1、太陽能電池根本原理根本原理一一光生伏特效應太陽能光伏發電是利用太陽電池的光伏效應原理，直接把太陽輻射能轉變為電能的發 電方式。典型太陽電池是一個 p-n結半導體二極管。光子把電子從價帶束縛激發到導帶自由，并在價帶內留下一個空穴自由一產生了自由電子-空穴對光生載流子，p型材料中的電子與n型材料中的空穴將在與 少子壽命相當的時間內，以相對穩定的狀態存在，直到復合。當載流子復合后，光生電子 空穴對將消失，沒有電流和功率產生。光生電子 -空穴對在耗盡層中產生后，立即被內建電 場別離，光生電子被送進n區，光生空穴那么被送進p區。光能就以產生電子-空穴對的形式 轉變為電能。內建電場當把N型和P型材料放在一

2、起的時候，在 N型材料中，費米能級靠近導帶底，在 P型 材料中，費米能級靠近價帶頂，當 P型材料和N型材料連接在一起時，費米能級在熱平衡 時必定恒等，由于在P型材料中有多得多的空穴，它們將向 N型一邊擴散。與此同時，在 N型一邊的電子將沿著相反的方向向 P型區擴散。由于電子和空穴的擴散，在 p-n結區產 生了耗盡層，即空間電荷區電場，又稱為內建電場。1光子吸收：在大局部有機太陽能電池中，因為材料的帶隙過高，只有一小局部入 射光被吸收，吸收只能到達30流右。2激子擴散：激子的擴散長度應該至少等于薄膜的厚度，否那么激子就會發生復合， 造成吸收光子的浪費。3電荷別離：對于單層器件，激子在電極與有機半

3、導體界面處離化，對于雙層器件，激子在施主受主界面形成的 p-n 結處離化4電荷傳輸：在有機材料中， 電荷的傳輸是定域態間的跳躍， 而不是能帶內的傳輸， 這意味著有機材料和聚合物材料中載流子的遷移率通常都比無機半導體材料的低。5電荷收集：電荷的收集效率也是影響光伏器件功率轉換效率的關鍵因素，金屬與 半導體接觸時會產生一個阻擋層，阻礙電荷順利地到達金屬電極。等效電路模型太陽能電池等效電路無光照時類似二極管特性，外加電壓時單向電流 Id稱為暗電流；有光照時產生光生電 流II； R、Rh分別為太陽電池中的串、并聯電阻 R.為負載。1恒流源：在恒定光照下，一個處于工作狀態的太陽電池，其光電流不隨工作狀態

4、 而變化，在等效電路中可把它看做恒流源。2 暗電流I d：光電流一局部流經負載 R，在負載兩端建立起端電壓 U,反過來，它 又正向偏置于PN結，引起一股與光電流方向相反的暗電流 Id。3串聯電阻FS:由于前面和反面的電極接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，基 區和頂層都不可防止的引入附加電阻。流經負載的電阻經過它們時，必然引起損耗。在等 效電路中，他們的總效果用一個串聯電阻 Rs表示。并聯電阻 RSH 由于電池邊沿的漏電和制作金屬電極時在微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一局部本應通過負載到達電流短路，這種作用的大小可以用一個并聯電阻RSH等效。決定太陽能電池能量轉換效率的三個參數分別是短

5、路電流Isc、開路電壓Voc和填 充因子FF。因為電流I 與太陽能電池的面積A成正比例關系，因此一般用電流密度J取代電流，來描述太陽能電池的伏安特性。J= I/A當電池在光照下，得到的端電壓和電路中通過負載的工作電流的關系曲線，叫做光電 池的伏安特性曲線。如圖紅色線所示，圖上所示的第四象限中與紅色線相交的方形區域面 積就代表太陽能電池的最大輸出功率，對應的點為最正確工作點。太陽能電池在沒有光照時 可以視為一個二極管，電壓和電流的關系如圖藍色線所示，為太陽能電池的暗特性曲線。太陽能電池的伏安特性曲線 1開路電壓 VOC一般來說，對于金屬-絕緣體-金屬MIM型的器件，其開路電壓 VOc取決于兩個金

6、屬 電極功函數之差。而對于p-n結，其最大的可用電壓那么是由n-型摻雜半導體與p-型摻雜半 導體兩者的準費米能級之差所決定，開路電壓現行的依賴于給體的 HOM能級與受體的LUMO 能級。增加Voc的途徑有減少復合以減小反向飽和電流，增加各區摻雜濃度等。2短路光電流 ISc短路電流的大小與上面提到的光電轉換過程的 5 個步驟的效率相關，要得到大的短路 電流：第一，需要光伏材料在可見區有寬光譜和強的吸收， 以提高太陽光的利用率； 第二， 需要吸收光子后產生的激子有較長的壽命和較短的到達給體 / 受體異質結界面的距離， 使得 激子都能夠擴散到異質結界面上； 第三，需要激子在給體 / 受體界面上有高的

7、電荷別離效率， 使到達界面的激子都能夠別離成位于受體 LUMOt級上的電子和位于給體HOM能級上的空 穴，這要求給體的LUM口 HOM能級分別高于受體的對應能級 0.4 eV以上，以克服激子的束縛能而發生電子和空穴的電荷別離；第四，光伏材料有高的純度和高的電荷載流子遷移 率；第五，使用高功函數的正極和低功函數的負極也非常重要；最后，要求電極/活性層界面是歐姆接觸，并且界面接觸電阻要小。提高Jsc的途徑在于提高光生載流子產生率 G增加各區少子壽命和減少外表復合。3填充因子FF最大輸出功率與VOC?lsc之比稱為填充因子，用FF表示。對于開路電壓Voc和短路電 流Isc一定的特性曲線來說，填充因子越接近于 1，電池效率越高，伏安特性線彎曲越大。因此FF也稱曲線因子，表示式為?mp?FF =?FF是用以衡量太陽電池輸出特性好壞的重要指之一。在一定光強下，FF愈大，曲線愈方，輸出功率越高。對于有適宜效率的電池，該值應在