转换效率极限与太阳电池设计原理 26页PPT文档

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第五讲太阳能电池效率极限课件

• 然而，能量比带隙能量大的光子（Egh>Eg）会与形成共价键的电子相作用，用它自身所具有的能量去破坏共价键，形成可以自有流动的电子-空穴对。
导带
Eg (禁带宽)
价带
光照时电子-空穴对的产生
• 光子的能量越高，被吸收的位置就越接近半导体表面，较低能量的光子则在距半导体表面较深处被吸收。
光的能量与电子-空穴对产生的位置间的联系
1.2 光照的影响
• 在无光照的情况下，描述二极管电流I和电压V间函数关系的特征曲线（I-V曲线）为：
I I0[exp(nqkVT)1]
• 光线的照射对太阳电池的作用，可以认为是在原有的二极管暗电流基础之上叠加了一个电流增量，于是二极管公式变为：
II0[exp(nqkVT)1]IL
电压电流方向？
voltage axis.
• 用于衡量在一定照射强度、工作温度以及面积条件下，太阳能电池电力输出的两个主要制约参数为：
• 短路电流（Isc， Short circuit current ）当电压为零时电池输出的最大电流，Isc=IL。Isc与所接受到的光照强度成正比。
• 开路电压（Voc， Open circuit voltage ）电流为零时，电池输出的最大电压。Voc的值随辐照强度的增加成对数方式增长。
Cell
Equivalent circuit for a solar cell with load. Internal resistances RS and RSH represent
power loss mechanisms inside the cell.
RS = 0 ISC
does the energy originate?

【效率管理】晶体硅太阳电池设计转换效率极限

开路电压的极限
低注入
高注入情况薄电池
低注入厚电池
填充因子极限
FF voc Ln(voc 0.72)/(voc 1)
voc VOC /(nKT / q)
俄竭复合：低注入n=1
高注入 n 2 / 3
辐射复合：低注入和高注入 n=1 缺陷复合：低注入n=1
高注入n=2
最大FF极限：高注入薄电池
转换效率极限
• VOC和ISC 随电流厚度的变化趋势相反，所以对于转换效率存在着一个最佳的厚度值：80μm, 28.8%。
Isc的损失
1. 表面反射损失 10% 2. 表面电极遮光损失 5~15% 3. 不能充分吸收光的能量 4. 体内复合 5. 表面复合
VOC的损失
电池内的复合过程（表面、体内、p-n结区）决定了VOC的大小
结区复合:U
np ni2
ho (n n1) eo( p p1)
I I01(eqv/ KT 1) I02 (eqv/ 2KT 1)
VOCH
VOC I SC
Rsh
rs RS / RCH rsh RSH / RCH
FF FF0 (1 rs )
FF

FF0
1
(voc 0.7) voc

FF0 rsh

Suns/Voc 准I-V曲线，准转换效率（Rs=0) Rs:Voc处的斜率 Rsh:Isc处的斜率
太阳电池设计原理
为什么太阳电池的颜色是深蓝色的？为什么需做绒面？为什么要控制好方块电阻？为什么要在电池背面印刷Al浆？正面电极栅线间的间距是如何决定的？为什么有时Rs很大，且通过烧结条件不能改善？

【精品课件】太阳能电池的效率和

太阳辐射经过日-地平均距离(约1.5×108公里)，传播到地球大气层外面，其辐射能面密度已大大降低。
在这个距离上，垂直于太阳辐射方向单位面积上的辐射功率基本上是个常数，称为太阳常数。其数值是1.353kW／m2。
目前世界上许多国家把太阳常数作为计算太空用太阳电池的入射光功率密度的依据，又称AMO光谱条件。
式中(λ)为投射在电池上、波长为λ，单位带宽的光子数；ηi为量子产额，
即一个能量大于带隙Eg的光子产生一对光生电子空穴对的几率，通常可令ηi=1；dx为距电池表面xt处厚度为dx的薄层；H为电池厚度；
G（λ、x）表示由波长为λ、单位带宽的光子射进材料在x处的产生率。
2．光生少子的收集几率fc
在太阳电池内，由于存在少子复合，所产生的每一个光生少数载流子不可能百分之百地被收集起来。
硅折射率的实部n与虚部k与光子能量的关系
电池厚度对Isc的影响
每种材料的n和k都与入射光之波长有关。对硅来说，其关系曲线如图所示。把n、k的结果代入式中，发现在感兴趣的太阳光谱中，超过30%的光能被裸露硅表面反射掉了。
Pn结硅太阳电池的截面图
(2)栅指电极遮光损失c，定义为栅指电极遮光面积在太阳电池总面积中所占的百分比。对一般电池来说，c 约为4%～15%。
qDpni2 LpND
太阳电池光电转换效率
与材料带隙Eg的关系
综合上述结果，作为带隙
Eg的函数所计算的最大光
电转换效率画于图中。
显然 Io 取决于 Eg 、 Ln ， Lp 、 NA 、 ND 和绝对温度 T 之高低，
也与光伏结构有关。
通过分析看出，为提高Voc，常常采用Eg大，少子寿命长及低

