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光生伏特基本原理 基本原理——光生伏特效应 太阳能光伏发电是利用太阳电池的光伏效应原理，直接把太阳辐射能转变为 电能的发电方式。典型太阳电池是一个 p-n 结半导体二极管。 光子把电子从价带（束缚）激发到导带（ ），并在价带内留下一个空穴 （ ）——产生了 电子-空穴对（光生载流子），p 型材料中的电子与n 型 材料中的空穴将在与少子寿命相当的时间内，以相对稳定的状态存在，直到复合。 当载流子复合后，光生电子空穴对将消失，没有电流和功率产生。光生电子-空 穴对在耗尽层中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被送进n 区，光生空穴 则被送进p 区。光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能。 内建电场 当把N 型和P 型材料放在一起的时候，在N 型材料中，费米能级靠近导带底， 在P 型材料中，费米能级靠近价带顶，当P 型材料和N 型材料连接在一起时，费 米能级在热平衡时必定恒等，由于在P 型材料中有多得多的空穴，它们将向N 型一边扩散。与此同时，在N 型一边的电子将沿着相反的方向向P 型区扩散。由 于电子和空穴的扩散，在p-n 结区产生了耗尽层，即空间电荷区电场，又称为内 建电场。 （1）光子吸收：在大部分有机太阳能电池中，因为材料的带隙过高，只有 一小部分入射光被吸收，吸收只能达到30%左右。 （2）激子扩散：激子的扩散长度应该至少等于薄膜的厚度，否则激子就会 发生复合，造成吸收光子的浪费。 （3）电荷分离：对于单层器件，激子在电极与有机半导体界面处离化，对 于双层器件，激子在施主－受主界面形成的p-n结处离化。 （4）电荷传输：在有机材料中，电荷的传输是定域态间的跳跃，而不是能 带内的传输，这意味着有机材料和聚合物材料中载流子的迁移率通常都比无机半 导体材料的低。 （5）电荷收集：电荷的收集效率也是影响光伏器件功率转换效率的关键因 素，金属与半导体接触时会产生一个阻挡层，阻碍电荷顺利地到达金属电极。 等效电路模型 太阳能电池等效电路 无光照时类似二极管特性，外加电压时单向电流I 称为暗电流；有光照时 D 产生光生电流I ；R 、R 分别为太阳电池中的串、并联电阻R 为负载。 L s sh L （1）恒流源：在恒定光照下，一个处于工作状态的太阳电池，其光电流不 随工作状态而变化，在等效电路中可把它看做恒流源。 （2）暗电流I ：光电流一部分流经负载R ，在负载两端建立起端电压U， D L 反过来，它又正向偏置于PN 结，引起一股与光电流方向相反的暗电流I 。 D （3）串联电阻R ：由于前面和背面的电极接触，以及材料本身具有一定的 S 电阻率，基区和顶层都不可避免的引入附加电阻。流经负载的电阻经过它们时， 必然引起损耗。在等效电路中，他们的总效果用一个串联电阻R 表示。 S 并联电阻RSH 由于电池边沿的漏电和制作金属电极时在微裂纹、划痕等处形 成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载达到电流短路，这种作用的大小可以 用一个并联电阻R 等效。 SH 决定太阳能电池能量转换效率的三个参数分别是短路电流（I ）、开路电压 sc （V ）和填充因子（FF）。因为电流（I）与太阳能电池的面积（A）成正比例关 oc 系，因此一般用电流密度（J）取代电流，来描述太阳能电池的伏安特性。 J = I/A 当电池在光照下，得到的端电压和电路中通过负载的工作电流的关系曲线， 叫做光电池的伏安特性曲线。如图红色线所示，图上所示的第四象限中与红色线 相交的方形区域面积就代表太阳能电池的最大输出功率，对应的点为最佳工作点。 太阳能电池在没有光照时可以视为一个二极管，电压和电流的关系如图蓝色线所 示，为太阳能电池的暗特性曲线。 太阳能电池的伏安特性曲线）开路电压（V ） OC 一般来说，对于金属-绝缘体-金属（MIM）型的器件，其开路电压V 取决于 OC 两个金属电极功函数之差。而对于p-n 结，其最大的可用电压则是由n-型掺杂 半导体与p-型掺杂半导体两者的准费米能级之差所决定，开路电压现行的依赖 于给体的HOMO 能级与受体的LUMO 能级。增加V 的途径有减少复合以减小反向 oc 饱和电流，增加各区掺杂浓度等。 （2）短路光电流（I ） SC 短路电流的大小与上面提到的光电转换过程的5 个步骤的效率相关，要得到 大的短路电流：第一，需要光伏材料在可见区有宽光谱和强的吸收，以提高太阳 光的利用率；第二，需要吸收光子后产生的激子有较长的寿命和较短的到达给体 /受体异质结界面的距离，使得激子都能够扩散到异质结界面上；第三，需要激 子在给体/受体界面上有高的电荷分离效率，使到达界面的激子都能够分离成位 于受体LUMO 能级上的电子和位于给体HOMO 能级上的空穴，这要求给体的LUMO 和HOMO 能级分别高于受体的对应能级0.4 eV 以上，以克服激子的束缚能而发生 电子和空穴的电荷分离；第四，光伏材料有高的纯度和高的电荷载流子迁移率； 第五，使用高功函数的正极和低功函数的负极也非常重要；最后，要求电极/活 性层界面是欧姆接触，并且界面接触电阻要小。提高Jsc 的途径在于提高光生载 流子产生率G、增加各区少子寿命和减少表面复合。 （3）填充因子（FF） 最大输出功率与（V •I ）之比称为填充因子，用FF 表示。对于开路电压 OC SC V 和短路电流I 一定的特性曲线来说，填充因子越接近于1，电池效率越高， OC SC 伏安特性线弯曲越大。因此FF 也称曲线因子，表示式为 mp FF = = FF 是用以衡量太阳电池输出特性好坏的重要指之一。在一定光强下，FF 愈 大，曲线愈方，输出功率越高。对于有合适效率的电池，该值应在0.70-0.85 范围之内。 （4）光电转换效率 电池的输出电功率与入射光功率之比 η称为光电转换效率，简称效率 ∙ mp ∙ η = = in 光电转换效率 η是表征太阳电池性能的最重要的参数，要提高太阳电池的 效率，必须提高开路电压、短路电流和填充因子这三个基本参量。
