太陽電池光電轉換原理與名詞釋義

圖 2- 2. 二極體內部載子與離子分布圖

一個 P-N 二極體元件內部離子與載子分布如圖 2- 2 所示。其中 N 型半導體的產生 是藉由摻雜雜質原子，使其與周圍原子完成鍵結後有多餘可自由移動的電子，因此在此 區的多數載子為電子；反之，P 型半導體則因雜質原子缺少電子完成鍵結，使得鄰近的 電子有機率移至該處填補，故可看作是帶正電的電洞在移動(實際遷移者仍為電子)，所 以此區多數載子為電洞。當 P 型與 N 型半導體相接觸後將形成 P-N 接面(p-n junction)，

接面處會因載子濃度梯度不同而發生擴散，P 型半導體中的電洞擴散到 N 型區時，與該 區電子復合後留下帶正電的施體(donor)離子(Nd+)，同理，接面附近之 P 型區會有電洞被 復合後產生帶負電之受體(acceptor)離子(NA-)，這些無法移動的電荷形成了一個由 N 指 向 P 的電場，而沒有自由載子的此區則稱為空乏區(depletion region)或空間電荷區(space charge region)。這個內建電場會驅使電子往 N 型區移動，電洞向 P 型區漂移，故當熱平 衡時，空乏區有一固定的寬度。

如圖 2- 3 所示當一能量高於半導體能隙(energy gap)的光子入射到半導體內，將價帶 (valence Band) 中 的 電 子 激 發 躍 遷 至 導 帶 (conduction band) 上 ， 形 成 電 子 - 電 洞 對 (electron-hole pair)，電子和電洞又因內建電場作用分離而往相反方向傳輸至兩端電極輸 出。光子能量大於能隙者可激發電子到導帶中較高能階，但是電子會在極短的時間內 (10^-15~10^-12秒)以熱(聲子)的形式放出多餘能量而回到導帶邊緣，小於能隙者則將穿透不 被吸收。

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圖 2- 3. P-N 接面之光電轉換示意圖

光伏特效應中，空乏區內建電場的功用是使吸收入射光子產生的電子-電洞對在復 合前被分開而產生光電流。光電流再經由二極體兩端電極傳至負載，此即太陽電池基本 工作原理。若將照光的 P-N 二極體兩端以導線連接便是所謂的短路(short circuit)情況，

金屬線上的短路電流(short-circuit current, Isc)就是光電流。若此二極體兩端不相連，即 所謂的開路(open circuit)，則這些自由載子會在 P 型區累積額外電洞、N 型區累積額外 電子，造成 P 端較 N 端電位高，也就是開路電壓(open-circuit voltage, Voc)的由來，由於 是 照 光 產 生 ， 故 又 稱 作 光 電 壓 (photovoltage) ， 而 太 陽 電 池 又 名 光 伏 特 電 池 (photovoltaics)。

當然入射光不只會在空間電荷區內被吸收，光子在二極體其他區域被吸收也能貢獻 光電流，即所謂準電中性(quasi-neutral)區域。只是此區無內建電場，所以光電流屬擴散 電流，而非漂移電流。擴散電流由少數載子所決定，多數載子不參與。N 型準電中性區 域的少數載子電洞在接近空乏區處，其濃度往 P 型區方向會逐漸降低，因此 N 型準電中 性區域內的電洞會形成往 P 型區擴散之電流，同理 P 型區的少數載子電子也是。

綜合來說，二極體光伏特效應中的光電流主要源自於以下三個物理機制：

1. 空間電荷區內電子與電洞的漂移電流

2. N 型準電中性區域少數載子電洞的擴散電流 3. P 型準電中性區域少數載子電子的擴散電流

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實際運作的太陽電池除了產生光電流的功能外，還有其他特性需要考慮，而一般太 陽電池可以等效為一組電路如圖 2- 4，其中包含光電流源 Iph、P-N 二極體本身的逆向飽 和電流 Id、串聯電阻 Rs和並聯電阻 Rsh。