太阳能电池原理PPT课件

的电压和电流，At为太阳电池的总面积， Pin为单位面积太阳入射光的功率。
.
55
世界主要太阳电池新记录
.
56
中国太阳电池实验室最高效率
.
57
• 10. 填充因子(曲线因子)
太阳电池的最大功率与开路电压和
短路电流乘积之比，通常用FF(或 CF)表示：
FF = ImVm/ IscVoc • IscVoc是太阳电池的极限输出功率 • ImVm是太阳电池的最大输出功率
.
29
• 在n区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向 p-n 结边界扩散，一旦到达 p-n 结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入p 区，而光生电子（多数载流子）则被留在n区。
.
30
• p区中的光生电子也会向 p-n 结边界扩散，并在到达 p-n 结边界后，同样由于受到内建电场的作用
• 填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数。
.
58
• 11. 电流温度系数
在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化10C ，太阳电池短路电流的变化值，通常用α表示。
• 对于一般晶体硅电池
α= + 0.1%/0C
.
59
• 12. 电压温度系数
在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化10C ，太阳电池开路电
.
4
非晶硅太阳电池
.
5
• 2. 按照结构分类： • 同质结太阳电池 • 异质结太阳电池 • 肖特基结太阳电池 • 复合结太阳电池 • 液结太阳电池等
.
6
• 3. 按照用途分类：
• 空间太阳电池:在人造卫星、宇宙飞船等航天器上应用的太阳电池。由于使用环境特殊，要求太阳电池具有效率高、重量轻、耐辐照等性能。

提高太阳能电池的转换效率方法..31页PPT

，事物有规律，这是不容忽视的。— —爱献生
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德谟克利特 67、今天应做的事没有做，明天再早也是耽误了。——裴斯泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运的，只是一瞬之间。 ——歌德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
提高太阳能电池的转换效率方法..
36、如果我们国家的法律中只有某种神灵，而不是殚精竭虑将神灵揉进宪法，总体上来说，法律就会更好。—— 马克·吐温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之时。— —威·皮物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律是丝毫没有力量的。 ——菲力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们迅速累聚，进而变成法律。 ——朱尼厄斯

《太阳能电池》PPT课件

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6
太阳能电池的原理
• 最基本的原理——光伏效应(Photovoltaic Effect缩写PV)
• 太阳能电池(光伏)材料主要包括：产生光伏效应的半导体材料、薄膜衬底材料、减反射膜材料、电极与导线材料、组件封装材料等。
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7
• 电池的分类单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池薄膜光伏电池
目前对于某一种光电池材料，只是与其对应的光谱段。所以，对单晶硅能量转化的效率的理论极限为 27.8%。太阳光中有大量的低能长波光子，降低了太阳能电池的效率。
提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个因素，对于目前的硅系太能电池，要想再进一步提高转换效率是比较困难的。
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22
新型太阳能电池 ——铁电太阳能电池
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8
单晶硅太阳能电池
• P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。
• 当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在PN结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。
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12
在军事上的应用
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13
在航空领域的应用
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卫星上的太阳能电池
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15
在生活中的应用
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汽车上的太阳能电池
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18
电动玩具上的太阳能电池
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19
在公共设施上的应用
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20
在工农业上的应用

太阳电池的工作原理和基本特性_图文.

