摘要：提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率一直以來都是太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究的重點(diǎn)，因而受到廣泛的關(guān)注。本文主要從材料的微觀結(jié)構(gòu)入手，論述了材料的表面結(jié)構(gòu)，內(nèi)部雜質(zhì)帶量子阱結(jié)構(gòu)，p-n結(jié)數(shù)目，界面，層錯(cuò)缺陷等因素對光生伏特效應(yīng)的影響，從而為提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率提供可行的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽能電池 異質(zhì)結(jié) 量子阱 雜質(zhì)帶 點(diǎn)缺陷 摻雜

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源問題日益突出，太陽能作為一種優(yōu)質(zhì)的可再生清潔能源能在帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)改善環(huán)境污染問題。太陽能電池具有安全，環(huán)保的優(yōu)良特性，可應(yīng)用于日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，具有可觀的發(fā)展前景。

太陽能電池利用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，是獲取太陽能的有效方式，Si作為目前太陽能電池主要材料其光吸收率很低，禁帶寬度為 1.12ev,與最佳光伏響應(yīng)禁帶寬度1.5ev相差較大。因此，研究結(jié)構(gòu)對光電轉(zhuǎn)換效率的影響非常必要，為今后通過開發(fā)新材料新結(jié)構(gòu)及對舊材料改性來提高光電轉(zhuǎn)換效率奠定理論基礎(chǔ)。

1 太陽能電池光電轉(zhuǎn)換基本原理

固體樣品的電子結(jié)構(gòu)或其他性質(zhì)存在某種不均勻性或異質(zhì)性，當(dāng)光照固體時(shí)出現(xiàn)外電壓的光生伏特效應(yīng)【1】。這種不均質(zhì)固體想接觸時(shí)，勢壘區(qū)域產(chǎn)生光激發(fā)載流子，內(nèi)建場將使異號的剩余載流子向相反方向運(yùn)動，形成電子和空穴在不同區(qū)域積累，導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)的突變，形成光電壓。

2 影響光生伏特效應(yīng)的因素

提高光電轉(zhuǎn)換效率主要取決于開路電壓，閉路電流和填充因子三個(gè)物理量。下面從以下幾個(gè)影響因素論述其對這三個(gè)物理量的影響提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率。

2.1梯度摻雜

對于均勻摻雜的p-n結(jié)太陽能電池，在p區(qū)與n區(qū)界面處通過擴(kuò)散作用產(chǎn)生了自建電場，在厚度很小的耗盡層內(nèi)，光照時(shí)，只在電場區(qū)域及附近的電子空穴對守電場力的驅(qū)使定向移動形成光電流。其他區(qū)域電子空穴對由于無電場力無法分離，激子復(fù)合率較大，重新輻射出光子，相當(dāng)于降低了光子吸收率。

若在n區(qū)p區(qū)進(jìn)行梯度摻雜，在同型區(qū)域內(nèi)由于濃度差引起載流子的擴(kuò)散形成自建電場。指數(shù)遞增摻雜【2】，且遠(yuǎn)離耗盡層濃度高，n區(qū)靜電荷分布隨濃度增大而從負(fù)至正，且與耗盡層電場方向一致，有利于光生電子被n區(qū)收集，空穴被驅(qū)使至p區(qū)，減少了載流子的復(fù)合從而增大了閉路電流，提高效率。線性遞增摻雜，耗盡層外電場強(qiáng)度較小，光生載流子的收集效果不明顯，因此閉路電流提高較小。

2.2增加p-n結(jié)數(shù)目

開路電壓V0隨反向飽和電流I0的減小而增大，而Eg的增大使I0迅速減小，所以V0隨Eg的增加而增加。Eg的增加，太陽光中能量大于Eg的光子數(shù)減少，所以閉路電流Is減小，則一定存在著一個(gè)最佳的Eg使得能量轉(zhuǎn)換效率最高。

增加p-n結(jié)數(shù)目相當(dāng)于電池的串聯(lián)，多層p-n結(jié)電池各層材料應(yīng)使其各自不同的禁帶寬度匹配可見光中不同的頻段，增大了電池對光子的響應(yīng)范圍，形成更多的電子空穴對，增加了電池效率。