圖 2- 4. 太陽電池等效電路圖

此電路模型中的兩個寄生電阻(parasitic resistance)分別為串聯電阻(series resistance) 和並聯電阻(shunt resistance)。串聯電阻常可能發生於金屬和半導體間的接觸問題，或在 特定阻值較高的材料中(如有機半導體)，而且於高電流密度情況下(例如聚光情形)將更 為嚴重；並聯電阻則主要來自於元件的側向漏電途徑，意即有其他通路直接連結正負 極。

由此電路圖經柯西荷夫電壓定律(Kirchhoff's voltage law)計算可以得到等效電路中 輸出電流密度 J(電流除以元件面積)與輸出電壓 V 的關係式為：

𝐽𝐽(𝑉𝑉) = 𝐽𝐽_{𝑠𝑠𝑠𝑠}− 𝐽𝐽₀�𝑒𝑒𝑞𝑞(𝑉𝑉+𝐽𝐽𝐽𝐽𝑅𝑅_𝑠𝑠)

𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛 − 1� −𝑉𝑉 + 𝐽𝐽𝐽𝐽𝑅𝑅_𝑠𝑠 𝑅𝑅_𝑠𝑠ℎ

其中 Jsc 為照光所產生的光電流密度減去元件兩電極端點的表面復合效應；J0為二 極體的逆向飽和電流密度，與中性區及空乏區的復合電流有關，並隨順向偏壓的指數增 加而增加，在逆向偏壓時會達到飽和值；A 則為太陽電池照光面積，T 為絕對溫度；n 為半導體理想因子(ideality factor)，當擴散電流主導時，n 值趨向 1，反之當復合電流主 導時，n 會趨向 2；k 為波玆曼常數(Boltzmann constant)。若考慮一理想太陽電池其串聯 電阻極小(Rs→0)、並聯電阻極大(Rsh→∞)，上式可簡化為：

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𝐽𝐽(𝑉𝑉) = 𝐽𝐽_{𝑠𝑠𝑠𝑠}− 𝐽𝐽₀�𝑒𝑒^{𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑞𝑞𝑉𝑉} − 1�

太陽電池分別在黑暗環境與照光條件下所進行的電流-電壓(current-voltage, I-V)特 性量測結果如圖 2- 5 所示，其中有幾項重要參數須作詳細介紹，分別為短路電流密度 Jsc(short-circuit current density)、開路電壓 Voc(open-circuit voltage)、填充因子 FF(fill factor) 、 光 電 轉 換 效 率 PCE(power conversion efficiency) 、 最 大 功 率 輸 出 電 壓 Vmp(maximum power voltage)、最大功率輸出電流 Imp(maximum power current)。

圖 2- 5. 太陽電池於黑暗與照光環境下之電流-電壓曲線示意圖

1. 短路電流密度 Jsc (short-circuit current density)

短路電流(Isc)是指太陽電池在零負載狀態下(外部電路短路)的輸出電流，此時輸出 電壓為 0。對於理想太陽電池而言我們可以得到I(0) ≈ 𝐼𝐼_{𝑠𝑠𝑠𝑠}，除以受光面積後即為 Jsc。

2. 開路電壓 Voc (open-circuit voltage)

開路電壓是太陽電池負載無限大狀態下(外部電路斷路)的輸出電壓，此時輸出電流 為 0，對於理想(n=1)的太陽電池，我們可以得到：

𝑉𝑉𝑜𝑜𝑠𝑠 =𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑞𝑞 𝑙𝑙𝑙𝑙 �

𝐼𝐼_𝐿𝐿 𝐼𝐼0 + 1�

由上式可知 Voc 隨著光電流(IL)增加而升高，也隨著二極體逆向飽和電流 I0增高而 降低，由於 I0 與元件設計(如摻雜濃度)、材料特性(能隙大小、缺陷多寡)有密切關係，

所以 Voc 也受這些因素影響。另外，在 V<0 時元件就如同光偵測器(photodetector)的原

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理，根據外部光源強度產生對應的光電流，與偏壓無關。

4. 轉換效率 PCE (power conversion efficiency)

光電轉換效率定義為太陽電池之最大輸出功率與入射光功率(Pin)的比值，表示為： 量子效率(external quantum efficiency, EQE)及內部量子效率(internal quantum efficiency, IQE)。所謂外部量子效率是指在一給定波長下，元件收集並輸出光電流的最大電子數目