深圳市迪晟能源技術(shù)有限公司
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光伏電池生產(chǎn)制造可以說是光伏產(chǎn)業(yè)鏈中最重要,也是技術(shù)含量最高的環(huán)節(jié),熟悉掌握太陽能電池相關(guān)的理論基礎(chǔ),對進一步理解電池生產(chǎn)工藝及高效電池的研發(fā)都是很有必要的,為此筆者對太陽能光伏電池理論做了一些基礎(chǔ)總結(jié)。
光學基礎(chǔ)
晶體硅的禁帶寬度為Eg=1.12ev,其隨溫度而變化,但一般在1.1—1.3ev之間。由hv=hc/λ=Eg推出:
λ=hc/Eg=1.24/1.12=1100nm(本征吸收的光波極限)
由光生伏特效應可知:只有波長小于1100nm的才能在硅中激發(fā)出出電子空穴對,即產(chǎn)生光生伏特效應。
而如下圖所示,97%以上的太陽輻射能的波長位于290—3000nm,可見光波長為380(紫色)—780(紅色)nm。故能產(chǎn)生光生伏特效應的光子占大部分的為可見光。
太陽光譜中波長大于1.1μm不能產(chǎn)生光生伏特效應,而是轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚@部分占光能的25%;而當光子能量大于禁帶寬度1.12ev時,只能激發(fā)產(chǎn)生一個電子空穴對,剩余的能量轉(zhuǎn)化為熱量,這部分損失的能量同樣占總光能的25%。所以用于轉(zhuǎn)化為電能的能量只占太陽能總能量的50%。
半導體材料的光吸收(包括熱能和轉(zhuǎn)換的電能等)
當一束光照射在物體上時,一部分入射光線在物體表面反射或散射,一部分被物體吸收,另一部分可能透過物體。也就是說,光能的一部分可以被物體吸收。隨著物體厚度的增加,光吸收也增加。如果入射光的能量為I0,則在離表面距離x處,光的能量為
I = I0 e-ax
式中,a為物體的吸收系數(shù),表示光在物體中傳播1/a距離時,能量因吸收而衰減到原來的1/e。半導體材料的吸收系數(shù)較大,一般在105cm-1以上,能夠強烈的吸收光的能量。被吸收的光能將使材料中能量低的電子躍遷到較高的能級。
硅材料是間接能帶材料,在可見光范圍內(nèi),硅的光吸收系數(shù)遠低于其他太陽能光電材料,如吸收95%的太陽光,GaAs太陽電池只需要5—10μm的厚度,而硅太陽電池則需要150μm以上的厚度;因此在制備晶體硅太陽電池時,硅片的厚度在150—200μm以上,才能有效的吸收太陽能。直接帶隙和間接帶隙的區(qū)別主要體現(xiàn)在光的吸收系數(shù),直接帶隙半導體的吸收系數(shù)大于間接帶隙,這樣直接帶隙的半導體可以做的更薄且能量損失也少。