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為什么 EQE 光譜可以用來(lái)分析太陽(yáng)能電池的電流損耗分析？
太陽(yáng)能電池的運(yùn)作大致可分為四個(gè)過(guò)程：(1) 吸收光子 (Absorption)、 (2) 光生載流子 (Photocarrier Generation)、 (3) 電荷傳輸 (Transport)、 (4) 電荷收集 (Collection)。
(1) 吸收光子 (Absorption)
光子能量大于材料帶隙即能激發(fā)半導(dǎo)體材料，以本征吸收 (Intrinsic absorption)、外在吸收 (Extrinsic absorption)、自由載子吸收 (Free carrier absorption) 等過(guò)程來(lái)吸收光子能量。
(2) 光生載流子 (Photocarrier Generation)
半導(dǎo)體材料吸收光子后會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，此過(guò)程成為光生載流子過(guò)程。
(3) 電荷傳輸 (Transport)
電子-空穴對(duì)若在 PN 結(jié)中的空乏區(qū) (Depletion region) 產(chǎn)生，會(huì)受到 PN 結(jié)的內(nèi)部電場(chǎng)拆解成電子與空穴，受到電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng) (Drift) 而向兩端的正負(fù)電極移動(dòng)；若在 P 型半導(dǎo)體或是 N 型半導(dǎo)體的本征區(qū) (Intrinsic region)，電子-空穴對(duì)會(huì)以擴(kuò)散 (Diffusion) 的型式傳輸，到達(dá)空乏區(qū)后再被空乏區(qū)電場(chǎng)拆解成電子與空穴，再由電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)到兩端電極。
(4) 電荷收集 (Collection)
電子或空穴到達(dá)了電極附近的金屬-半導(dǎo)體接面時(shí)，再傳輸?shù)酵獠侩姌O過(guò)程。
圖二、太陽(yáng)能電池的 “短路條件”。
將電池的正、負(fù)極直接連接，使得外部負(fù)載 R_L=0，成為短路狀態(tài)。此時(shí)，電池兩端電壓 V_(a )=I?R_L，只有電流流過(guò)太陽(yáng)能電池，為短路電流 I_sc(Short-Circuit Current)。
太陽(yáng)能電池的外部量子效率 EQE，將已知光子數(shù)的單色光照射到太陽(yáng)能電池后，經(jīng)過(guò)光子吸收、光生載流子、電荷傳輸、與電荷收集等過(guò)程后，在短路條件下，最后傳輸?shù)酵獠侩娐返碾娮訑?shù)。以上四個(gè)過(guò)程描述了已知的入射光子被太陽(yáng)能電池照射和吸收，成為光載流子以及如何傳輸?shù)诫姌O。 整個(gè)過(guò)程就是外量子效率 EQE 過(guò)程，即入射光子轉(zhuǎn)化為電子的能力/百分比。因此，外部量子效率 EQE 光譜，反應(yīng)了上述四個(gè)過(guò)程的所有信息。
圖三、不同波長(zhǎng)的入射光子，穿透到太陽(yáng)能電池中的不同深度。因此，外部量子效率 EQE 光譜是帶有不同穿透深度的光子-電子轉(zhuǎn)換效率的信息。
例如，太陽(yáng)能電池材料對(duì)于不同能量的光子有不同的吸收特性。波長(zhǎng)較短的光子具有較高的能量如 UV 光，再入射到電池后，立即就能激發(fā)半導(dǎo)體材料產(chǎn)生光生載子；波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子能量較低如 IR 近紅外光，具有較長(zhǎng)的穿透深度，一般會(huì)穿透到較深層的材料而被吸收產(chǎn)生光生載子。
而中間波長(zhǎng)的光子一般會(huì)在 PN 結(jié)的空乏區(qū)被吸收。因?yàn)榭辗^(qū)內(nèi)部電場(chǎng)具有強(qiáng)大的作用力，可以立即將電子-空穴對(duì)拆解成自由的電子-空穴，并利用電場(chǎng)的電動(dòng)勢(shì)將電荷傳導(dǎo)到金-半接面，因此具有較高的轉(zhuǎn)換效率。因此，從 UV、VIS、到 IR 波段的量子效率 EQE 反應(yīng)的也就是表面區(qū)、 PN 結(jié)、底層等不同結(jié)構(gòu)區(qū)的好壞。量子效率 EQE 值越高，也代表著器件該區(qū)域的工藝條件是越好的。
圖四、不同波長(zhǎng)的入射光子，穿透到太陽(yáng)能電池中的不同深度。以晶硅太陽(yáng)能電池為例，不同結(jié)構(gòu)層反應(yīng)在外部量子效率 EQE 光譜個(gè)波段的信息。
因此，外部量子效率 EQE 光譜技術(shù)，常被用來(lái)進(jìn)行太陽(yáng)能電池電流損耗分析。
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