太陽能光伏網訊：光伏電池生產製造可以說是光伏產業鏈中最重要，也是技術含量最高的環節，熟悉掌握太陽能電池相關的理論基礎，對進一步理解電池生產工藝及高效電池的研發都是很有必要的，為此筆者對太陽能光伏電池理論做了一些基礎總結。
光學基礎
晶體矽的禁帶寬度為Eg=1.12ev，其隨溫度而變化，但一般在1.1—1.3ev之間。由hv=hc/λ=Eg推出：
λ=hc/Eg=1.24/1.12=1100nm（本征吸收的光波極限）
由光生伏特效應可知：隻有波長小於1100nm的才能在矽中激發出出電子空穴對，即產生光生伏特效應。
而如下圖所示，97%以上的太陽輻射能的波長位於290—3000nm，可見光波長為380（紫色）—780（紅色）nm。故能產生光生伏特效應的光子占大部分的為可見光。
太陽光譜中波長大於1.1μm不能產生光生伏特效應，而是轉變為熱量，這部分占光能的25%；而當光子能量大於禁帶寬度1.12ev時，隻能激發產生一個電子空穴對，剩餘的能量轉化為熱量，這部分損失的能量同樣占總光能的25%。所以用於轉化為電能的能量隻占太陽能總能量的50%。
半導體材料的光吸收（包括熱能和轉換的電能等）
當一束光照射在物體上時，一部分入射光線在物體表麵反射或散射，一部分被物體吸收，另一部分可能透過物體。也就是說，光能的一部分可以被物體吸收。隨著物體厚度的增加，光吸收也增加。如果入射光的能量為I0，則在離表麵距離x處，光的能量為
I = I0 e-ax
式中，a為物體的吸收係數，表示光在物體中傳播1/a距離時，能量因吸收而衰減到原來的1/e。半導體材料的吸收係數較大，一般在105cm-1以上，能夠強烈的吸收光的能量。被吸收的光能將使材料中能量低的電子躍遷到較高的能級。
矽材料是間接能帶材料，在可見光範圍內，矽的光吸收係數遠低於其他太陽能光電材料，如吸收95%的太陽光，GaAs太陽電池隻需要5—10μm的厚度，而矽太陽電池則需要150μm以上的厚度；因此在製備晶體矽太陽電池時，矽片的厚度在150—200μm以上，才能有效的吸收太陽能。直接帶隙和間接帶隙的區別主要體現在光的吸收係數，直接帶隙半導體的吸收係數大於間接帶隙，這樣直接帶隙的半導體可以做的更薄且能量損失也少。
另外，根據電動力學理論，平麵電磁波在物質中傳播時，其電矢量和磁矢量都按指數規律 exp（-ωμxc-1）衰減。將電矢量和磁矢量的exp（-ωμxc-1）相乘積即得：
（基本關係：T=λ/v， ω= 2π/T ）
μ稱為消光係數，半導體的消光係數μ與入射光的波長無關。
由上可知，光波越短吸收係數越大，半導體對愈短波長的光吸收愈強，光強隨距離的衰減越嚴重。對故短波長的光來說，其主要在半導體表麵被吸收。所以說深結時，由短波長產生的電子空穴對在到達pn結之前嚴重複合，影響其光譜響應。
光生電流的光學損失
太陽能電池的效率損失中，有三種是屬於光學損失，其主要影響是降低了光生電流值。
1、反射損失：從空氣（或真空）垂直入射到半導體材料的光的反射。以矽為例，在感興趣的太陽光譜中，超過30%的光能被裸露的矽表麵反射掉了。
2、柵線電極遮光損失c：定義為柵線電極遮光麵積在太陽能總麵積中所占的百分比。對一般電池來說，c約為4%-15%。
3、透射損失：如果電池厚度不足夠大，某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背麵穿出。這決定了半導體材料之最小厚度。間接帶隙半導體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。
能帶理論
對於n型半導體，費米能級位於禁帶中線以上，施主雜質ND越大，費米能級位置越高甚至進入導帶。對於p型半導體，費米能級位於中線以下，受主雜質NA越大，費米能級越低甚至進入價帶。
當兩塊半導體結合形成pn結時，以EFn和EFp分別表示n型和p型半導體的費米能級。當兩塊半導體結合形成pn結時，按費米能級的意義，電子將從費米能級高的n區流向費米能級低的p區，空穴則從p區流向n區，因而EFn不斷下移，且EFp不斷上移，直至EFn=EFp時為止。這時pn結中有統一的費米能級EF，pn結處於平衡狀態。
平衡狀態pn結能帶圖
金屬半導體接觸
具有整流效應的金屬半導體接觸叫做肖特基接觸，以此為基礎製成的二極管稱為肖特基二極管。
沒有整流效應的金屬半導體接觸叫做歐姆接觸。
在一定範圍內，半導體的電阻隨溫度的升高而降低，金屬導體的電阻隨溫度的升高而升高。由於電流通過後要產熱，兩個按一定比例串聯接入電路後，剛好互補，從而使電阻不隨溫度的變化而變化。歐姆接觸時，接觸麵的電阻值遠小於半導體本身的電阻，大部分的電壓降在於活動區而不在接觸麵。即歐姆接觸不會形成附加的阻抗，不會影響半導體中的平衡載流子濃度。
