太陽能電池的運(yùn)作大致可分為四個(gè)過程：(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) 等過程來吸收光子能量。
(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)，此過程成為光生載流子過程。
(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)部電場拆解成電子與空穴，受到電場的驅(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)電場拆解成電子與空穴，再由電場驅(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過程。
圖二、太陽能電池的 “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，只有電流流過太陽能電池，為短路電流 I_sc(Short-Circuit Current)。
太陽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能電池后，經(jīng)過光子吸收、光生載流子、電荷傳輸、與電荷收集等過程后，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)過程描述了已知的入射光子被太陽能電池照射和吸收，成為光載流子以及如何傳輸?shù)诫姌O。 整個(gè)過程就是外量子效率 EQE 過程，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)過程的所有信息。
圖三、不同波長的入射光子，穿透到太陽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；波長較長的光子能量較低如 IR 近紅外光，具有較長的穿透深度，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，并利用電場的電動(dòng)勢將電荷傳導(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、不同波長的入射光子，穿透到太陽能電池中的不同深度。以晶硅太陽能電池為例，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)，常被用來進(jìn)行太陽能電池電流損耗分析。
微信掃一掃