但這種途徑往往受到材料的晶格匹配，化學(xué)融合的差異，熱膨脹差異的限制，較難同時(shí)實(shí)現(xiàn)各種化學(xué)晶格匹配和最佳禁帶寬度材料的生長。

2.3缺陷的影響

材料中載流子的復(fù)合所造成的損失也直接決定光電轉(zhuǎn)換效率，其主要由材料中的缺陷程度決定。延長少數(shù)載流子的壽命可以減少載流子的復(fù)合速度，有助于載流子在p-n結(jié)兩端長時(shí)間較高濃度的積累，導(dǎo)致p區(qū)和n區(qū)較高的電位差，載流子通過擴(kuò)散的復(fù)合愈加困難，即增大了材料中的開路電壓。

對于材料中本證結(jié)構(gòu)不可避免的點(diǎn)缺陷，由于空位的產(chǎn)生或間隙點(diǎn)雜質(zhì)為電子空穴對的復(fù)合提供了能級陷阱，增加了非直接復(fù)合的幾率從而減小了載流子數(shù)目，由電流密度I=nev知光電流減小。但若適當(dāng)提高材料制備溫度，內(nèi)部點(diǎn)缺陷向晶界或表面擴(kuò)散，大大減小了材料內(nèi)部缺陷密度，延長了少數(shù)載流子壽命，但表面高濃度的缺陷間隙會使得表面失去光生伏特效應(yīng)。同時(shí)，點(diǎn)缺陷產(chǎn)生的載流子可以在一定程度上彌補(bǔ)載流子因缺陷的復(fù)合。

當(dāng)點(diǎn)缺陷濃度過高時(shí)，點(diǎn)缺陷移動形成缺陷線面，產(chǎn)生缺陷能級，大大增加了復(fù)合作用，光伏效應(yīng)劇烈下降。高濃度的線缺陷【3】延生至界面上形成針狀，導(dǎo)致內(nèi)部短路，降低光伏效應(yīng)效率。

若材料中有固溶第二相【4】，阻止了載流子的遷移，遷移率的下降是電阻率增大，降低了材料的電學(xué)性能【5】，短路電流減小。另外，第二相還是很強(qiáng)的復(fù)合中心，即顯著降低光伏發(fā)電效率。但是，第二相有利于改善禁帶寬度。

2.4量子阱結(jié)構(gòu)的引入

在p-n結(jié)中間結(jié)構(gòu)中摻入勢阱雜質(zhì)，晶格材料作為勢壘，形成量子阱結(jié)構(gòu)【6】，增大勢壘寬度，導(dǎo)致高頻光子吸收增多，光生載流子數(shù)目升高。同時(shí)由于p-n結(jié)中心層高勢壘阻止了電子空穴對越過耗盡層內(nèi)電場的復(fù)合，光電流提高，導(dǎo)致效率的提高。這種勢阱結(jié)構(gòu)的內(nèi)部高勢壘阻止了表面區(qū)光生載流子的收集，開路電壓減小。但增加量子阱數(shù)目產(chǎn)生的光電流增加能彌補(bǔ)開路電壓減小的損失。

2.5雜質(zhì)帶的適當(dāng)引入

太陽能電池材料，一般只存在相應(yīng)的導(dǎo)帶和價(jià)帶，并沒有中間能帶。這就導(dǎo)致了一般的太陽能電池只能吸收太陽能光譜中大于電池材料禁帶寬度的高能量光譜，對低于其禁帶寬度低能量光子則無法利用，限制了太陽能電池的效率。

當(dāng)材料帶隙中引入一層中間雜質(zhì)帶的時(shí)候，就有兩種方式能夠?qū)е码娮涌昭▽Φ漠a(chǎn)生。一種是電子從價(jià)帶躍遷到中間帶，然后通過中間帶躍遷到導(dǎo)帶，另外的一種方式就是電子直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。這樣，雜質(zhì)帶太陽能電池就可以等效于三個(gè)不同帶隙太陽能電池的并聯(lián)，能夠極大地提高太陽能電池的效率。

