太陽能電池如何工作？
太陽能電池如何工作？
到目前為止，我們已經討論了非常簡單的模型來幫助我們了解太陽能電池的工作原理。在下面的部分中，我們將詳細介紹，并向您提供太陽能電池研究人員在測試和評估其設計時經常使用的一些相同知識。
物理損失機制
我們已經討論了太陽能電池內部的一些物理損耗機制，設計人員正在努力克服這些機制，例如電荷重組和前表面的反射。還存在其他損耗機制，我們將在下面討論其中的幾種，以及它們通常如何在電路模型中表示。
串聯電阻
在任何電路中，當電子穿過材料時，總會有一些能量以熱量的形式損失掉。這通常稱為電阻。電阻越大，轉化為熱量的電能就越多。
太陽能電池的材料和結構相似，但它們不能完美地導電。一些電能會加熱材料而不是流過電路，這些被稱為歐姆或電阻損耗。由于材料的突然變化以及有時與半導體接合所固有的困難，前表面接觸處的不完美連接是電阻損耗的主要來源。在高電流密度下，這種電阻是一個更大的問題，因為正如我們之前所解釋的，我們有小面積的導線接觸，以最大限度地減少背面的復合和正面的陰影。在較高的電流密度下，我們遇到的問題類似于小管道試圖流過過多的水，并且成為整個水流的瓶頸。
由于該電阻在離開電池之前會消耗能量，因此我們可以將其作為與負載串聯（或串聯）的電阻包含在我們的電路模型中，如下所示。
串聯電阻具有將二極管曲線的“懸崖”移至較低電壓的作用，如下所示，這最終降低了我們可以從太陽能電池獲得的最大功率。
分流電阻
將半導體摻雜到 p 型或 n 型中從來都不是很完美，給定的太陽能電池中不可避免地存在缺陷。這些缺陷可以提供電子可以通過的替代路徑，而不是我們期望的負載。當電流抄近路到達末端而不是通過所需的電線時，這稱為短路。短路的另一個詞是分流，因此這種效應通常在電路模型中表示為分流電阻，如下所示。注意，該電阻與負載并聯，因此有時也稱為并聯電阻。
分流電阻具有隨著電壓升高而穩定減小電流的作用（主要是因為歐姆定律，V=IR），如下所示。較低的分流電阻意味著存在更多的缺陷和漏電流，從而降低了我們可以從太陽能電池獲得的最大功率。
這兩種電阻都會降低太陽能電池的效率，因此被稱為寄生電阻。由于串聯和并聯電阻器所代表的效應幾乎總是存在于太陽能電池中，因此更準確的電路模型將它們兩者都包括在內，如下所示。
利用歐姆定律；將電壓、電流和電阻 (V = IR) 聯系起來，然后我們可以更新二極管方程以包括串聯和并聯電阻：
我們剛剛做了一些非常強大的事情。我們采用了一些相當復雜的物理效應，例如電荷復合和接觸電阻，并在數學模型中考慮了它們。如果我們知道串聯電阻和并聯電阻的值，我們就可以使用該模型來預測各種條件下的器件行為。正如您可能想象的那樣，做出預測的能力對于研究人員來說是巨大的，因此擁有這樣的模型非常有價值。
然而，我們的模型中仍然沒有考慮到一些重要的影響。
非理想二極管
事實證明，肖克利指數方程描述的理想行為很少被觀察到。通過二極管的電流通常對電壓的依賴性較弱（變化不那么快）。在電路方程中解釋這一點的方法是在指數中引入所謂的理想因子 n，如下所示：
肖克利指數方程
該理想
因子通常介于 1 和 2 之間。它受到電荷載流子在太陽能電池中擴散的距離與耗盡區寬度之間關系的影響。如果載流子通常會移過耗盡區，則二極管的性能是理想的。如果沒有，那么我們必須考慮耗盡區的重組，這會產生理想因子。
復合二極管
我們已經討論過電荷復合——這是電子-空穴對在電子成功繞過電路并通過負載之前復合的情況。正如我們之前所描述的，這種復合發生在器件的邊緣和表面，其中載流子不受結電位的影響。
驅動復合發生的速度和時間的物理原理相當復雜，但最終結果是復合電流對電壓呈指數依賴性。這聽起來很熟悉嗎？它實際上與另一個漏電流的二極管相同，因此可以將其添加到我們的電路模型中。第一個二極管是我們的太陽能電池是半導體的結果，而第二個二極管是復合的結果。
該二極管可以添加到我們的電路模型中，作為電流在到達負載之前泄漏的另一條路徑。所得方程如下所示，是對理想因子的改進。這稱為雙二極管電路模型，相當著名，因為它解釋了大量的物理效應，同時保持合理的描述和理解。
