《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-1

4.2 太阳电池的性能表征
太阳电池是恒流源，普通电池是恒压源
4.2 太阳电池的性能表征
黑暗条件下，太阳电池就是一个普通的二极管，具有整流特性， 在正向电压下会产生暗电流，如果太阳电池处于热平衡状态， 暗电流满足肖克莱方程。
所谓暗电流指的是光伏电池在无光照时，由外电压作用下P-N 结内流过的单向电流。
4.1 光生伏特效应
半导体吸收光子产生电子空穴对，电子空穴对在p-n结内建电场 作用下分离，从而在p-n结两端产生电动势。
Electric Field
p-n结是太阳电池的核心
光生载流子形成一个与热平衡结电场方 向相反的电场，使得势垒降低； 光生电流与正向结电流相等时，pn结建 立稳定的电势差，即光生电压
4.1 光生伏特效应
能带的角度
持续光照条件下，大量的光生载流子产生，光生电子和空穴被源源不断 地分别扫到n型和p型一两侧，致使n区和p区费米能级的分裂，若太阳电 池断路，光生电压V即为开路电压Voc。若外电路短路，pn结正向电流为 零，外电路电流为短路电流，理想情况下也就是光电流。
4.1 光生伏特效应
二极管相当于正向偏压，正向偏
压下通过二极管的电流
Jph
Jdark(V) J0(eqV/kBT - 1)
不考虑寄生电阻时
如太阳电池与负载接成通路，通过负载（外电路）的电流为
J(V) Jph - Jdark(V) 与光生电流Jph方向相反。
J

Jph

J
(eqV/kBT
0
- 1)
4.2 太阳电池的性能表征
1 1
修正后的肖克 莱方程（未考 虑寄生电阻）
J(V)

J sc
1


e qV/mK BTa e qVoc /mK BTa
1 1
修正后的肖克
莱方程（考虑 寄生电阻）
J(V) Jsc
J0
e q[V AJ (V ) Rs ] / mkBTa
1
V

AJ (V )Rs ARsh
dP(V dV
)
Baidu Nhomakorabea
0
一阶导数为零，有极值Pm
dP(V ) dV

qVoc/K B Ta
J e sc
- eqVm/KBTa (qVm /kBTa
e 1 qVoc/KBTa
1）

0
得到关于最佳工作电压Vm的方程
Vm

kBTa q
ln

qVm kBTa

1

JI 短路电流
JscIsc JmIm
最大功率 输出点
J Jph J0(eqV/kBT - 1)
1 Rm
pn结短路，则V=0
Jsc=Jph
载流子运动/能带的角度如何理解
电开 压路
V Vm Voc
4.2 太阳电池的性能表征
Voc Isc随光强的变化关系
Isc=Iph=qGA(Lp+W+Ln) Jph
FF Pm Vm I m Voc I sc Voc I sc
4.2 太阳电池的性能表征
太阳电池的光电转换效率η：太阳电池的有效功率输出与 入射光功率之比。表示入射的太阳光能量有多少能够转化 为有效的电能。
(太阳电池功率输出/ 入射光的功率) 100%

Pm Pin
100%

VmI m Pin
Voc
4.2 太阳电池的性能表征
太阳电池最大功率输出
I
太阳电池的伏安（电流I---电压V） 特性曲线是指在一定光照和环境 Isc
温度为300K的条件下，电流和
Im
电压的函数关系。
太阳电池的用途是将太阳光能转 换为电能，往往用功率密度P=IV； 来衡量电能的大小
短路电流
1 Rm
最大功率 输出点Pm
100%

VOC I SC Pin
FF
100%
其中Pin是入射光的能量密度 Vm是最大功率点对应的工作电压 VOC 是开路电压
Im是最大输出点对应的工作电流 ISC是短路电流 FF是填充因子
4.2 太阳电池的性能表征
寄生电阻
实际太阳电池能量的消耗主要在： （1）接触电阻（2）太阳电池边 缘的漏电流。

eqV/K B T eqVoc/K B T
1
1
不考虑寄生电阻的 太阳电池等效电路
伏安特性方程
4.2 太阳电池的性能表征
传输到负载上的功率为：
P(V )

VJ(V)

VJsc 1


eqV/K B Ta eqVoc/K B Ta
1 1
通过令P的导数为零，可得负载上最大功率时的电流电压值
4.1 光生伏特效应
载流子运动的角度
太阳电池工作原理：当太阳光照射到太阳电池上并被吸收时，其中 能量大于禁带宽度Eg的光子能把价带中电子激发到导带上去，形成 自由电子，价带中留下带正电的自由空穴，即电子—空穴对，通常 称它们为光生载流子。自由电子和空穴在不停的运动中扩散到p-n结 的空间电荷区，被该区的内建电场分离，电子被扫到电池的n型一例， 空穴被扫到电池的p型一侧，从而在电池上下两面（两极）分别形成 了正负电荷积累，产生“光生电压”，即“光伏效应”。如果在电 池的两端接上负载，在持续的太阳光照下，就会不断有电流经过负 载。这就是太阳电池的基本工作原理。
J0
V
Jdark(V) J0(eqV/kBTa - 1)
J0

