太阳能电池发展前景

第二章太阳能电池的基本理论

2.1 半导体

半导体是导电性能介于金属与绝缘体之间的一种材料。在高纯度的半导体中材料中，电子和空穴的浓度相等，这样的半导体称为本征半导体。如果向其中加入某种杂质元素，若电子的浓度大于空穴的浓度，则称它为n型半导体，此时的电子成为多数载流子，空穴则为少数载流子。反之，可以形成p型半导体。

图2.1 半导体的能带图示意图

2.2 pn结及其能带结构

2.2.1 pn结

图2.2 （a）pn结简化结构图（b）理想均匀掺杂pn结的掺杂剖面如图2.2（b）所示，随着扩散运动的进行，在p区和n区的交界面p

2.2.2 pn 结的能带结构

当两块半导体结合形成pn 结时，按照费米能级的意义，电子将从费米能级高的n 区流向费米能级低的p 区，空穴从费米能级低的p 区流向费米能级高的n 区因此，E Fn 不断下降，E Fp 不断上升，直到E Fn = E Fp 为止。这时，pn 结中有统一的费米能级E F , pn 结处于平衡状态。其能带如图所示

图2.3 平衡pn 结的能带图(a)n 、p 型半导体能带(b)平衡pn 结能带图

事实上，E Fn 是随着n 区能带一起向下移动，E Fp 是随着p 区能带一起向上移动的。能带能移动的原因是pn 结空间电荷区存在内建电场的作用。随着内建电场（方向n→p ）的增加，空间电荷区内电势V(x)（方向n→p ）降低，而电子的势能-qV(x)由n 区向p 区升高，所以p 区的能带相对n 区上移，n 区的能带相对于p 区下移，直至费米能级处处相等时，能带才停止相对移动，pn 结达到平衡状态。

因此,pn 结中费米能级处处相等恰好标志了每一种载流子的扩散电流和漂移电流相互抵消，没有净电流通过pn 结。

这一结论也可从电流密度方程式中推出，电子电流密度和空穴电流密度分别如下： （式2-1） F n n dE J n dx

=μ

（式2-2）

以上两式表示费米能级随位置变化和电流密度的关系。 对于平衡pn 结，J n ，J p 均为零。

因此 （式2-3） 坡”，才能从p 区达到n 区；这一势能“高坡”，称为pn 结的势垒[15]，故空间电荷区也叫势垒区。

2.3 太阳能电池的原理

太阳能电池发电的基本原理:太阳能电池的光电效应，即一些半导体受到光照时，载流子数量会急剧增加，导电能力随之增强，这就是半导体的光敏特性。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉了，还有一部分则被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些光子转变成了热，另一些光子则与组成半导体的原子价电子碰撞，于是就产生电子-空穴对。这样，光能就以产生电子-空穴对的形式产生电能。目前，太阳能发电主要有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接的转换方式。

（1）光—热—电转换方式：通过利用太阳辐射产生的热能发电。一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸气，然后再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；随后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样。但太阳能热发电的也有不足，它效率很低而且成本很高，它的投资要比普通火电站贵至少5～10倍。所以目前只能小规模地应用于特殊的场合，而在经济上大规模的运用很不合算，它还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

（2）光—电直接转换方式：利用光电效应将太阳辐射能直接转换成电能，而光—电转换的基本装置就是太阳能电池。这也是我们使用得最多的一种发电方式。太阳能电池是由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，它相当于一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把 F p p

dE J p dx =μ

个理想的电流源、一个理想二极管D、一个串联电阻Rs和一个并联电阻Rsh的组合[16]。

图2.5 太阳能电池等效电路

由图2.5可以得出其电流电压关系如下：

（式2-4）可以看出，有光照时的伏安特性曲线相当于将暗特性曲线向下平移J L得到。光照强度的增加会引起开路电压和短路电流的增加。当二极管两端开路时，通过pn结的净电流为0，此时电压为开路电压V oc，在式(2-4)中令J=0,则有