一般的本征半導體和金屬接觸產生肖特基勢壘，如果半導體有很高的摻雜濃度，則接觸近似為歐姆接觸。
用E0表示真空中金屬表麵外靜止電子的能量，那麼，一個電子要從金屬躍遷到體外所需的最小能量為
Wm=E0 - Efm
稱為金屬的功函數或逸出功。（由費米能級的意義可知，能量小於費米能級的量子態被電子占據的概率是很高的，大部分電子處於費米能級以下）
同樣的，對於半導體材料，半導體 的功函數就是E0和費米能級Efs之差，即
Ws=E0 - Efs
當金屬和n型半導體材料接觸時，如果金屬的功函數大於半導體的功函數，那麼金屬的費米能級就低於半導體的費米能級，而且兩者的費米能級之差就等於功函數之差，即
Efs - Efm = Wm-Ws
接觸後，雖然金屬的電子濃度要大於半導體的電子濃度，但由於金屬的費米能級低於半導體的費米能級，導致半導體中的電子流向金屬。（類似於電子由n流向p）
理論上講，要形成歐姆接觸，金屬的功函數必須小於n型半導體功函數，即n型半導體的費米能級小於金屬費米能級。但除了金屬的功函數外，還有其他因素影響歐姆接觸的形成，其中最重要的是表麵態。當半導體具有高表麵態密度時，金屬功函數的影響甚至將不再重要（這也是Wm＞Ws時，也可形成歐姆接觸的原因）。根據歐姆接觸的性質，實際工藝中，常用的歐姆接觸製備技術有：低勢壘接觸、高複合接觸和高摻雜接觸。
高摻雜接觸，是在半導體表麵摻入高濃度的施主或受主電學雜質，導致金屬半導體接觸的勢壘很薄（摻雜使禁帶寬度變窄？）。在室溫下，電子通過隧道效應產生隧道電流，從而不能阻擋電子的流動，接觸電阻很小，最終形成歐姆接觸。
光生伏特效應
PN結由p區和n區構成，p區多數載子為空穴（＋），n區多子為電子（－），結合在一起之後結合處空穴與電子複合形成一定寬度的耗盡區，同時p區一段距離內留下不能移動的負電荷，n區一段距離內留下不能移動的正電荷，這一段耗盡區又稱為空間電荷區，內形成電場，方向從n區指向p區。電場力量導致載流子的漂移運動，電子p－》n，空穴n－》p，而本身p和n區的載流子濃度又造成相應的擴散運動，電子n－》p，空穴p－》n，這兩種運動會達成一定的平衡。
故無光照時，矽電池是不帶電的；光照時，當光子能量大於禁帶寬度的光垂直照射在PN結上時，會產生電子空穴對。在內建電場的作用下，電子空穴對發生漂移運動，打破了兩種運動的平衡，形成了N型流向P型的光生電流I1，從而導致形成了P型指向N型的光生電場及光生電勢。（但所形成的光生電場與內建電場相反，使得擴散電流大於漂移電流，從而產生了淨的正向電流If。）此時光照時流過外加負載的電流為I = I1 - If。
方塊電阻的定義
擴散層的方塊電阻又叫做方塊電阻，用RS或R□來表示。它表示表麵為正方形的擴散薄層，在電流方向上所呈現出來的電阻。由電阻公式
（1）
可知，方塊電阻表達式可以寫成：
（2）
式中、 分別為擴散薄層的平均電阻率和平均電導率。d薄層厚度（即結深）。為了表示方塊電阻不同於一般的電阻，其單位用（歐姆/方塊）或Ω/□表示。
我們知道，在雜質均勻分布的半導體中，假設在室溫下雜質已經全部電離，則半導體中多數載流子濃度就可以用淨雜質濃度來表示。對於擴散薄層來說，在擴散方向上各處的雜質濃度是不相同的，載流子遷移率也是不同的。但是當我們使用平均值概念時，擴散薄層的平均電阻率 與平均雜質濃度 應該有這樣的關係：
（3）
式中q為電子電荷電量； 為平均雜質濃度； 為平均遷移率。把（3）式代入（2）式，可以得到：
（4）
為單位麵積擴散層內的摻雜劑總量。由（4）式 可以看到，方塊電阻與單位麵積擴散層內的淨雜質總量 成反比。因此 的數值就直接反映了擴散後在矽片內的雜質量的多少，也就是說一片擴散後的電池片其表麵方塊電阻的均勻性直接反應了擴散雜質濃度的均勻性。
方塊電阻對短波響應的影響
有實驗表明隨著方塊電阻的增大（33～75Ω），短波響應總體趨勢提高。分析方塊電阻對短波響應的影響需要深入分析ND和d對短波響應的影響。方塊電阻的提高，可以是結越來越淺，也可以是磷濃度的降低。結越來越淺，提高少數載流子的壽命和收集率，特別是使高能量的光子在表麵層產生的光生空穴在達到勢壘區之前不被大量填隙磷原子、位錯和缺陷複合掉，“死層”對太陽電池的負影響越來越小，提高了短波響應。磷和矽的共價半徑分別為1.67A和 1.18A，磷擴散進入矽晶體作為填隙原子，必然產生應力。隨著磷濃度的增加，應力越來越大，當應力大到超過斷裂應力，在矽單晶的《100》麵上產生位錯網絡。磷位錯網絡產生了大量體非對稱Shockley-Read-Hall（SRH）複合中心，體載流子壽命降低，電池光譜響應變差。
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