qDeni2 LeN A

qDhni2 LpNd
反向饱和电流J0是pn结在反向电压下、 还没有达到击穿时的电流
4.2 太阳电池的性能表征
太阳电池等效电路
不考虑寄生电阻时 太阳电池=恒流源+二极管
光照下，存在光吸收，产生光电
流Jsc；另一方面，光生电压对于
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太阳电池伏安特性中的电流，是方向
相反的光生电流Jph (Jph=Jsc)和暗电流 Jdark的叠加。
I 暗特性
J(V) Jph - Jdark(V) J Jph J0(eqV/kBT - 1)
O
VOC
Vmp
V
Iph
输出功率
Imp
Isc
伏安特性是光生电流Jph 和暗电流Jdark的叠加
4.2 太阳电池的性能表征
材料带隙
35
30 AM1.5
25
黑体极限AM0
20
15
10 5
0.5
GaAs CU2S Si
AM0 T=300k
CdS
1.0
1.5 2.0 2.5
一般太阳电池最常用的半导体材料的带隙在1～2 eV之间。而在 1.4 eV左右可获得最高的光电转换效率。
4.1 光生伏特效应
理想太阳能电池材料特性
直接带隙半导体，带隙在1.1eV到1.7eV之间 组成的材料无毒性，在地球上丰度高 便于制备，并可大面积、薄膜化生产 有较高的光电转换效率 较好的力学性能，便于加工 性能稳定，耐候性好，具有长期稳定性
4.2 太阳电池的性能表征
寄生电阻
这两种寄生电阻都会减小填充因子，很高的RS和很低的RSH 值会分别导致ISC和VOC降低，
电压
电流
V=Vph-AJRs
J=Jph-Jdark-Jsh
寄生电阻对太阳能电池输出特性的影响
4.2 太阳电池的性能表征
寄生电阻
Rs和Rsh的值可从电池在光照条件 下的J-V曲线得到。具体方法为：
理想的肖 克莱方程
修正后的肖克 莱方程（未考 虑寄生电阻）
Jdark(V) =
理想因子的数值一般在1～2之间。理想因子m反映p-n结中 扩散电流(m=1)与复合电流(m=2)的比例关系
4.2 太阳电池的性能表征
4.2 太阳电池的性能表征
理想的肖 克莱方程
J(V)

J sc
1

e qV/K BTa eqVoc/K BTa
填充因子FF
在伏安特性曲线任一工作点上的输出功 率等于该点所对应的矩形面积，其中只 有一点是输出最大功率，称为最佳工作 点，该点的电压和电流分别称为最佳工 作电压Vm和最佳工作电流Im。
FF表示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。
其效果相当于两种寄生电阻：
（1）串联电阻Rs表示；由引线，前、 背表面接触电阻，基区和顶层电阻 以及材料的电阻。
（2）并联电阻Rsh；由太阳电池边缘 漏电流和太阳电池本身的裂纹、划 痕等形成的金属桥漏电。
4.2 太阳电池的性能表征
寄生电阻
由等效电路可知：
V=Vph-AJRs

J sh

Vsh AR sh
第四章 太阳电池基础
43.1 光生伏特效应 4.2 太阳电池的性能表征 43.3 光生载流子的浓度和电流 4.4 太阳电池的伏安特性 4.5 太阳电池的测试技术 4.6 太阳电池的效率分析
4.1 光生伏特效应
太阳电池基本结构
以晶体硅太阳电池为例。 （1）以p型晶体硅半导体材料为衬底； （2）为了减少光的反射损失，常制作绒面减反结构 （3）采用扩散法在硅衬底上制作重掺杂的n型层 （4）PECVD生长SiO2减反层 （5）在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极 （6）在衬底背面制作金属膜，作为背面欧姆接触电极
J(V) Jsc Jdark Jsh
Vsh V AJRs
J0

J sc eqVoc/k BTa
1
J=Jph-Jdark-Jsh

J(V)

J sc
J0
e q[V AJ (V ) Rs ] / kBTa
1
V

AJ (V )Rs ARsh
考虑了寄生电阻后太阳电池的I-V关系
聚光太阳电池效率
I xI SC I d (V j ) Voc VT ln(xI SC / I0 )
VocVmax pn结势垒消失
VD，与Eg相当 实际的I-V曲线？
4.2 太阳电池的性能表征
Jph
Jsc=Jph
Jph
J0

Jph e 1 qVoc/KBT

J(V)
Jsc 1
I
在J-V曲线的VOC处做曲线的切线， Isc
计算该切线的斜率，斜率的倒数 Im
即为电池的Rs；同样Rsh通过计算 JSC处J-V曲线的斜率，并求其倒
数得到。
Rsh
1 Rm
Rs
V Vm Voc
4.2 太阳电池的性能表征
理想因子
肖克莱方程描述的是理想二极管太阳电池的电流电压关系，二而实 际二极管暗电流Jdark对电压V的依赖较弱，所以采用理想因子来修正 肖克莱方程。
电池能提供的最大电压，与？？？有关， 包括：
载流子运动/能带的角度如何理解
4.2 太阳电池的性能表征
短路电流Isc
如 将 p-n 结 短 路 （ V=0 ） ， 这时所得的电流为短路电 流Isc ， 短 路 电 流 等 于 光 生 电流（与太阳能电池的面积大
小有关，面积越大，Isc 越大）
电池能提供的最大电流，与载流子的产生 与收集有关，包括：
电开 压路
负载R可以从零到无穷大。当负 载Rm使太阳电池的功率输出为最 大时，它对应的最大功率Pm为
Pm I mVm
式中 Im 和 Vm 分别为最佳工作电 流和最佳工作电压。
V Vm Voc
由于电流I与与太阳电池面积A成正比， 所以也常常用电流密度J取代电流I， 来描述伏安特性。J=I/A
4.2 太阳电池的性能表征
开路电压Voc
JI
pn结开路情况下(RL=∞)， 此时pn结两端的电压即为 开路电压Voc（与光谱辐照强度
JscIsc JmIm
有关，与电池面积大小无关，随
温度升高，开路电压下降）
J Jph J0(eqV/kBT - 1)
短路电流
1 Rm
最大功率 输出点
电开 压路
pn结开路，则J=0
Jph
V Vm Voc