影响太阳能电池效率因素

摘要：提高太阳能电池的光电转换效率一直以来都是太阳能产业发展研究的重点，因而受到广泛的关注。本文主要从材料的微观结构入手，论述了材料的表面结构，内部杂质带量子阱结构，p-n结数目，界面，层错缺陷等因素对光生伏特效应的影响，从而为提高太阳能电池光电转换效率提供可行的理论依据。

关键词：太阳能电池 异质结 量子阱 杂质带 点缺陷 掺杂

0 引言

随着世界经济快速发展，能源问题日益突出，太阳能作为一种优质的可再生清洁能源能在带来巨大经济效益的同时改善环境污染问题。太阳能电池具有安全，环保的优良特性，可应用于日常生活的各个领域，具有可观的发展前景。

太阳能电池利用光电转换技术将光能转变为电能，是获取太阳能的有效方式，Si作为目前太阳能电池主要材料其光吸收率很低，禁带宽度为 1.12ev,与最佳光伏响应禁带宽度1.5ev相差较大。因此，研究结构对光电转换效率的影响非常必要，为今后通过开发新材料新结构及对旧材料改性来提高光电转换效率奠定理论基础。

1 太阳能电池光电转换基本原理

固体样品的电子结构或其他性质存在某种不均匀性或异质性，当光照固体时出现外电压的光生伏特效应【1】。这种不均质固体想接触时，势垒区域产生光激发载流子，内建场将使异号的剩余载流子向相反方向运动，形成电子和空穴在不同区域积累，导致电子结构的突变，形成光电压。

2 影响光生伏特效应的因素

提高光电转换效率主要取决于开路电压，闭路电流和填充因子三个物理量。下面从以下几个影响因素论述其对这三个物理量的影响提高太阳能电池光电转换效率。

2.1梯度掺杂

对于均匀掺杂的p-n结太阳能电池，在p区与n区界面处通过扩散作用产生了自建电场，在厚度很小的耗尽层内，光照时，只在电场区域及附近的电子空穴对守电场力的驱使定向移动形成光电流。其他区域电子空穴对由于无电场力无法分离，激子复合率较大，重新辐射出光子，相当于降低了光子吸收率。

若在n区p区进行梯度掺杂，在同型区域内由于浓度差引起载流子的扩散形成自建电场。指数递增掺杂【2】，且远离耗尽层浓度高，n区静电荷分布随浓度增大而从负至正，且与耗尽层电场方向一致，有利于光生电子被n区收集，空穴被驱使至p区，减少了载流子的复合从而增大了闭路电流，提高效率。线性递增掺杂，耗尽层外电场强度较小，光生载流子的收集效果不明显，因此闭路电流提高较小。

2.2增加p-n结数目

开路电压V0随反向饱和电流I0的减小而增大，而Eg的增大使I0迅速减小，所以V0随Eg的增加而增加。Eg的增加，太阳光中能量大于Eg的光子数减少，所以闭路电流Is减小，则一定存在着一个最佳的Eg使得能量转换效率最高。

增加p-n结数目相当于电池的串联，多层p-n结电池各层材料应使其各自不同的禁带宽度匹配可见光中不同的频段，增大了电池对光子的响应范围，形成更多的电子空穴对，增加了电池效率。

但这种途径往往受到材料的晶格匹配，化学融合的差异，热膨胀差异的限制，较难同时实现各种化学晶格匹配和最佳禁带宽度材料的生长。

2.3缺陷的影响

材料中载流子的复合所造成的损失也直接决定光电转换效率，其主要由材料中的缺陷程度决定。延长少数载流子的寿命可以减少载流子的复合速度，有助于载流子在p-n结两端长时间较高浓度的积累，导致p区和n区较高的电位差，载流子通过扩散的复合愈加困难，即增大了材料中的开路电压。

对于材料中本证结构不可避免的点缺陷，由于空位的产生或间隙点杂质为电子空穴对的复合提供了能级陷阱，增加了非直接复合的几率从而减小了载流子数目，由电流密度I=nev知光电流减小。但若适当提高材料制备温度，内部点缺陷向晶界或表面扩散，大大减小了材料内部缺陷密度，延长了少数载流子寿命，但表面高浓度的缺陷间隙会使得表面失去光生伏特效应。同时，点缺陷产生的载流子可以在一定程度上弥补载流子因缺陷的复合。

当点缺陷浓度过高时，点缺陷移动形成缺陷线面，产生缺陷能级，大大增加了复合作用，光伏效应剧烈下降。高浓度的线缺陷【3】延生至界面上形成针状，导致内部短路，降低光伏效应效率。

若材料中有固溶第二相【4】，阻止了载流子的迁移，迁移率的下降是电阻率增大，降低了材料的电学性能【5】，短路电流减小。另外，第二相还是很强的复合中心，即显着降低光伏发电效率。但是，第二相有利于改善禁带宽度。

