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為什么 EQE 光譜可以用來(lái)分析太陽(yáng)能電池的電流損耗分析?

更新時(shí)間:2023-04-28      點(diǎn)擊次數(shù):2425

太陽(yáng)能電池的運(yùn)作大致可分為四個(gè)過(guò)程:(1) 吸收光子 (Absorption)、 (2) 光生載流子 (Photocarrier Generation)、 (3) 電荷傳輸 (Transport)、 (4) 電荷收集 (Collection)。

(1) 吸收光子 (Absorption)

光子能量大于材料帶隙即能激發(fā)半導(dǎo)體材料,以本征吸收 (Intrinsic absorption)、外在吸收 (Extrinsic absorption)、自由載子吸收 (Free carrier absorption) 等過(guò)程來(lái)吸收光子能量。

(2) 光生載流子 (Photocarrier Generation)

半導(dǎo)體材料吸收光子后會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì),此過(guò)程成為光生載流子過(guò)程。

(3) 電荷傳輸 (Transport)

電子-空穴對(duì)若在 PN 結(jié)中的空乏區(qū) (Depletion region) 產(chǎn)生,會(huì)受到 PN 結(jié)的內(nèi)部電場(chǎng)拆解成電子與空穴,受到電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng) (Drift) 而向兩端的正負(fù)電極移動(dòng);若在 P 型半導(dǎo)體或是 N 型半導(dǎo)體的本征區(qū) (Intrinsic region),電子-空穴對(duì)會(huì)以擴(kuò)散 (Diffusion) 的型式傳輸,到達(dá)空乏區(qū)后再被空乏區(qū)電場(chǎng)拆解成電子與空穴,再由電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)到兩端電極。

(4) 電荷收集 (Collection)

電子或空穴到達(dá)了電極附近的金屬-半導(dǎo)體接面時(shí),再傳輸?shù)酵獠侩姌O過(guò)程。

圖二、太陽(yáng)能電池的 “短路條件"。

將電池的正、負(fù)極直接連接,使得外部負(fù)載 R_L=0,成為短路狀態(tài)。此時(shí),電池兩端電壓 V_(a )=I?R_L,只有電流流過(guò)太陽(yáng)能電池,為短路電流 I_sc(Short-Circuit Current)。

  太陽(yáng)能電池的外部量子效率 EQE,將已知光子數(shù)的單色光照射到太陽(yáng)能電池后,經(jīng)過(guò)光子吸收、光生載流子、電荷傳輸、與電荷收集等過(guò)程后,在短路條件下,最后傳輸?shù)酵獠侩娐返碾娮訑?shù)。以上四個(gè)過(guò)程描述了已知的入射光子被太陽(yáng)能電池照射和吸收,成為光載流子以及如何傳輸?shù)诫姌O。 整個(gè)過(guò)程就是外量子效率 EQE 過(guò)程,即入射光子轉(zhuǎn)化為電子的能力/百分比。因此,外部量子效率 EQE 光譜,反應(yīng)了上述四個(gè)過(guò)程的所有信息。

圖三、不同波長(zhǎng)的入射光子,穿透到太陽(yáng)能電池中的不同深度。因此,外部量子效率 EQE 光譜是帶有不同穿透深度的光子-電子轉(zhuǎn)換效率的信息。

  例如,太陽(yáng)能電池材料對(duì)于不同能量的光子有不同的吸收特性。波長(zhǎng)較短的光子具有較高的能量如 UV 光,再入射到電池后,立即就能激發(fā)半導(dǎo)體材料產(chǎn)生光生載子;波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子能量較低如 IR 近紅外光,具有較長(zhǎng)的穿透深度,一般會(huì)穿透到較深層的材料而被吸收產(chǎn)生光生載子。

  而中間波長(zhǎng)的光子一般會(huì)在 PN 結(jié)的空乏區(qū)被吸收。因?yàn)榭辗^(qū)內(nèi)部電場(chǎng)具有強(qiáng)大的作用力,可以立即將電子-空穴對(duì)拆解成自由的電子-空穴,并利用電場(chǎng)的電動(dòng)勢(shì)將電荷傳導(dǎo)到金-半接面,因此具有較高的轉(zhuǎn)換效率。因此,從 UV、VIS、到 IR 波段的量子效率 EQE 反應(yīng)的也就是表面區(qū)、 PN 結(jié)、底層等不同結(jié)構(gòu)區(qū)的好壞。量子效率 EQE 值越高,也代表著器件該區(qū)域的工藝條件是越好的。

圖四、不同波長(zhǎng)的入射光子,穿透到太陽(yáng)能電池中的不同深度。以晶硅太陽(yáng)能電池為例,不同結(jié)構(gòu)層反應(yīng)在外部量子效率 EQE 光譜個(gè)波段的信息。

  因此,外部量子效率 EQE 光譜技術(shù),常被用來(lái)進(jìn)行太陽(yáng)能電池電流損耗分析。


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