《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-2

中国科学院半导体研究所张兴旺2第四章太阳电池基础光生载流子的浓度和电流4.2太阳电池的测试技术4.4光生伏特效应34.1太阳电池的伏安特性34.34.5太阳电池的效率分析太阳电池的性能表征4.6中国科学院半导体研究所张兴旺3ppaiaxxNnnNp,,200少子热平衡时：多子nndidxxNnpNn,,200热平衡时：衬底n型电中性区p型电中性区F=0F=0无光照各区光生载流子浓度4.3光生载流子的浓度与电流空间电荷区（耗尽层）：载流子浓度很小，可以忽略；空间电荷区的电场完全由掺杂离子组成。0,xNpafixedndfixedxN0,中国科学院半导体研究所张兴旺4衬底n型电中性区p型电中性区空间电荷区结区电势、电场分布、结区宽度计算载流子的浓度和输运性质4.3光生载流子的浓度与电流中国科学院半导体研究所张兴旺5(2)线性复合近似，也称叠加近似：要求电中性区的复合率U与少子浓度成正比；衬底n型电中性区p型电中性区空间电荷区(1)耗尽近似：内建电场只存在于空间电荷区，空间电荷区没有自由载流子，内建电场完全有掺杂离子引起；电中性区，没有内建电场，多子浓度仍处于热平衡状态，少子浓度的变化引起电流J;4.3光生载流子的浓度与电流求解出在光照下的电中性区和空间电荷区的载流子浓度和电流中国科学院半导体研究所张兴旺6衬底n型电中性区p型电中性区空间电荷区dExEjxJdExEjxJppnn),()(),()(空穴电流：电子电流：现在研究电中性区载流子的浓度及电流4.3光生载流子的浓度与电流电中性区的载流子浓度和电流电子光谱电流jn(E,x)和空穴光谱电流jp(E,x)在太阳光谱上的积分中国科学院半导体研究所张兴旺7ppnnpTkqVaiTkqVaiwxxDExEgLnndxnndpwxeNpeNpBB,0),()(,1-nn-n)(nn20202202方程型区非平衡少子遵从的）（型区非平衡少子：光照多子数目几乎不变型区少子：光照产生非平衡少子，(E)e)-1(),((E)e)-1(),()x(xdp-'ssxbRxEgbRxEgxpx积分得其中衬底n型电中性区p型电中性区F=0F=0p型区少子扩散电流电中性区的载流子浓度和电流4.3光生载流子的浓度与电流边界条件1电子的光谱产生率g(E,x)中国科学院半导体研究所张兴旺8电池短路：扩散电流Jn通过表面复合完全弛豫pppxxxdxxJxxxdxndJ),n-(nqSdnqD)n-(nqS)21(-,21-pqD0F0nn0nnnn电子电流区表面，电中性，内建电场衬底n型电中性区p型电中性区F=0F=0xdExEjxEJpnd)n-n(qD),(),(0nn型区少子扩散电流p型区少子扩散电流4.3光生载流子的浓度与电流电中性区的载流子浓度和电流边界条件2中国科学院半导体研究所张兴旺9nnppnTkqVdiTkqVdixxwDExEgLppdxppdnwxeNneNnBB,0),()(,1-np-p)(np20202202方程型区非平衡少子遵从的）（型区非平衡少子：不变因为光照多子数目几乎型区少子：光照产生非平衡少子，(E)e)-1(),((E)e)-1(),()x(xdp-'ssxbRxEgbRxEgxpx积分得其中衬底n型电中性区p型电中性区F=0F=0n型区少子扩散电流4.3光生载流子的浓度与电流电中性区的载流子浓度和电流边界条件1中国科学院半导体研究所张兴旺10电池短路：扩散电流Jp通过表面复合完全弛豫nnnxxxdxxJxxxdxpJp,qSdpqD)p-(pqS)21(,21ndqD0Fpp0pppp空穴电流区表面，电中性，内建电场xdExEjxEJnpdpqD),(),(pp型区少子扩散电流n型区少子扩散电流衬底n型电中性区p型电中性区F=0F=04.3光生载流子的浓度与电流电中性区的载流子浓度和电流边界条件2中国科学院半导体研究所张兴旺11光照条件下，大量电子从基态Ev受激吸收至激发态，并形成稳定的分布，最终达到准热平衡状态。此时，导带化学势上升，价带化学势下降，两能级的化学势差。＝且phqVEEpFnF4.3光生载流子的浓度与电流空间电荷区的载流子浓度和电流空间电荷区电流dxUGqJnpwwscr)(中国科学院半导体研究所张兴旺12dEEjdEwEjdEwEjJwJwJwJwJJwxxscrnppnnppnpppnp)(),(),(])([)()()(scr流处的电流可以代表净电无关的常数，在位置净电流是与位置4.3光生载流子的浓度与电流太阳电池净电流__()(,)(,)scnphppphngenjEjEwjEwj短路电流dEEjJscsc)(0光谱短路电流中国科学院半导体研究所张兴旺13上一节对太阳电池各区的电流给出了定性分析，那么这些电流的具体表达式如何呢？由可知要求出电流，必须要先求出非平衡少子的浓度。因此，需要求解电中性区空间电荷区根据载流子的复合可知，在电中性区载流子复合率与少子浓度成正比（称为线性复合近似）。通过这一条件，可以得到太阳电池伏安特性曲线J-V总的解析解。