提高轉換效率的雙PN結太陽能電池結構

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

隨著工業化進程的不斷加快，對能源的需求也越來越大。綠色環保的可再生能源開發成為熱點，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，已經發展到第三代[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展歷史最長，生產制備技術最成熟，市場占有率最高（占據光伏市場的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%，而工業化生產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業的重中之重，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，著力于降低生產成本、提高發電效率的高效晶體硅電池研發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成本。同時，由于半導體導電性較差，電子經過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。紅外部分吸收系數小，紫外部分吸收系數大。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。基于以上分析，該文設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會產生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內迅速擴散，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電子相互作用。但從上述分析中發現，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（依據圖1關于波長與吸收系數、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個區構成，N+表示重摻雜，與P區在界面形成淺結N+P結，P區與N區界面形成深結PN結。當有光照射時，N+、P、N 3個區域及其間的勢壘區都有光子吸收，短波部分吸收系數大，穿透深度小，經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，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

[1]霍秀敏.氧碳含量對太陽能電池光電轉換效率影響的研究[D].天津：河北工業大學，2004.

[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.

[3]薛繼元，馮文林，趙芬，等.太陽能電池板的輸出特性與實際應用研究[J].紅外與激光工程，2015，44（1）：176-181.

[4]王娜.太陽能電池伏安特性理論分析及測定[J].中國科技信息，2018（23）：33-34，12.

[5]趙紅生.高效、低成本單晶硅太陽能電池研究及其均勻設計的軟件實現[D].天津：河北工業大學，2003.

[6]袁銀梅.幾種硅基太陽能電池輸出特性的測試與分析[J].節能技術，2011，29（4）：367-371.

[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.