为什么 EQE 光谱可以用来分析太阳能电池的电流损耗分析?

更新时间:2023-04-28      点击次数:1094

太阳能电池的运作大致可分为四个过程:(1) 吸收光子 (Absorption)、 (2) 光生载流子 (Photocarrier Generation)、 (3) 电荷传输 (Transport)、 (4) 电荷收集 (Collection)。

(1) 吸收光子 (Absorption)

光子能量大于材料带隙即能激发半导体材料,以本征吸收 (Intrinsic absorption)、外在吸收 (Extrinsic absorption)、自由载子吸收 (Free carrier absorption) 等过程来吸收光子能量。

(2) 光生载流子 (Photocarrier Generation)

半导体材料吸收光子后会产生电子-空穴对,此过程成为光生载流子过程。

(3) 电荷传输 (Transport)

电子-空穴对若在 PN 结中的空乏区 (Depletion region) 产生,会受到 PN 结的内部电场拆解成电子与空穴,受到电场的驱动 (Drift) 而向两端的正负电极移动;若在 P 型半导体或是 N 型半导体的本征区 (Intrinsic region),电子-空穴对会以扩散 (Diffusion) 的型式传输,到达空乏区后再被空乏区电场拆解成电子与空穴,再由电场驱动到两端电极。

(4) 电荷收集 (Collection)

电子或空穴到达了电极附近的金属-半导体接面时,再传输到外部电极过程。

图二、太阳能电池的 “短路条件"。

将电池的正、负极直接连接,使得外部负载 R_L=0,成为短路状态。此时,电池两端电压 V_(a )=I∙R_L,只有电流流过太阳能电池,为短路电流 I_sc(Short-Circuit Current)。

  太阳能电池的外部量子效率 EQE,将已知光子数的单色光照射到太阳能电池后,经过光子吸收、光生载流子、电荷传输、与电荷收集等过程后,在短路条件下,最后传输到外部电路的电子数。以上四个过程描述了已知的入射光子被太阳能电池照射和吸收,成为光载流子以及如何传输到电极。 整个过程就是外量子效率 EQE 过程,即入射光子转化为电子的能力/百分比。因此,外部量子效率 EQE 光谱,反应了上述四个过程的所有信息。

图三、不同波长的入射光子,穿透到太阳能电池中的不同深度。因此,外部量子效率 EQE 光谱是带有不同穿透深度的光子-电子转换效率的信息。

  例如,太阳能电池材料对于不同能量的光子有不同的吸收特性。波长较短的光子具有较高的能量如 UV 光,再入射到电池后,立即就能激发半导体材料产生光生载子;波长较长的光子能量较低如 IR 近红外光,具有较长的穿透深度,一般会穿透到较深层的材料而被吸收产生光生载子。

  而中间波长的光子一般会在 PN 结的空乏区被吸收。因为空乏区内部电场具有强大的作用力,可以立即将电子-空穴对拆解成自由的电子-空穴,并利用电场的电动势将电荷传导到金-半接面,因此具有较高的转换效率。因此,从 UV、VIS、到 IR 波段的量子效率 EQE 反应的也就是表面区、 PN 结、底层等不同结构区的好坏。量子效率 EQE 值越高,也代表着器件该区域的工艺条件是越好的。

图四、不同波长的入射光子,穿透到太阳能电池中的不同深度。以晶硅太阳能电池为例,不同结构层反应在外部量子效率 EQE 光谱个波段的信息。

  因此,外部量子效率 EQE 光谱技术,常被用来进行太阳能电池电流损耗分析。


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