提高转换效率的双PN结太阳能电池结构

鲁方莹 权乃承 林雪

摘  要：太阳能电池是当前理想的可再生能源，因此多种太阳能电池成为研究热点，其中硅晶太阳能电池更是备受关注，但是其转换效率是当前的难题之一。该文对硅晶PN结的光谱特性与结深关系进行分析，提出了可响应多波段的双PN结光电池结构，该结构可减少热损失/量子损失，从而提高转换效率。

关键词：硅晶太阳能电池;转换效率;双PN结光电池结构

中图分类号：TM914.4              文献标志码：A

0 引言

随着工业化进程的不断加快，对能源的需求也越来越大。绿色环保的可再生能源开发成为热点，太阳能的利用，无疑是最理想的举措。自1954年贝尔实验室提出太阳能电池以来，已经发展到第三代[1-2]，不同材料、结构的太阳能电池层出不穷，其中晶硅太阳能电池是发展历史最长，生产制备技术最成熟，市场占有率最高（占据光伏市场的90%以上）[1-3]。但太阳能电池依然有很多技术壁垒，各类产品竞争的焦点是转换效率、制作工艺和成本。晶硅基太阳能电池的理论转化效率为31%，实验样品的最高转换效率达25%，而工业化生产的成品电池转换效率只有17%左右[3-6]。提高太阳能电池转换效率是光伏产业的重中之重，一般太阳能电池效率提升1%，成本可下降7%[2]。以晶体硅技术为基础，着力于降低生产成本、提高发电效率的高效晶体硅电池研发始终是国际光伏领域研究的热点[1-2]。

1 光电池转换效率

1.1 影响光电池转换效率的因素

光电池的光电转换效率η一般定义为电池的最大输出功率Pm与入射到光电池表面的光总功率Pi之比：

制约晶体硅电池效率的因素主要有4个[2]。1）光学损失。2）载流子复合。3）串联电阻。4）“热电子”损失。晶体硅的能隙为1.12 eV，并不是很好地光吸收材料，高于晶体硅能隙的太阳光子以“热电子”形式损耗掉。并且晶体硅表面反射掉30%～35%的太阳光，造成了大量的光学损失。为了减少光反射，目前常用表面蚀刻、溅射SiNx减反射涂层等技术进行处理。但是，经过上述处理后的硅晶太阳能电池的转换效率并没有得到根本改善，反而大大增加了生产成本。同时，由于半导体导电性较差，电子经过PN结后如果在半导体中流动，电阻非常大，損耗则很大。此外，高于能隙的太阳光子被吸收后产生热电子与空穴，这些热载流子在它们的能量被捕获之前迅速冷却，导致大量的太阳光能以“热电子”的形式损耗掉，降低了转换效率[1-3]。

1.2 半导体硅晶体的特性

半导体硅晶的本征吸收系数随入射光波长的不同而变化[6]，如图1所示。红外部分吸收系数小，紫外部分吸收系数大。因此，波长短的光子衰减快，穿透深度较浅，而波长长的光子则能进入硅的较深区域。半导体硅晶PN结在不同结深时，量子效率随波长的不同而变化[6]。浅的PN结有较好的蓝紫光灵敏度，深的PN结则有利于红外灵敏度的提高，如图2所示。基于以上分析，该文设计了一种不同结深的双PN结的太阳能电池结构，该结构能对太阳光谱有较高的响应度，而且响应光谱宽，量子效率高。

2 双PN结光电池结构

光电池的工作原理是基于光生伏特效应。图3为光电池结构示意图，硅光电池实际上是一个大面积的PN结，当入射光子能量大于晶体硅的能隙时，硅晶吸收光子后在光敏区会产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在自建电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。其中梳状电极是为了减少光生载流子的渡越时间，同时保证较大的光敏面，抗反射膜为了增强入射光的透射率，让更多的光子能够和光敏区电子相互作用。但从上述分析中发现，晶体硅的能隙为1.12 eV，高于能隙的太阳光子（也就是短光波光子）吸收后产生热电子与空穴，并以热电子的形式损耗掉[7]，制约了器件的转换效率，也就是短波中能量较大的光子不能得到有效利用。

针对该问题（依据图1关于波长与吸收系数、穿透深度的关系，可知短波越长，光的穿透深度越小。由图2又知，结深较小时，短波量子效率较高，而结深较大时，长波量子效率较高），提出双PN结光电池结构。该结构是在原有的光电池结构中加了N型层，通过掺杂，形成不同于原PN结的结深，如图4所示。

其由N+—P—N 3个区构成，N+表示重掺杂，与P区在界面形成浅结N+P结，P区与N区界面形成深结PN结。当有光照射时，N+、P、N 3个区域及其间的势垒区都有光子吸收，短波部分吸收系数大，穿透深度小，经过短距离已基本吸收完毕，其对蓝绿光灵敏度高，而对长波红外光不灵敏。长波红外部分吸收系数小，穿透深度大，在深结部分有较高的灵敏度。这样双PN结光电池结构可以使太阳光更宽波段的光子都能得到有效吸收，转化为光生电子空穴对，在势垒区得到更多积累，从而提高光电池的光电转换效率。

3 结论

该文分析了半导体硅晶的相关特性，从减少光学损失和载流子复合角度出发，改善硅晶电池结构，以此来提高晶体硅光电池的效率。分析了太阳能电池转换效率的影响因素，针对光能损失，该文提出双PN结太阳能电池结构，该结构能通过深浅PN结，对短波的高能光子和长波的低能光子进行有效吸收转换，从而提高太阳能电池的转换效率。

参考文献

[1]霍秀敏.氧碳含量对太阳能电池光电转换效率影响的研究[D].天津：河北工业大学，2004.

[2]徐羿宸.金属氧化物在晶硅太阳能电池表面的制备及其增效性能研究[D].上海：上海师范大学，2019.

[3]薛继元，冯文林，赵芬，等.太阳能电池板的输出特性与实际应用研究[J].红外与激光工程，2015，44（1）：176-181.

[4]王娜.太阳能电池伏安特性理论分析及测定[J].中国科技信息，2018（23）：33-34，12.

[5]赵红生.高效、低成本单晶硅太阳能电池研究及其均匀设计的软件实现[D].天津：河北工业大学，2003.

[6]袁银梅.几种硅基太阳能电池输出特性的测试与分析[J].节能技术，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.