p3 0 0 9 m n d 1 x 1 0 2 0 c m - 3 n a 1 1 0 1 s c m - 3 d p 1 5 c m 2 ( v s )d n3 5 c m 2 ( v s ) s f e f f 3 x1 0 4 c m s s b s i ： l0 0 c r r g s 唧 l 雌 3 5 0 邮 l p1 2 9 i n l t i1 1 0 0 1 9 n 电祀艰监，v 图2 5s i 太阳能电池电流电压特性 对于一定的短路电流，v o c 随饱和电流i o l 的增加而对数地减小。电池的输出 功率为 尸= = z s c 矿一厶，y ( p 9 y 7 b r 一1 ) ( 2 2 4 ) 图2 5 中不同点的功率( i v ) 相当于矩形的面积，最大功率输出p m 广i m p v m p ， 第二章太阳能电池基本理论 1 7 则是图2 5 中i v 曲线内面积最大的矩形 = 兰k l 一等t n ( 剖一等i ( 2 彩， 定义i n l p v m p 与i s c v o c 两个矩形的面积比为填充因子f f f f = 2 毫竺( 2 2 6 ) l s c v 0 c 太阳能电池广电转换效率q 应是电池最大输出功率p m p 与入射功率p i i i i 之比 ，7 ：生：盟：f f i s c v o c ( 2 - 2 7 ) 匕圪圪 至此用l s c 、v o c 、f f 和t 1 来描述太阳能电池的性能。 电池短路电流i s c 是与入射光子能量有关的，引入另一个参数，量子效率【2