3.3 太阳能电池效率的极限、损失与测量解析

如何进一步提高太阳能电池的转换效 率是当前的研究课题，这也就是所谓 的高效率化技术的开发。
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二、效率的损失
1、短路电流损失
有三种称之为光学的损失,其主要影响是降低了光生 电流值。 (1)硅表面光的反射。由前面学习的“光的吸收” 可知，反射率在空气介质界面：
(n 1) K R (n 1)2 K 2
开路电压Voc的最大值，在理想情况下有下式决定：
影响因素：光强、温度、材料特性 2.开路电压Voc的考虑：
IL kT Voc ln( 1) q I0
式中IL是光生电流，Io是二极管反向饱和电流，其满足：
qDn ni2 qDh ni2 I 0 A( ) N A Ln N D Lh
Eg
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一、太阳电池转换效率的理论上限
2.开路电压Voc的考虑： 为什么最高效率比较低？
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一、太阳电池转换效率的理论上限
2.开路电压Voc的考虑：
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一、太阳电池转换效率的理论上限
3.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：
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。
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一、太阳电池转换效率的理论上限
1.短路电流Isc的考虑： 影响因素：面积、光强、温度
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：
max
1.24 (um) Eg (eV )
而其余部分的光子，因其能量hν 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。 光生载流子的定向运动形成光生电流IL最大光生电流值为：
n N C NV e
2 i
kt
显然， Io取决于Eg、Ln、Lh、NA、ND和绝对温度T的大小， 同时也与光电池结构有关。为了提高Voc，常常采用Eg 大，少子寿命长及低电阻率的材料，代入合适的半导体 参数的数值，给出硅的最大Voc值约700mV左右。
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一、太阳电池转换效率的理论上限
背接触聚光硅电池 26.8±0.8 2018/10/10
中国太阳电池实验室最高效率
单晶硅电池 多晶硅电池 GaAs电池 聚光硅电池 CdS/CuxS电池 CuInSe2电池 CdTe电池 多晶硅薄膜电池 非晶硅电池
二氧化钛纳米有机电池 2018/10/10 最高效率 20.4 14.53 20.1 17 12 8.57 7 13.6 11.2(单结) 8.6 6.2 10 面积(cm2) 2×2 2×2 1×1 2×2 几个mm2 1×1 3mm2 1×1 几个mm2 10×10 30×30 1×1 11/27
研制单位
澳大利亚新南威尔士大学 Spectro lab 德国弗朗霍夫研究所
备注
4 cm2面积 333倍聚光 1.002 cm2面积
InGaP/GaAs
非晶硅电池
30.8±1.0
12.8±0.7
日本能源公司
美国USSC公司
4 cm2面积
0.27 cm2面积
CIGS电池
CdTe电池 多晶硅薄膜电池 纳米硅电池 氧化钛有机纳米电 池 GaInP/GaAs/Ge
Voc ln(Voc 0.72) FF Voc 1
oc Voc
kt q
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。
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世界主要太阳电池新纪录
电池种类
单晶硅电池 GaAs多结电池 多晶硅电池
转换效率 (%)
24.7±0.5 34.7±1.7 20.3±0.5
19.5±0.6
16.5±0.5 16.6±0.4 10.1±0.2 11.0±0.5 37.3±1.9
美国可再生能源实验室
美国可再生能源实验室 德国斯图加特大学 日本钟渊公司 EPFL Spectro lab 美国SunPower公司 10/27
0.41 cm2面积
1.032 cm2面积 4.017 cm2面积 2微米膜(玻璃衬底) 0.25 cm2面积 175 倍聚光 96倍聚光
ILmax=qNph（Eg）
式中Nph(Eg)为每秒钟投射到电池上能量大于Eg的总光子数 。 2018/10/10 3/27
一、太阳电池转换效率的理论上限
1.短路电流Isc的考虑： 在AMO和AM1.5光照射下的最大短路电流值。
当禁带宽度减小时，短路电流密度增加。
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一、太阳电池转换效率的理论上限
2 2
式中n为半导体材料复数折射率之实部，即 普通折射率，k是其虚部，称为消光系数。
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二、效率的损失
1、短路电流损失
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。 一般在太阳能电池表面镀有减反膜，及将表面绒面化。 一般增加减反膜之后，太阳能电池反射减小到 10%。 2018/10/10 14/27
Leabharlann Baidu黄淮学院
3.4太阳能电池效率的极限、损失与测量
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复旦大学
一、太阳电池转换效率的理论上限
太阳能电池的理论效率
太阳能电池的理论效率由下式决定：
VOC I SC FF Pin
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。
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二、效率的损失
1、短路电流损失
2.开路电压Voc的考虑：
• 饱和电流越小开路电压越大，尽可能使饱和电流小。 Eg • 由 2 ni N C N V exp( ) kT • 将高品质电池参数代入，可得：
Eg I 0 1.5 10 exp( )A / cm 2 kT
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• 由上式可看到，开路电压随着禁带宽度的减小而减小。 • 而短路电流是随着宽度的减小而增加，那么总存在一 个最佳禁带宽度使效率最大。