2.4量子阱结构的引入

在p-n结中间结构中掺入势阱杂质，晶格材料作为势垒，形成量子阱结构【6】，增大势垒宽度，导致高频光子吸收增多，光生载流子数目升高。同时由于p-n结中心层高势垒阻止了电子空穴对越过耗尽层内电场的复合，光电流提高，导致效率的提高。这种势阱结构的内部高势垒阻止了表面区光生载流子的收集，开路电压减小。但增加量子阱数目产生的光电流增加能弥补开路电压减小的损失。

2.5杂质带的适当引入

太阳能电池材料，一般只存在相应的导带和价带，并没有中间能带。这就导致了一般的太阳能电池只能吸收太阳能光谱中大于电池材料禁带宽度的高能量光谱，对低于其禁带宽度低能量光子则无法利用，限制了太阳能电池的效率。

当材料带隙中引入一层中间杂质带的时候，就有两种方式能够导致电子空穴对的产生。一种是电子从价带跃迁到中间带，然后通过中间带跃迁到导带，另外的一种方式就是电子直接从价带跃迁到导带。这样，杂质带太阳能电池就可以等效于三个不同带隙太阳能电池的并联，能够极大地提高太阳能电池的效率。

但另一方面，如果杂质带不能够得到良好的控制，在材料中引入杂质能级的同时，也相当于在材料中引入了复合中心，从而会导致非辐射复合的产生。 A.Luque【7】等指出当掺杂浓度大到足以形成杂质带的时候可以抑制非辐射复合。如果当杂质引入的电子之间有相互作用的时候，就能够实现电子在不同原子的原子轨道上自由移动，非辐射复合就能够受到抑制。当然为了达到这种目的，杂质掺入要达到一定的浓度，这个浓度一般认为是Mott【8】相变浓度。

中间杂质带上的电子必须处于半填充的状态，保证杂质带既有空穴又存在电子。这样既能够使电子从中间带跃迁到导带，又能同时使电子从价带跃迁到中间带。

2.6异质绒面结构的影响

为提高光吸收率，降低表面光反射是十分必要的，一般经过特殊化学腐蚀的p区和n区构成良好的绒面结构，且形成随机分布的金字塔结构交错在一起。即相当于增加了p-n结的有效光吸收面积，从而提高光电转换效率。

但同时，由于这种交错结构疏松，空气中的O2容易渗透到交界处【9】，产生绝缘层，严重影响了载流子的传输，迁移率的下降和不稳定造成光电流的下降和不稳定。因此，光电池稳定性有待加强，可以尝试在界面间隙处沉积一层薄膜，既阻止O2的渗入和绝缘层随老化的增厚，同时又确保了载流子的迁移不受影响，一定程度提高光伏发电效率。

3 结论

(1) 量子阱结构，p-n结数目，指数梯度的掺杂，绒面结构有助于提高电池效率。

(2) 缺陷，杂质带的作用较复杂，需实验验证综合考虑。

4 结语

本文主要从结构缺陷方面理论上浅述了以上六个影响太阳能电池光电转换效率的因素，为改善太阳能电池效率提供理论可行性，由于缺乏实验支持，未能考虑到实际制备中的工艺，流程，成品率，精细控制程度等方面的问题，可能与实际有很大

差距。但从以上可以看到，提高太阳能电池效率是一个复杂，各种因素相互作用的过程，必须充分综合考虑到材料内部微观结构和外部宏观条件。

参考文献

【1】 张德.光生伏特效应.材料物理.2011 第1版: P.138~139.

【2】 王爱坤,周国香,杨韧等.梯度掺杂对太阳能电池转换效率的影响.半导体技术.2003 28(9): P.78.

【3】 沃银花.CdTe/CdS太阳能电池材料的研究进展.材料导报.2005 19(4): P.32.

【4】 李文漪,蔡□,陈秋龙.CIS光伏材料的发展.机械工程材料.2003 27(6): P.3.

【5】 李春雷,庄大明,张弓等.硒化温度对铜钢稼硒太阳能电池吸收层性能的影响.材料研究学报.2010 24(4): P.361.

【6】 孙强，许军，陈文浚等.基于AlInGaAsP材料的应变平衡量子阱太阳能电池. 人工晶体学报.2005 34(5): P.912~914.

【7】 Luque, A. and A. Mart, Increasing the Efficiency of Ideal Solar Cells by Photon Induced Transitions at Intermediate Levels. Physical Review Letters, 1997. 78(26): p. 5014.

【8】 Mott, N.F., Metal- Insulator Transition. Reviews of Modern Physics, 1968. 40(4): p. 677.

【9】 张籍权，张伏生，刘爱民等.绒面ZnO/Si异质结太阳能电池的初步研究.人工晶体学报.2009 38(6): P.1345,2457,2458.