磁场与温度对径向结太阳能电池基区过剩少数载流子密度的协同调控机制

这篇研究通过建立二维瞬态动力学模型，结合贝塞尔函数（Bessel functions）和变量分离法，系统分析了磁场（1×10?4–10?2 T）与温度对多晶硅径向结太阳能电池（radial-junction solar cells）载流子密度的影响。研究发现磁场通过洛伦兹力（Lorentz force）约束电子运动，在2×10?3 T阈值内显著提升载流子密度，而温度升高则通过降低迁移率增加载流子积累。该研究为优化径向结光伏架构提供了理论框架。

　　

1 引言

径向结太阳能电池因其圆柱形p-n结结构（图1a）突破了传统平面电池的光吸收与电荷收集方向耦合限制。哈佛大学团队2007年首次实验验证该结构可实现16.8%-17.55%的转换效率，其核心优势在于：光吸收沿轴向（z方向）进行，而载流子收集沿径向完成，使得低纯度材料亦可实现高效收集。然而，磁场与温度对其性能的影响机制尚未明确。

2 理论与方法

2.1 结构与工作原理

电池基区分为N区（宽度r₄）、P区（r₁）及界面区（r₂-r₃）。光照下，耗尽区（SCR）形成的扩散电场分离电子-空穴对（图1b）。采用准中性基区假设，忽略表面复合效应。

2.2 连续性方程求解

通过分离变量法求解瞬态连续性方程（公式1），其中磁场沿z轴（B?=B·z?）作用。稳态解（公式9）包含修正贝塞尔函数I₀，瞬态解（公式12）则引入一阶贝塞尔函数J₀。关键参数包括：

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  磁场修正系数θ=√[1+(μ_n(T)B)²]

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  有效扩散长度L^*=L/√[1+(μB)²]

3 结果与讨论

3.1 磁场效应

在r=30 μm处，磁场从1×10^?4 T增至10^?2 T时，电子密度提升106%（图2）。洛伦兹力使电子沿螺旋轨迹运动，在r=b_o处形成局部密度峰（图3）。超过2×10^?3 T后，复合增强导致密度饱和。

3.2 温度效应

温度升高通过降低迁移率促使载流子积累（图4）。300K时，基区中心（r=0）电子密度达1.55×10¹⁵ cm^?3，但轴向热运动加剧导致复合损失。

3.3 协同效应

在5.6×10^?4–1.3×10^?3 T区间，磁场主导作用使载流子密度对温度变化不敏感（图5）。这种非线性耦合为器件优化提供了特定工作区间。

4 结论

研究揭示了磁场与温度通过调控载流子输运路径（洛伦兹力）和热力学参数（迁移率）影响电池性能的机制。未来需通过霍尔效应实验验证模型，并纳入表面复合等实际因素。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献结论；专业术语如SCR（空间电荷区）、AM 1.5（标准太阳光谱）等均按原文格式标注；数学符号如μ_n、10^?3等保留标准表达）