第一章太阳电池的工作原理和基本特性1.1 半导体物理基础1.1.1 半导体的性质世界上的物体如果以导电的性能来区分，有的容易导电，有的不容易导电。

容易导电的称为导体，如金、银、铜、铝、铅、锡等各种金属；不容易导电的物体称为绝缘体，常见的有玻璃、橡胶、塑料、石英等等；导电性能介于这两者之间的物体称为半导体，主要有锗、硅、砷化镓、硫化镉等等。

众所周知，原子是由原子核及其周围的电子构成的，一些电子脱离原子核的束缚，能够自由运动时，称为自由电子。

金属之所以容易导电，是因为在金属体内有大量能够自由运动的电子，在电场的作用下，这些电子有规则地沿着电场的相反方向流动，形成了电流。

自由电子的数量越多，或者它们在电场的作用下有规则流动的平均速度越高，电流就越大。

电子流动运载的是电量，我们把这种运载电量的粒子，称为载流子。

在常温下，绝缘体内仅有极少量的自由电子，因此对外不呈现导电性。

半导体内有少量的自由电子，在一些特定条件下才能导电。

半导体可以是元素，如硅（Si）和锗（Ge），也可以是化合物，如硫化镉（OCLS）和砷化镓（GaAs），还可以是合金，如GaxAL1-xAs，其中x为0-1之间的任意数。

许多有机化合物，如蒽也是半导体。

半导体的电阻率较大（约10-5ρ107m），而金属的电阻率则很小（约10-810-6m），绝缘体的电阻率则很大（约ρ108m）。

半导体的电阻率对温度的反应灵敏，例如锗的温度从200C升高到300C，电阻率就要降低一半左右。

金属的电阻率随温度的变化则较小，例如铜的温度每升高1000C，ρ增加40%左右。

电阻率受杂质的影响显著。

金属中含有少量杂质时，看不出电阻率有多大的变化，但在半导体里掺入微量的杂质时，却可以引起电阻率很大的变化，例如在纯硅中掺入百万分之一的硼，硅的电阻率就从2.14103m减小到0.004m左右。

金属的电阻率不受光照影响，但是半导体的电阻率在适当的光线照射下可以发生显著的变化。

提高太阳能电池的转换效率方法经典PPT

她不小的压力。她快速起身，重新加速，在顶着重重压力的情况下成功而顺利地完成了勾手四周。她用行动证实第一条的失误并没有给她带来很大影响。
4.长久性 4.成本高随热烈的鼓掌声响起，特鲁索娃身着一席蓝衣踏上冰面。她双膝着地，双臂平行斜放在身前，垂眼望向自己的手掌，沉静自若，落落
大方，显得端庄而优雅。 15岁的特鲁索娃在本赛季首次升入成年组，因在青年组中四周跳的超强能力受到了各方面的关注。因此首个四周跳摔倒可谓是带给了
太阳能光伏发电
光伏发电装置光伏电池电装置
太阳能发电系统主要包括：太阳能电池组件（阵列）、控制器、蓄电池、逆变器、用户即照明负载等组成
光伏发电装置
光伏电池原理
光伏电池板是光伏发电系统中的核心部分，也是光伏发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。光伏电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
概述—太阳能成果
2007年，中国太阳能热水器产量的增长速度约为30%，年产量达2340万m2，总保有量约为10800万m2。2007年，太阳能热水器市场销售额约为320亿元人民币，产值亿元人民币以上的企业有20多家。太阳能热水器的出口额增长约为28%， 6500万美元左右，产品出口欧洲、美洲、非洲、东南亚等50多个国家和地区
重新起跳旋转三周后落地，紧接着小条滑出。动作行云流水，流畅却不失活泼。她像一只调皮的小鸟刚一落地，就受不了地面的束缚，重新飞上蓝天。
一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空 15岁的特鲁索娃在本赛季首次升入成年组，因在青年组中四周跳的超强能力受到了各方面的关注。因此首个四周跳摔倒可谓是带给了
她不小的压力。她快速起身，重新加速，在顶着重重压力的情况下成功而顺利地完成了勾手四周。她用行动证实第一条的失误并没有

