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光伏工程师必须掌握的电池理论基础

     OFweek太阳能光伏网讯:光伏电池生产制造可以说是光伏产业链中最重要,也是技术含量最高的环节,熟悉掌握太阳能电池相关的理论基础,对进一步理解电池生产工艺及高效电池的研发都是很有必要的,为此笔者对太阳能光伏电池理论做了一些基础总结。

        光学基础

  晶体硅的禁带宽度为Eg=1.12ev,其随温度而变化,但一般在1.1—1.3ev之间。由hv=hc/λ=Eg推出:

  λ=hc/Eg=1.24/1.12=1100nm(本征吸收的光波极限)

  由光生伏特效应可知:只有波长小于1100nm的才能在硅中激发出出电子空穴对,即产生光生伏特效应。

  而如下图所示,97%以上的太阳辐射能的波长位于290—3000nm,可见光波长为380(紫色)—780(红色)nm。故能产生光生伏特效应的光子占大部分的为可见光。

 

  太阳光谱中波长大于1.1μm不能产生光生伏特效应,而是转变为热量,这部分占光能的25%;而当光子能量大于禁带宽度1.12ev时,只能激发产生一个电子空穴对,剩余的能量转化为热量,这部分损失的能量同样占总光能的25%。所以用于转化为电能的能量只占太阳能总能量的50%。

  半导体材料的光吸收(包括热能和转换的电能等)

  当一束光照射在物体上时,一部分入射光线在物体表面反射或散射,一部分被物体吸收,另一部分可能透过物体。也就是说,光能的一部分可以被物体吸收。随着物体厚度的增加,光吸收也增加。如果入射光的能量为I0,则在离表面距离x处,光的能量为

  I = I0 e-ax

  式中,a为物体的吸收系数,表示光在物体中传播1/a距离时,能量因吸收而衰减到原来的1/e。半导体材料的吸收系数较大,一般在105cm-1以上,能够强烈的吸收光的能量。被吸收的光能将使材料中能量低的电子跃迁到较高的能级。

  硅材料是间接能带材料,在可见光范围内,硅的光吸收系数远低于其他太阳能光电材料,如吸收95%的太阳光,GaAs太阳电池只需要5—10μm的厚度,而硅太阳电池则需要150μm以上的厚度;因此在制备晶体硅太阳电池时,硅片的厚度在150—200μm以上,才能有效的吸收太阳能。直接带隙和间接带隙的区别主要体现在光的吸收系数,直接带隙半导体的吸收系数大于间接带隙,这样直接带隙的半导体可以做的更薄且能量损失也少。

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