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2023-06-23
a-Si太阳电池：结构和工作原理
【摘要】：图4-1 a-Si太阳电池的P-I-N能带结构a-Si太阳电池采用P-I-N结构，P层是掺杂了硼的材料，I层是本征材料，N层是掺杂了磷的材料。图4-1为a-Si太阳电池的P-I-N能带。此时，在P层和N层中累积的电荷产生的电压叫开路电压Uoc，是太阳电池的重要参数之一。开路电压Uoc的大小由下列因素决定：1）与材料特性有关。微晶硅的带尾态宽度较小，掺杂效率高，费密能级可以接近价带顶，所以微晶硅也可以增加开路电压的幅度。
图4-1 a-Si太阳电池的P-I-N能带
（1）结构a-Si太阳电池采用P-I-N结构，P层是掺杂了硼的材料，I层是本征材料，N层是掺杂了磷的材料。对于P-I-N结构，在没有光照的热平衡状态下，P、I、N三层中具有相同的费密能级，这时本征层中导带和价带从P层向N层倾斜形成内建势。图4-1为a-Si太阳电池的P-I-N能带。
（2）工作原理 在理想的情况下，P层和N层费密能级的差值决定电池的内建势，相应的电场叫内建场。由于掺杂层内缺陷浓度很高，因而光生载流子主要产生在本征层中，在内建势的作用下，光生电子流向N层，而光生空穴流向P层。在开路条件下，光生电子积累在N层中，而光生空穴积累在P层中，这时在P层和N层中的光生电荷在本征层中所产生的电场抵消部分内建场，这时N层中积累的光生电子和P层中的光生空穴具有向相反方向扩散的趋势，以抵消光生载流子的收集电流。当扩散电流与内建场作用下的收集电流这两个方向相反的电流之间达到动态平衡时，本征层中没有净电流。此时，在P层和N层中累积的电荷产生的电压叫开路电压Uoc，是太阳电池的重要参数之一。开路电压Uoc的大小由下列因素决定：
1）与材料特性有关。它取决于本征层的带隙宽度，宽带隙的本征材料可以产生较大的开路电压，而窄带隙的本征材料可以产生较小的开路电压，比如非晶锗硅电池的开路电压比非晶硅的开路电压小。
2）开路电压的大小还取决于掺杂层的特性，特别是掺杂浓度。P层和N层的费密能级的差值决定开路电压的上限，所以掺杂层需要优化，尤其是P层，常采用非晶碳化硅合金（a-SiC：H）或微晶硅（μc-Si：H）作为P层材料。虽然非晶碳化硅合金通常有较高的缺陷态，但其较宽的带隙使其费密能级可以较低。
3）宽带隙可以减少P层对光的吸收。微晶硅的带尾态宽度较小，掺杂效率高，费密能级可以接近价带顶，所以微晶硅也可以增加开路电压的幅度。
4）取决于本征层的质量，即带尾态的宽度和缺陷态密度所决定的反向漏电流的大小。
在P区和N区之间插入一本征层，形成P-I-N结，I层电导较低，因此空间电荷区宽度基本上落入I层，甚至延展到整个I层的厚度，在太阳光照下，光子被足够厚的I层有效地吸收，I层的光生载流子在内建场作用下分离，并漂移到边界。由于P层与N层很薄，少数载流子容易通过P层与N层被收集。P-I-N结构中光生载流子主要进行漂移运动，而不是扩散运动。
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