太阳电池的原理及结构文档ppt

3.1.3 硅太阳电池制备及结构
晶体硅太阳能电池是典型的p-n结型太阳电池，它的研究最早、应用最广，是最基本且最重要的太阳电池。
在实际工艺中，一般利用200～500μm厚的掺硼的p型硅材料作为基质材料，通过扩散形成0.25 μm 厚的n型掺杂剂，形成p-n结，通常选用磷作为n型掺杂剂。
p-n结的制备技术：
Al(PO3)3 = AlPO4 + P2O5
2 P2O5+5Si = 5SiO2 + 4P
固态磷扩散法还可以利用丝网印刷、喷涂、旋涂、化学气相沉积等技术，在硅片表面沉积一层磷的化合物，通常是P2O5。
液态磷源扩散可以得到较高的表面浓度，在硅太阳电池工艺中更为常见。通常利用的液态磷源为三氯氧磷，通过保护气体，将磷源携带进入反应系统，在800～ 1000℃硅片磷扩散的磷源，其反应式为：
它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积在Voc和Isc 所组成的矩形面积中所占的百分比。特性好的太阳能电池就是能获得较大功率输出的太阳能电池，也就是Voc， Isc和FF乘积较大的电池。对于有合适效率的电池，该值应在0.70-0.85范围之内。
４.太阳能电池的光电转化效率η
表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。即：
5POCl3 = 3PCl5 + P2O5
2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P
对于晶体硅太阳电池，为使p-n结处有尽量多的光线到达，p-n结的结深要尽量浅，一般为250nm，甚至更浅。磷扩散时，表面会形成磷硅玻璃，影响太阳电池正常工作，需要去除。用稀释的HF中侵蚀。
3.1 太阳能电池的原理及结构
3.1.1 太阳电池原理——光生伏特效应

太阳能电池的等效电路和转化效率理论上限 ppt课件

太阳能电池的I理等s论为效上电饱限路和和转电化效流率
2、pn结太阳能电池的实际等效电路
实际上，pn结太阳能电池存在着Rs和Rsh的影响。其中， Rs 是由材料体电阻、薄层电阻、电极接触电阻及电极本身传导电流的电阻所构成的总串联电阻。 Rsh是在pn结形成的不完全的部分所导致的漏电流，称为旁路电阻或漏电电阻。这样构成的等效电路如右图所示。
理论上限
填充因子FF的考虑：
在理想情况下，填充因子FF仅是开路电压Voc的函数，可用以下经验公式表示：
FF =
Uoc-ln(Uoc+0.72) Uoc+1
Uoc = Biblioteka oc(kT/q)1/2这样，当开路电压Voc的最大值确定后，就可计算得到FF的最大值。
太阳能电池的等效电路和转化效率理论上限
max = 1.24(m)/Eg(eV)
而其余部分的光子，因其能量h大于材料的禁带宽度 Eg，被材料吸收而激发电子-空穴对。假设其量子产额为1 ，而且被激发出的光生少子在最理想的情况下，百分之百地被收集起来。在上述理想的假设下，最大短路电流值显然仅与材料带隙Eg有关，其计算结果如图所示。
太阳能电池的等效电路和转化效率理论上限
当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定以后，其值就取决于开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大值。
下面我们就来分别考虑开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大值。
太阳能电池的等效电路和转化效率理论上限
短路电流Isc的考虑：
我们假设在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳能电池没有贡献，其中长波限满足：
综合上述结果，可得到作为带隙Eg的函数的最大转换效率，其结果示于下图中。

第七章太阳能电池能量转换限制经典太阳电池基础课件

❖ 缺点：间接带隙半导体，吸收弱，所以电池厚度大。
❖ 硅太阳能电池：略
❖ 薄膜太阳能电池：略
7.6 开路电压的温度依赖
VOC
1 e
(e
h )
kT e
ln(
ne nh ni2
)
对温度求导，得到
dVOC
/
dT
k e
ln(
nenh ni2
)
kT 1 [
e ne
dne dT
1 nh
dnh dT
1 ni2
❖ 在最大功率的条件下
d ( jQV ) djQV jQdV 0
❖ 所以，
(
djQ dV
)
(
jQ V
)
mp
❖ 这样，最大功率点发生在连接坐标原点与最大功率点的直线与切线垂直时。
❖ 利用伏安特性曲线，
eV jQ js[exp(kT ) 1] jSC
❖ 得到
djQ dV
js
e kT
exp(eVmp ) kT
dni2 ] T
其中
ni2
NC NV
exp(
G )
kT
dVOC VOC G / e ( 1 dne 1 dnh )
dT
T
ne dT nh dT
❖ 讨论对温度的依赖性：温度的依赖本质上是对第一项的依赖性。对于硅太阳能电池来说，温度每升高一度，开路电压下降
0.3%
7.7 效率的强度依赖
❖ 自学！
FF
eVOC
/(kT)
ln[1
eVOC kT
]
1 eVoc /(kT)
❖ 填充因子在0.8到0.9之间。
❖ 在太阳能电池中，大的短路电流需要电池厚度尽量薄，这样吸收系数才可能最大。