xdxEJd)n-n(qD),(0nnxpdxEJd)p(qD),(0ppdxUGqJnpwwscr)(ppnnwxxDExEgLnndxnndp,0),()(20202型区：nnppxxwDExEgLppdxppdn,0),()(20202型区：非平衡少数载流子浓度关于位置的二阶常系数非齐次线性方程，现以p区为例求解方程4.4太阳电池的伏安特性中国科学院半导体研究所张兴旺14衬底n型电中性区p型电中性区空间电荷区ppnnwxxDExEgLnndxnndp,0),()(20202型区：电中性区的载流子浓度)(ee1010-2102200nnCCnnLLnnLxLxnnnnnn所以方程解为：性方程，其特征根满足对二阶常系数非齐次线4.4太阳电池的伏安特性通解特解中国科学院半导体研究所张兴旺15ppnnwxxDExEgLnndxnndp,0),()(20202型区：，得到根据前述两个边界条件同理得nnxxppnpnxxweLwxhsLwxppp,)(in)cosh()(np0＋＋ppxxnnpnpwxxeLwxhsLwxnnp,)(in)cosh()(nn0＋＋4.4太阳电池的伏安特性电中性区的载流子浓度中国科学院半导体研究所张兴旺164.4太阳电池的伏安特性中国科学院半导体研究所张兴旺17无光照（热平衡）时太阳电池的能带图和载流子浓度图有光照或施加正向偏压时太阳电池的能带图和载流子浓度图4.4太阳电池的伏安特性电中性区的载流子浓度中国科学院半导体研究所张兴旺18nnxxppnpnxxweLwxhsLwxppp,)(in)cosh()(np0＋＋ppxxnnpnpwxxeLwxhsLwxnnp,)(in)cosh()(nn0＋＋将n和p分别代入xpdExEjxEJnpd)p(qD),(),(0pp型区少子扩散电流xdExEjxEJpnd)n-n(qD),(),(0nn型区少子扩散电流4.4太阳电池的伏安特性电中性区的电流表达式中国科学院半导体研究所张兴旺19p型区少子的扩散电流同理，得n型区少子的扩散电流光生电流Jp_ph光生电流Jn_phppTkqVnsnnwxnnwxnpnwxxenLqDEEbLLRqeLewwEjBpppp],1[)()1()1()]([),(/0nnn22n)(n)(ppTkqVpsppwxppwxpnpxxwepLqDEEbLLRqeLewwEjBpnnn],1[)()1()1(][),(/0ppp22p)(p)(4.4太阳电池的伏安特性电中性区的电流表达式暗电流Jdark暗电流Jdarkbs(E)入射光子通量，吸收系数中国科学院半导体研究所张兴旺20空间电荷区的电流空间电荷区的电流为其中复合电流代入np得光生电流dxUGqJJJnpwwgenrecscr)(4.4太阳电池的伏安特性中国科学院半导体研究所张兴旺21dxUGqJJJnpwwgenrecscr)(暗电流光生电流Jscr_phdEeebRqTkVVqTkqVwwqnVJnppp)1()1(2/)()2sinh(2)()()()(4.4太阳电池的伏安特性空间电荷区的电流中国科学院半导体研究所张兴旺22太阳电池的净电流ppTkqVnsnnwxnnwxnpnwxxenLqDEEbLLRqeLewwEJBpppp],1[)()1()1()]([),(/0nnn22n)(n)(ppTkqVpsppwxppwxpnpxxwepLqDEEbLLRqeLewwEJBpnnn],1[)()1()1(][),(/0ppp22p)(p)(dEEjdEwEjdEwEjJscrnppn)(),(),(4.4太阳电池的伏安特性中国科学院半导体研究所张兴旺23不考虑寄生电阻的太阳电池等效电路黑暗条件下，太阳电池就是一个普通的二极管，具有整流特性，会产生暗电流，与光生电流Jph方向相反。暗电流指的是光伏电池在无光照时，由外电压作用下P-N结内流过的单向电流。J0VdarkscrdarkpdarkndarkJJJJ___暗电流的表达式1/0TkqVdarkBeJJ4.4太阳电池的伏安特性中国科学院半导体研究所张兴旺241,nnnppLwxppTkqVaiTkqVdarknwxxeLNDqnenLqDJBB],1[]1[/nn2/0nn_衬底n型电中性区p型电中性区F=0F=01,pppnnLwxppTkqVdiTkqVdarkpwxxeLNDqnepLqDJBB],1[]1[/pp2/0pp_（1）电中性区的暗电流4.4太阳电池的伏安特性]1[/0nnnTkqVnphnBenLqDJj表面复合可以忽略中国科学院半导体研究所张兴旺25）（其中ppnn20/0__)1()(LNDLNDqnJeJJJVJdaidiffTkqVdiffdarkpdarkndiffB衬底n型电中性区p型电中性区F=0F=04.4太阳电池的伏安特性（1）电中性区的暗电流中国科学院半导体研究所张兴旺26pnpniscrTkqVscrdarkscrwwqnJeJVJB)()1()(02/0_其中衬底n型电中性区p型电中性区F=0F=0（2）耗尽区的暗电流4.4太阳电池的伏安特性TkVVqTkqVwwqnJBbiBpnpniscr-dark2/)()2sinh(2)(中国科学院半导体研究所张兴旺27raddarkscrdarkpdarkndarkJJJJJ___实际而言，太阳电池工作时有辐射，所以需进一步考虑辐射复合darkscrdarkpdarkndarkJJJJ___暗电流的表达式4.4太阳电池的伏安特性中国科学院半导体研究所张兴旺28可以忽略和,w,因为晶硅太阳电池)1(e＝_pn0diff__raddarkscrscrTkqVdarkpdarkndarkJJLLJJJJB对晶