（式2-5）这表明，开路电压不受串联电阻R S 的影响，但随Rsh减小而减小。在二极管两端短路时，电压为0，此时的电流为短路电流密度Jsc。若令V=0，并且考虑到一般情况下Rs<

(式2-6) 由式(2-6)可以看出，短路电流基本与Rsh无关，但受Rs的影响，随着Rs的增大，Jsc会减小。

(1)短路电流Jsc和开路电压V oc

短路电流Jsc和开路电压V oc是光电池的两个重要参数，其数值分别为图2.6曲线在I和V轴上的截距,其中

（式2-7）短路电流主要与材料的复合有关

（式2-8）开路电压主要与费米能级有关

图2.6太阳能电池的J-V曲线

(4)光电转换效率η％

电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的入射功率的比值就是太阳能电池的光电转换效率。它是评估太阳电池好坏的一个重要因素，也是我们研究太阳能电池性能的关键因素。

（式2-11）对于太阳能电池来说，大的短路电流，开路电压和填充因子可以获得很高的效率。目前：实验室η≈24％，产业化：η≈15％。

2.6 本章小结

对于新型太阳电池的研发，是建立在对太阳电池原理和性质基本了解之上，然后再合理应用基本原理的情况的下进行突破创新。

本章对太阳电池的基本原理和性能做出了一定的讲解。为下文的研究展开做了一定的铺垫。

第三章石墨烯/AlAs太阳能电池模型及AMPS简介

3.1 石墨烯/AlAs太阳能电池的结构

本论文提出石墨烯/AlAs太阳能电池的结构模型如图3.1所示，主要由p,i,n区和p区上方的透明电极组成。其中，顶层为p型的石墨烯，石墨烯为极薄的一层，中间本征层为AlAs，衬底为n型的AlAs。

3.2 AMPS-1D

AMPS-1D(Analysis of Microelectronic and Photonic Structure-one dimension)[18]是一款基于PC-1D[19]，用于太阳电池模拟的现代化信息工具软

件，目前它在太阳电池领域得到了广泛应用。

AMPS-1D 采用的是Newton-Raphson 的方法解微分方程。通过把一个一维器件分成N 个部份，可以得到3（N+1）个以ψ，E Fn 和E FP 为参数的微分方程。具体的方法是迭代法，首先任意提出一个解，代入方程然后进行迭代计算，随后就有可能得到最终的解。得到解的关键是最初提出的P 解，在AMPS 有提出初值的功能。

图3.2 模拟软件界面

受陷空穴数目，离化杂质数目电场联系起来。泊松方程表示为：

D A t t d d [(x )]q [p(x )n(x )(x )(x )(x )(x )]dx dx

p N N n ψε+-=?-+-+- （式3-1） 其中,ψ为器件x 点单位正电荷电势; p(x),n(x)分别为自由空穴和自由电子的浓度；N D （x ）、N A （x ）别为电离施主浓度和电离受主浓度;p t (x), n t (x)分别为受陷空穴和受陷电子浓度。

在稳态条件下, 若自由载流子的浓度不随时间变化, 则自由电子和自由空穴的连续性方程分别为

FP p p d (x )q n[]dx E J μ= n DP d 1[](x )R(x )q dx

J G =-+ （式3-2） 其中, J n 为电子的电流密度,且有

FN n n d (x )q n[]dx E J μ= （式3-3） 其中E FN 为电子的准费米能级。

J P 为空穴的电流密度，且有

*p

c v 0*

F n 3T

ln 24m k E E E n +=+ (式3-4）

其中E FP 为空穴的准费米能级; G OP (x)为电子空穴对的光生效率,是位置 x 的函数。运用数值计算方法求解方程中的ψ(x)、p(x)、n(x)进而可以求出各特性参数。

3.3 典型模型的模拟过程

通过查找资料，我们可以得到典型模型的参数如表3.1

表3.1 典型模型的参数

我们将上面模型的参数输入到AMPS-1D 软件中，然后运行，直到运行出相应的结果，然后利用得出的数据做出典型模型的图形。