1．太陽能概況

太陽能是各種可再生能源中zui重要的基本能源，生物質能、風能、海洋能、水能等都來自太陽能，廣義地說，太陽能包含以上各種可再生能源。太陽能作為可再生能源的一種，則是指太陽能的直接轉化和利用。通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成熱能利用的屬于太陽能熱利用技術，再利用熱能進行發(fā)電的稱為太陽能熱發(fā)電，也屬于這一技術領域；通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成電能利用的屬于太陽能光發(fā)電技術，光電轉換裝置通常是利用半導體器件的光伏效應原理進行光電轉換的，因此又稱太陽能光伏技術。

二十世紀50年代，太陽能利用領域出現(xiàn)了兩項重大技術突破：一是1954年美國貝爾實驗室研制出6％的實用型單晶硅電池，二是1955年以色列Tabor提出選擇性吸收表面概念和理論并研制成功選擇性太陽吸收涂層。這兩項技術突破為太陽能利用進入現(xiàn)代發(fā)展時期奠定了技術基礎。

70年代以來，鑒于常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的增加，世界上許多國家掀起了開發(fā)利用太陽能和可再生能源的熱潮。1973年，美國制定了政府級的陽光發(fā)電計劃，1980年又正式將光伏發(fā)電列入公共電力規(guī)劃，累計投入達8億多美元。1992年，美國政府頒布了新的光伏發(fā)電計劃，制定了宏偉的發(fā)展目標。日本在70年代制定了“陽光計劃”，1993年將“月光計劃”（節(jié)能計劃）、“環(huán)境計劃”、“陽光計劃”合并成“新陽光計劃”。德國等歐共體國家及一些發(fā)展中國家也紛紛制定了相應的發(fā)展計劃。90年代以來聯(lián)合國召開了一系列有各國領導人參加的高峰會議，討論和制定世界太陽能戰(zhàn)略規(guī)劃、太陽能公約，設立太陽能基金等，推動太陽能和可再生能源的開發(fā)利用。開發(fā)利用太陽能和可再生能源成為社會的一大主題和共同行動，成為各國制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內容。

自“六五”以來我國政府一直把研究開發(fā)太陽能和可再生能源技術列入國家科技攻關計劃，大大推動了我國太陽能和可再生能源技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

     二十多年來，太陽能利用技術在研究開發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)、市場開拓方面都獲得了長足發(fā)展，成為世界快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。返回11

2．光伏效應

光生伏應簡稱為光伏效應，指光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。

    產(chǎn)生這種電位差的機理有好幾種，主要的一種是由于阻擋層的存在。以下以P-N結為例說明。

熱平衡態(tài)下的P-N結

P-N結的形成：

    同質結可用一塊半導體經(jīng)摻雜形成P區(qū)和N區(qū)。由于雜質的激活能量ΔE很小，在室溫下雜質差不多都電離成受主離子NA-和施主離子ND+。在PN區(qū)交界面處因存在載流子的濃度差，故彼此要向對方擴散。設想在結形成的一瞬間，在N區(qū)的電子為多子，在P區(qū)的電子為少子，使電子由N區(qū)流入P區(qū)，電子與空穴相遇又要發(fā)生復合，這樣在原來是N區(qū)的結面附近電子變得很少，剩下未經(jīng)中和的施主離子ND+形成正的空間電荷。同樣，空穴由P區(qū)擴散到N區(qū)后，由不能運動的受主離子NA-形成負的空間電荷。在P區(qū)與N區(qū)界面兩側產(chǎn)生不能移動的離子區(qū)（也稱耗盡區(qū)、空間電荷區(qū)、阻擋層），于是出現(xiàn)空間電偶層，形成內電場（稱內建電場）此電場對兩區(qū)多子的擴散有抵制作用，而對少子的漂移有幫助作用，直到擴散流等于漂移流時達到平衡，在界面兩側建立起穩(wěn)定的內建電場。

