太阳能电池制作及量测试验.DOC

太陽能電池製作及量測實驗一、實驗目的： 學習基本太陽能電池的原理、製作及量測。了解P-N junction能階圖的義意、太陽能電池的電壓-電流曲線、影響太陽能電池效率的因素、基本半導體製程。 二、實驗原理： 太陽能電池能將光能轉換成電能的原理是應用半導體的光伏特效應(photovoltaic effect)。 光伏特效應一般是指當光子射入具有PN接面(junction)的二極體元件後，會在二極體的兩端電極可以產生輸出功率的電壓值，這個過程主要包含的是光子射到半導體內產生電子-電洞對(electron-hole pair)、電子與電洞因為PN接面所形成的內建電場(built-in electric field)作用下而分離、電子與電洞各自朝著相反方向運動，並且由兩端電極來輸出至負載，在迴路上形成光電流。 具有PN接面的半導體元件一般是以摻雜少量硼原子的P型半導體當作基板(substrate)，然後以濃度較高於硼的磷為擴散源，用高溫熱擴散的方法把磷摻入P型基板內，如此即可形成PN接面。在接面處會因電子擴散行成空乏區，空乏區內會形成一個內建電場，內建電場的方向是從N型區指向P型區。 當太陽能電池受光時，太陽能電池可以吸收能量大於其能隙(energy gap)的光子，使電子由價電帶(valence band)躍遷至導電帶(conduction band)，進而產生電子-電洞對，其中自由電子會因為內建電場的作用而向N型區漂移(drift)，相反地，電洞則因內建電場的作用向P型區漂移，這種因為內建電場的影響而產生從N型區向P型區的漂移電流，就是所謂的光電流 (photocurrent)。光伏特效應中的光電流對PN二極體而言，剛好就是逆向偏壓 (reverse bias)的電流方向。最後光電流經由PN二極體的金屬接觸(metal contact)輸出至負載，形成一個迴路，這就是光伏特電池(photovoltaic cell) 的基本原理。 太陽能電池的等效電路 對原本的理想二極體而言，太陽電池照光產生的光電流為負向電流，所以太陽電池的電流-電壓關係就是理想二極體加上一個負向的光電流IL，理想太陽能電池的電流I-電壓V關係可用下式表示： 其中I代表電流，電流的方向是定義在元件內從p型流向n型；V代表電壓，電壓的正負值，則是定義為p 型端電壓減去n型端電壓；IS為二極體的逆向飽和電流(saturation current)；KB為Boltzmann常數；q為單位電量；T為絕對溫度，在室溫下，qV/KBT=0.026。 太陽能電池的電壓-電流特性曲線 短路電流：(short-circuit current)短路電流的定義為太陽能電池的負載為零時所輸出的電流，也就是輸出電壓V＝0時所對應的電流。圖中照光下的I-V曲線，其Y軸截距的絕對值即為短路電流I SC的大小。 開路電壓：(open-circuit voltage) 當太陽能電池開放時，也就是負載為無限大，此時迴路上的電流I＝0，太陽能電池兩端的輸出電壓即為開路電壓VOC。 轉換效率的計算與量測 太陽能電池的轉換效率(energy conversion efficiency)是指電池將入射太陽光的功率Pin轉換成最大輸出之電功率Pmax 之比例，意即 太陽能電池的輸出功率就是電流和電壓的乘積： 明顯地，太陽電池輸出的功率並非是個固定值，而是在某個電流-電壓工作點達到最大輸出功率，最大功率的條件可由dP/dV=0來決定。而太陽電池最大輸出功率為： 因此轉換效率為： 或 其中FF稱為填充因子(Fill factor)，其定義為太陽能電池在最大電功率輸出時，輸出功率Pmax 與開路電壓VOC和短路電流ISC乘積之比值，也就是電流-電壓特性曲線中最大功率矩形(灰色面積)對VOCxISC矩形的比例。 實際上，填充因子深受串聯電阻RS與並聯電阻Rsh的影響，因此我們可以只用填充因子來同時概括串聯電阻與並聯電阻二個效應，因為任何的串聯電阻的增加或是並聯電阻的減少，都會減少填充因子，進而造成轉換效率的降低。太陽能電池的效率可以由三個重要參數：開路電壓VOC、短路電流ISC和填充係數FF來表達。 明顯地，要提高太陽電池的效率，則要同時增加其開路電壓、短路電流(即光電流)，和填充因子(即減少串聯電阻與漏電流)。理論上，在AM1.5的條件下，理想的太陽能電池轉換效率為29%。 串、並聯電阻的影響 任何半導體材料本身，或是半導體與金屬之間的接觸，無可避免地都會有或多或少的電阻，如此就會產生太陽能電池的串聯電阻，串聯電阻通常與接面深度、p型和n型區的雜質濃度、正面歐姆接觸等有關。另一方面，太陽能電池的正負電極間，存在任何非經由理想PN接面的其他電流通道，都會造成所謂的漏電流(leakage