光伏效应：光如何变成电
1839 年，贝克勒尔（Becquerel）首次观察到光伏效应（photovoltaic effect）：光照在半导体上产生电压与电流。 太阳能电池与普通电池的根本区别在于——它不消耗自身材料，而是把太阳光的能量直接转换为电能， 只要有光，就能持续发电。
光生电流与量子效率
光生电流密度 Jph（A/cm²）由入射光强 bs 和电池性能共同决定。光生电流 Jph 与短路电流 Jsc 相等（教材式 1.4）：
其中 量子效率 QE(E)（quantum efficiency）描述能量为 E 的光子产生电子跃迁并进入外部电路的概率，是衡量电池性能最重要的参数之一。光子能量与波长的关系（教材式 1.6）：
太阳辐射与光谱
太阳可近似为表面温度 Ts = 5778 K 的黑体。太阳表面辐照度高达 63.2 MW/m²， 经过 1.5×108 km 的旅程并穿过大气层后，到达地面的功率密度约为 1000 W/m²（AM1.5G，一个"太阳"）。 太阳光谱中能量低于带隙的光子无法被利用——这是光伏转换的第一类损耗。
关键常数（教材第 2 章）
半导体与载流子
半导体的导电性介于导体与绝缘体之间，其电子结构由能带（energy band）描述： 价带（valence band）与导带（conduction band）之间隔着带隙 Eg（band gap）。 电子（electron）与空穴（hole）是两种载流子，通过掺杂（doping）可以人为控制哪种载流子占多数。
热平衡与掺杂（教材 3.4–3.5 节）
热平衡状态下，载流子浓度由费米-狄拉克分布决定，并满足质量作用定律：
- n 型掺杂（如硅中掺磷）：施主能级靠近导带，电子成为多子，n₀ ≈ ND，费米能级 EF 上移靠近导带；
- p 型掺杂（如硅中掺硼）：受主能级靠近价带，空穴成为多子，p₀ ≈ NA，费米能级 EF 下移靠近价带；
- 掺入杂质的浓度（10¹³–10²⁰ cm⁻³）决定了半导体的电阻率与结的特性。
漂移与扩散（教材 3.7 节）
电场驱动漂移电流，浓度梯度驱动扩散电流。太阳能电池的载流子输运正是这两种机制共同作用的结果。
载流子的产生与复合
光照使电子-空穴对产生（generation），而电子落回价带与空穴结合则称为复合（recombination）。 复合是发电的"敌人"——被复合掉的载流子无法形成电流。理解并抑制复合，是提高电池效率的核心课题。
三种复合机制对比（教材 4.6 节）
| 机制 | 物理过程 | 能量去向 | 何时主导 |
|---|---|---|---|
| 辐射复合 | 电子直接从导带落回价带，与空穴复合 | 发射光子（发光的逆过程） | 直接带隙材料（GaAs）；高品质晶体中不可避免 |
| 陷阱复合 SRH | 电子经带隙中的缺陷/杂质陷阱能级间接复合 | 发射声子（热） | 存在晶格缺陷、杂质时（如低品质硅） |
| 俄歇复合 | 电子-空穴复合的能量转移给第三个载流子 | 加热另一载流子（热化） | 高掺杂、大注入（高载流子浓度）时 |
载流子被复合前的平均生存时间称为寿命 τ（lifetime），能扩散的平均距离称为扩散长度 L = √(Dτ)。 只有扩散长度大于器件厚度的载流子才有机会被收集——"长寿命、长扩散长度"是高效电池材料的金标准。
p-n 结：分离电荷的引擎
当 p 型与 n 型半导体接触，载流子因浓度差相互扩散，在界面附近留下固定的电离杂质， 形成耗尽区（depletion region）与内建电场 Fbi。 这个"无声的引擎"正是把光生电子与空穴分开、驱动电流单向输出的核心结构。