P-N結能帶與接觸電勢差：

    在熱平衡條件下，結區(qū)有統(tǒng)一的EF；在遠離結區(qū)的部位，EC、EF、Eν之間的關系與結形成前狀態(tài)相同。

    從能帶圖看，N型、P型半導體單獨存在時，EFN與EFP有一定差值。當N型與P型兩者緊密接觸時，電子要從費米能級高的一方向費米能級低的一方流動，空穴流動的方向相反。同時產(chǎn)生內建電場，內建電場方向為從N區(qū)指向P區(qū)。在內建電場作用下，EFN將連同整個N區(qū)能帶一起下移，EFP將連同整個P區(qū)能帶一起上移，直至將費米能級拉平為EFN=EFP，載流子停止流動為止。在結區(qū)這時導帶與價帶則發(fā)生相應的彎曲，形成勢壘。勢壘高度等于N型、P型半導體單獨存在時費米能級之差：

qUD=EFN-EFP

得

UD=(EFN-EFP)/q

q：電子電量

UD：接觸電勢差或內建電勢

對于在耗盡區(qū)以外的狀態(tài)：

UD=(KT/q)ln(NAND/ni2)

NA、ND、ni：受主、施主、本征載流子濃度。

可見UD與摻雜濃度有關。在一定溫度下，P-N結兩邊摻雜濃度越高，UD越大。

禁帶寬的材料，ni較小，故UD也大。

光照下的P-N結

P-N結光電效應：                

    當P-N結受光照時，樣品對光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。但能引起光伏效應的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結區(qū)的電子空穴對（少子）擴散到結電場附近時能在內建電場作用下漂移過結。光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴對被內建電場分離。這導致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個與熱平衡P-N結的內建電場方向相反的光生電場，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場使勢壘降低，其減小量即光生電勢差，P端正，N端負。于是有結電流由P區(qū)流向N區(qū)，其方向與光電流相反。

    實際上，并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對光生電流有貢獻。設N區(qū)中空穴在壽命τp的時間內擴散距離為Lp，P區(qū)中電子在壽命τn的時間內擴散距離為Ln。Ln+Lp=L遠大于P-N結本身的寬度。故可以認為在結附近平均擴散距離L內所產(chǎn)生的光生載流子都對光電流有貢獻。而產(chǎn)生的位置距離結區(qū)超過L的電子空穴對，在擴散過程中將全部復合掉，對P-N結光電效應無貢獻。

光照下的P-N結電流方程：

    與熱平衡時比較，有光照時，P-N結內將產(chǎn)生一個附加電流（光電流）Ip，其方向與P-N結反向飽和電流I0相同，一般Ip≥I0。此時

I=I0eqU/KT - (I0+Ip)

令Ip=SE，則

I=I0eqU/KT - (I0+SE)

開路電壓Uoc：

    光照下的P-N結外電路開路時P端對N端的電壓，即上述電流方程中I=0時的U值：

0=I0eqU/KT - (I0+SE)

Uoc=(KT/q)ln(SE+I0)/I0≈(KT/q)ln(SE/I0)

短路電流Isc：

    光照下的P-N結，外電路短路時，從P端流出，經(jīng)過外電路，從N端流入的電流稱為短路電流Isc。即上述電流方程中U=0時的I值，得Isc=SE。

    Uoc與Isc是光照下P-N結的兩個重要參數(shù)，在一定溫度下，Uoc與光照度E成對數(shù)關系，但zui大值不超過接觸電勢差UD。弱光照下，Isc與E有線性關系。

a)無光照時熱平衡態(tài)，NP型半導體有統(tǒng)一的費米能級，勢壘高度為qUD=EFN-EFP。

b)穩(wěn)定光照下P-N結外電路開路，由于光生載流子積累而出現(xiàn)光生電壓Uoc不再有統(tǒng)一費米能級，勢壘高度為q(UD-Uoc)。

c)穩(wěn)定光照下P-N結外電路短路，P-N結兩端無光生電壓，勢壘高度為qUD，光生電子空穴對被內建電場分離后流入外電路形成短路電流。

d)有光照有負載，一部分光電流在負載上建立起電壓Uf，另一部分光電流被P-N結因正向偏壓引起的正向電流抵消，勢壘高度為q(UD-Uf)。