魯方瑩 權乃承 林雪

摘? 要：太陽能電池是當前理想的可再生能源，因此多種太陽能電池成為研究熱點，其中硅晶太陽能電池更是備受關注，但是其轉換效率是當前的難題之一。該文對硅晶PN結的光譜特性與結深關系進行分析，提出了可響應多波段的雙PN結光電池結構，該結構可減少熱損失/量子損失，從而提高轉換效率。

關鍵詞：硅晶太陽能電池;轉換效率;雙PN結光電池結構

中圖分類號：TM914.4? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著工業(yè)化進程的不斷加快，對能源的需求也越來越大。綠色環(huán)保的可再生能源開發(fā)成為熱點，太陽能的利用，無疑是最理想的舉措。自1954年貝爾實驗室提出太陽能電池以來，已經(jīng)發(fā)展到第三代[1-2]，不同材料、結構的太陽能電池層出不窮，其中晶硅太陽能電池是發(fā)展歷史最長，生產(chǎn)制備技術最成熟，市場占有率最高（占據(jù)光伏市場的90%以上）[1-3]。但太陽能電池依然有很多技術壁壘，各類產(chǎn)品競爭的焦點是轉換效率、制作工藝和成本。晶硅基太陽能電池的理論轉化效率為31%，實驗樣品的最高轉換效率達25%，而工業(yè)化生產(chǎn)的成品電池轉換效率只有17%左右[3-6]。提高太陽能電池轉換效率是光伏產(chǎn)業(yè)的重中之重，一般太陽能電池效率提升1%，成本可下降7%[2]。以晶體硅技術為基礎，著力于降低生產(chǎn)成本、提高發(fā)電效率的高效晶體硅電池研發(fā)始終是國際光伏領域研究的熱點[1-2]。

1 光電池轉換效率

1.1 影響光電池轉換效率的因素

光電池的光電轉換效率η一般定義為電池的最大輸出功率Pm與入射到光電池表面的光總功率Pi之比：

制約晶體硅電池效率的因素主要有4個[2]。1）光學損失。2）載流子復合。3）串聯(lián)電阻。4）“熱電子”損失。晶體硅的能隙為1.12 eV，并不是很好地光吸收材料，高于晶體硅能隙的太陽光子以“熱電子”形式損耗掉。并且晶體硅表面反射掉30%～35%的太陽光，造成了大量的光學損失。為了減少光反射，目前常用表面蝕刻、濺射SiNx減反射涂層等技術進行處理。但是，經(jīng)過上述處理后的硅晶太陽能電池的轉換效率并沒有得到根本改善，反而大大增加了生產(chǎn)成本。同時，由于半導體導電性較差，電子經(jīng)過PN結后如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗則很大。此外，高于能隙的太陽光子被吸收后產(chǎn)生熱電子與空穴，這些熱載流子在它們的能量被捕獲之前迅速冷卻，導致大量的太陽光能以“熱電子”的形式損耗掉，降低了轉換效率[1-3]。

1.2 半導體硅晶體的特性

半導體硅晶的本征吸收系數(shù)隨入射光波長的不同而變化[6]，如圖1所示。紅外部分吸收系數(shù)小，紫外部分吸收系數(shù)大。因此，波長短的光子衰減快，穿透深度較淺，而波長長的光子則能進入硅的較深區(qū)域。半導體硅晶PN結在不同結深時，量子效率隨波長的不同而變化[6]。淺的PN結有較好的藍紫光靈敏度，深的PN結則有利于紅外靈敏度的提高，如圖2所示?；谝陨戏治觯撐脑O計了一種不同結深的雙PN結的太陽能電池結構，該結構能對太陽光譜有較高的響應度，而且響應光譜寬，量子效率高。

2 雙PN結光電池結構

光電池的工作原理是基于光生伏特效應。圖3為光電池結構示意圖，硅光電池實際上是一個大面積的PN結，當入射光子能量大于晶體硅的能隙時，硅晶吸收光子后在光敏區(qū)會產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴散，在自建電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關的電動勢。其中梳狀電極是為了減少光生載流子的渡越時間，同時保證較大的光敏面，抗反射膜為了增強入射光的透射率，讓更多的光子能夠和光敏區(qū)電子相互作用。但從上述分析中發(fā)現(xiàn)，晶體硅的能隙為1.12 eV，高于能隙的太陽光子（也就是短光波光子）吸收后產(chǎn)生熱電子與空穴，并以熱電子的形式損耗掉[7]，制約了器件的轉換效率，也就是短波中能量較大的光子不能得到有效利用。

針對該問題（依據(jù)圖1關于波長與吸收系數(shù)、穿透深度的關系，可知短波越長，光的穿透深度越小。由圖2又知，結深較小時，短波量子效率較高，而結深較大時，長波量子效率較高），提出雙PN結光電池結構。該結構是在原有的光電池結構中加了N型層，通過摻雜，形成不同于原PN結的結深，如圖4所示。

其由N+—P—N 3個區(qū)構成，N+表示重摻雜，與P區(qū)在界面形成淺結N+P結，P區(qū)與N區(qū)界面形成深結PN結。當有光照射時，N+、P、N 3個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)都有光子吸收，短波部分吸收系數(shù)大，穿透深度小，經(jīng)過短距離已基本吸收完畢，其對藍綠光靈敏度高，而對長波紅外光不靈敏。長波紅外部分吸收系數(shù)小，穿透深度大，在深結部分有較高的靈敏度。這樣雙PN結光電池結構可以使太陽光更寬波段的光子都能得到有效吸收，轉化為光生電子空穴對，在勢壘區(qū)得到更多積累，從而提高光電池的光電轉換效率。

3 結論

該文分析了半導體硅晶的相關特性，從減少光學損失和載流子復合角度出發(fā)，改善硅晶電池結構，以此來提高晶體硅光電池的效率。分析了太陽能電池轉換效率的影響因素，針對光能損失，該文提出雙PN結太陽能電池結構，該結構能通過深淺PN結，對短波的高能光子和長波的低能光子進行有效吸收轉換，從而提高太陽能電池的轉換效率。

參考文獻

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[2]徐羿宸.金屬氧化物在晶硅太陽能電池表面的制備及其增效性能研究[D].上海：上海師范大學，2019.

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[7]Bellmann M P，Stokkan G，Ciftja A，et al.Crystallization of Multicrystalline Silicon from Reusable Silicon Nitride Crucibles：Material Properties and Solar Cell Efficiency[J].Journal of Crystal Growth，2018，504：51-55.