内建电势与耗尽宽度（教材 6.3–6.4 节）
- 典型晶硅电池：NA = 10¹⁶ cm⁻³、ND = 10¹⁹ cm⁻³，Vbi ≈ 0.89 V，W ≈ 0.34 μm；
- 内建电场方向由 n 区指向 p 区，把光生电子扫向 n 区、空穴扫向 p 区；
- 正偏削弱势垒 → 大的正向（暗）电流；反偏增强势垒 → 仅有反向饱和电流 J0。这就是二极管的整流特性。
伏安特性仿真实验室
太阳能电池的稳态输出由伏安特性曲线（J-V curve）完整描述。 下面是一台"虚拟电池测试台"：调节光照、温度与器件参数，实时观察 Jsc、Voc、填充因子 FF 与效率 η 的变化。
单二极管模型（教材 1.4 节）
转换效率的理论极限
1961 年，肖克莱（Shockley）与奎伊瑟（Queisser）用精细平衡原理（detailed balance）算出： 单结电池在 AM1.5 光谱下的理论效率极限约 33%，最佳带隙约 1.34 eV。 损耗主要来自三处：亚带隙光子透过、高能光子的热化弛豫、以及不可避免的辐射复合。
能量去哪了？—— 以晶硅为例的损耗分解
突破单结极限的路线（教材 12.4–12.8 节）
- 叠层电池（tandem）：宽带隙电池在上吸收高能光子，窄带隙在下吸收低能光子，理论极限可达 ~45%（双结）甚至更高；
- 聚光电池：用透镜/反射镜汇聚阳光，提高光生载流子浓度与 Voc，极限 ~40%+；
- 中间能带电池：在带隙中引入中间能带，使亚带隙光子也能"接力"激发载流子；
- 热载流子 / 碰撞电离：在载流子热化之前将其取出，或利用高能载流子产生多对电子-空穴。
主流电池技术对比
教材第 7–10 章分别剖析了四大技术路线：晶体硅是市场的绝对主流，砷化镓是效率王者， 非晶硅开创了薄膜时代，CIGS 与 CdTe 则以低成本薄膜路线各占一席。
材料特性与电池结构对比
| 技术 | 带隙 Eg | 吸收特性 | 结构特点 | 实验室效率 | 优势 / 挑战 |
|---|---|---|---|---|---|
| 晶体硅 c-Si 第 7 章 |
1.12 eV 间接带隙 |
吸收系数低，需 100–200 μm 厚度 | p-n 结 + 表面钝化 + 减反射膜 + 陷光结构 | ~26% | 工艺成熟、寿命长、成本低；间接带隙需较厚硅片 |
| 砷化镓 GaAs 第 8 章 |
1.42 eV 直接带隙 |
吸收系数极高，几 μm 即吸收完全 | 外延生长，易做叠层；窗口层钝化表面 | ~29%（单结） | 效率最高、耐辐射；材料昂贵，用于航天与聚光 |
| 非晶硅 a-Si 第 9 章 |
~1.7 eV 准直接带隙 |
吸收强，可薄至 300 nm | p-i-n 结构（本征层吸收，掺杂层建场） | ~14% | 低温沉积、可柔性；S-W 效应致光致衰减 |
| CIGS 第 10 章 |
1.0–1.65 eV 可调 直接带隙 |
吸收系数高，1–2 μm 足够 | 多晶薄膜 + CdS 缓冲层异质结 | ~23% | 薄膜中效率领先；成分复杂、含稀有元素铟 |
| 碲化镉 CdTe 第 10 章 |
1.45 eV 直接带隙 |
带隙接近最优，吸收强 | n-CdS / p-CdTe 异质结，玻璃衬底 | ~22% | 成本最低的路线之一；镉毒性需闭环回收 |
光学优化三板斧（教材第 11 章）
知识自测
学完前面章节，用 8 道题检验一下理解程度。作答后立即显示解析。