太阳能光伏技术：非平衡载流子的产生与复合

光照、电流导入，以及磁场等其他外部能量作用都可以使半导体产生非平衡载流子。对光伏而言最重要的自然是光激发产生的平衡载流子。光激发总是从半导体被光照的表面发生，产生的非平衡载流子使表面附近载流子浓度提高，其向里的扩散随即发生，体现为载流子由表面向内部的输送，因此光致非平衡载流子的产生往往被称为非平衡载流子的注入。

一般光照条件下注入的非平衡载流子的浓度为1010／cm3量级，一般太阳电池用p型硅片电阻为1Ω·cm量级，其相应平衡多数载流子浓度p0处于1016／cm3量级，平衡少数载流子浓度n0处于103／cm3量级，因此我们看到，非平衡多数载流子浓度相对于材料中原有平衡多数载流子浓度只有百万分之一的水平，无足轻重，不带来什么影响；而非平衡少数载流子浓度是材料中原有平衡少数载流子的千万倍的水平，对体系总的少数载流子浓度却有决定性作用。例如上述表面光照条件下的扩散注入，对多数载流子而言，材料表里之间浓度相比几乎一致，扩散影响很微小，可以忽略不计；而对少数载流子而言，表里之间的浓度梯度却是巨大的，扩散注入的影响就很大了。光伏器件是属于少数载流子起作用的器件，可以看到，即便光照强度提高一百倍，这一数量悬殊特征也不会改变。

不难理解，无论是处在平衡还是非平衡，只要材料内部有电子和空穴，就一定会有发生电子与空穴复合湮灭，或者说电子从导带跳回价带的可能性，而且发生的几率应与电子浓度和空穴浓度之积成正比。否则平衡不可能存在，只有材料内部存在复合并且其速率与激发速率相等而相互抵消，才能实现平衡。以此类推，光照条件一定时，所谓非平衡载流子最后也一定会平衡稳定在一个水平，使材料总的载流子浓度平衡稳定在一个新的水平。新旧水平的差异将体现在材料的电阻上，光照引入的非平衡载流子将会使材料的电阻降低，这个差异以目前的电子仪器水平可以容易地探测出来，而且还可测量记录光照撤除后其变化轨迹。光照撤除后会测到什么变化呢？相信读者已经能设想到变化的结果——电阻回升到无光照时的平衡水平。但具体变化有多快？变化快慢又说明什么？需要测量和理论分析。(www.xing528.com)

测量显示，上述变化很快，回复到原平衡水平只需微秒到毫秒级的时间；不同材料回复快慢差异很大，但总要有一个时间过程。这说明非平衡载流子在复合消亡之前是有一个寿命的，具体每个载流子的寿命应该是各有长短、有一定随机性的，但对一种材料而言，一定载流子浓度水平下，载流子的平均寿命应该是一定的，记为τ。容易理解，载流子浓度积较高时，载流子复合几率较高，其寿命应相应较低，但对硅晶光伏应用而言，载流子浓度水平变化范围不大，我们不考虑载流子寿命随载流子浓度的变化。如前所述，非平衡多数载流子的复合消亡对材料多数载流子浓度无关紧要，而非平衡少数载流子的复合消亡对材料少数载流子浓度则有决定性影响，因此习惯上将上述τ称为少数载流子寿命，体现该参数所关注的实质对象。可以推出，非平衡载流子的浓度从非平衡激发撤除开始随时间t按指数规律衰减，即

这一规律与实验实测结果相符，通过拟合式（3－18）就可得到少数载流子寿命τ。τ是一个十分重要的材料性能参数，在光伏研发与产业领域被普遍测量应用。对光伏应用而言，τ值越高，则由光照注入的非平衡载流子就越有机会被分离导出，光伏效率就会越高，决定τ的是非平衡载流子的复合几率，这与具体的复合机制有关，进而我们可以看到，它最终与材料杂质和结构缺陷密切相关。