但另一方面，如果雜質(zhì)帶不能夠得到良好的控制，在材料中引入雜質(zhì)能級的同時(shí)，也相當(dāng)于在材料中引入了復(fù)合中心，從而會導(dǎo)致非輻射復(fù)合的產(chǎn)生。 A.Luque【7】等指出當(dāng)摻雜濃度大到足以形成雜質(zhì)帶的時(shí)候可以抑制非輻射復(fù)合。如果當(dāng)雜質(zhì)引入的電子之間有相互作用的時(shí)候，就能夠?qū)崿F(xiàn)電子在不同原子的原子軌道上自由移動，非輻射復(fù)合就能夠受到抑制。當(dāng)然為了達(dá)到這種目的，雜質(zhì)摻入要達(dá)到一定的濃度，這個(gè)濃度一般認(rèn)為是Mott【8】相變濃度。

中間雜質(zhì)帶上的電子必須處于半填充的狀態(tài)，保證雜質(zhì)帶既有空穴又存在電子。這樣既能夠使電子從中間帶躍遷到導(dǎo)帶，又能同時(shí)使電子從價(jià)帶躍遷到中間帶。

2.6異質(zhì)絨面結(jié)構(gòu)的影響

為提高光吸收率，降低表面光反射是十分必要的，一般經(jīng)過特殊化學(xué)腐蝕的p區(qū)和n區(qū)構(gòu)成良好的絨面結(jié)構(gòu)，且形成隨機(jī)分布的金字塔結(jié)構(gòu)交錯(cuò)在一起。即相當(dāng)于增加了p-n結(jié)的有效光吸收面積，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。

但同時(shí)，由于這種交錯(cuò)結(jié)構(gòu)疏松，空氣中的O2容易滲透到交界處【9】，產(chǎn)生絕緣層，嚴(yán)重影響了載流子的傳輸，遷移率的下降和不穩(wěn)定造成光電流的下降和不穩(wěn)定。因此，光電池穩(wěn)定性有待加強(qiáng)，可以嘗試在界面間隙處沉積一層薄膜，既阻止O2的滲入和絕緣層隨老化的增厚，同時(shí)又確保了載流子的遷移不受影響，一定程度提高光伏發(fā)電效率。

3 結(jié)論

(1) 量子阱結(jié)構(gòu)，p-n結(jié)數(shù)目，指數(shù)梯度的摻雜，絨面結(jié)構(gòu)有助于提高電池效率。

(2) 缺陷，雜質(zhì)帶的作用較復(fù)雜，需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證綜合考慮。

4 結(jié)語

本文主要從結(jié)構(gòu)缺陷方面理論上淺述了以上六個(gè)影響太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的因素，為改善太陽能電池效率提供理論可行性，由于缺乏實(shí)驗(yàn)支持，未能考慮到實(shí)際制備中的工藝，流程，成品率，精細(xì)控制程度等方面的問題，可能與實(shí)際有很大

差距。但從以上可以看到，提高太陽能電池效率是一個(gè)復(fù)雜，各種因素相互作用的過程，必須充分綜合考慮到材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和外部宏觀條件。

參考文獻(xiàn)

【1】 張德.光生伏特效應(yīng).材料物理.2011 第1版: P.138~139.

【2】 王愛坤,周國香,楊韌等.梯度摻雜對太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的影響.半導(dǎo)體技術(shù).2003 28(9): P.78.

【3】 沃銀花.CdTe/CdS太陽能電池材料的研究進(jìn)展.材料導(dǎo)報(bào).2005 19(4): P.32.

【4】 李文漪,蔡□,陳秋龍.CIS光伏材料的發(fā)展.機(jī)械工程材料.2003 27(6): P.3.

【5】 李春雷,莊大明,張弓等.硒化溫度對銅鋼稼硒太陽能電池吸收層性能的影響.材料研究學(xué)報(bào).2010 24(4): P.361.

【6】 孫強(qiáng)，許軍，陳文浚等.基于AlInGaAsP材料的應(yīng)變平衡量子阱太陽能電池. 人工晶體學(xué)報(bào).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】 張籍權(quán)，張伏生，劉愛民等.絨面ZnO/Si異質(zhì)結(jié)太陽能電池的初步研究.人工晶體學(xué)報(bào).2009 38(6): P.1345,2457,2458.