光學響應度
在研究太陽能電池時，研究人員希望深入了解給定量的入射光到底能產生多少電量。他們分配值和參數來表示流程每個步驟的比例。我們之前討論過的問題之一是總體效率數字。雖然這是最好的底線、總體價值，但仍有一些實際措施可用于研究太陽能電池的特定方面，以便調整和完善設計。光學響應度就是其中之一。
光學響應率定義為輸出電流與進入太陽能電池的光功率的比率。有時也稱為光譜響應度。雖然這聽起來與整體效率相似，但光學響應度是波長的函數。它根據照射在電池上的光的能量而變化，而效率通常是針對太陽輻射的整個光譜給出的（并且比較功率輸出而不是電流輸出）。硅的光學響應率的典型圖表如下所示。
如上所示，理想的響應度是每個光子產生電子的位置。光子的能量由下式給出
而電子的電荷q為1.6×10-19庫侖。電流是每秒的電量，而功率是每秒的能量，因此在給定的秒內電流除以功率就是這兩者的比率：
要理解為什么這條曲線隨著波長而增加，我們需要了解較短的波長具有較高的能量。這意味著較短的波長會釋放出更多的能量，超出帶隙所需的最小值。因此，與輸出的電流相比，它們輸入的功率要多得多。完美的情況是光子能量與帶隙完全匹配，這種情況發生在 1130 nm 左右的波長處。然而，超過這個波長，光子不再有足夠的能量來橋接帶隙，因此我們的響應度驟降至零。
您會注意到，真正的硅電池的光學響應度實際上低于理想曲線。發生這種情況有幾個原因。首先，反射以及光子不會產生適當的晶格振動以進行吸收，從而產生損耗（請記住，硅具有間接帶隙）。您還會記得光電二極管中存在不需要的暗電流，它會濾掉一些我們理想的輸出電流。正如預期的那樣，較高波長處的衰減是由于帶隙限制而發生的。在較短的波長下，太陽能電池正面的保護玻璃開始吸收大部分入射光。
外部量子效率 (EQE)
正如我們上面提到的，響應率曲線在整個波長譜中變化，而通常我們仍然只為每個撞擊的光子創建一個電子空穴對。它并沒有告訴我們每個光子到底有多少電子的圖片，因為光子能量仍然混合在圖片中。一個有用的參數將光子能量從方程中剔除，而是關注每個單獨的光子如何通過轉換過程，稱為量子效率。它與響應度密切相關，實際上可以從中計算出來。
太陽能電池的量子效率定義為特定能量的入射光子將電子傳送到太陽能電池電路的可能性。您還可以將其視為輸出的電荷載流子與輸入的光子的比率。我們需要真正具體地了解我們正在討論的光子，因此科學家定義了兩種不同類型的量子效率：內部和外部。
內部量子效率(IQE) 是流出的電荷載流子與電池已吸收的光子的比率。這意味著材料的吸收（或反射）特性可以忽略不計。因此，這個量更多地指的是太陽能電池將電子移動到外部電路的能力，以及有多少能量被熱或其他方式損失掉。換句話說，它關心的是太陽能電池內部的效率——一旦光子已經進入太陽能電池內部。
外部量子效率(EQE) 是電荷載流子與入射到材料上的光子的比率。這個量考慮了光子從外界一直移動到電路中的電子。因此，EQE 受到太陽能電池是否具有抗反射涂層的影響。因為我們可以在細胞外部進行測量，然后測量輸出電流，所以 EQE 是研究人員最常用的量。
IQE 和 EQE 都根據能量而變化，因此通常表示為效率與光波長的關系圖。下面給出了 EQE 曲線的示例。
正如我們在示例圖中看到的，EQE 受到反射損耗的限制。在較高波長下，光子沒有足夠的能量來橋接帶隙，因此效率降至零。對于較低波長（較高能量），這些光子通常在電池前部附近被吸收，因此距離表面足夠近，復合降低效率的一個重要因素。
EQE 是太陽能電池的一個重要特性，因為它不依賴于入射光譜。例如，您會注意到，在大多數情況下，EQE 在整個波長范圍內都是平坦的，這為我們提供了衡量光子轉換為電子的效率的有用指標。它是一種量化電池設計和材料質量的方法，因此是每個太陽能電池研究人員想要測量的參數。然而，在我們討論如何做到這一點之前，我們將先了解一下太陽能電池的更一般測試方法。