填充因子FF

FF

7.4.6 光-电能量转换效率η

太阳能电池最重要的和综合性的特性参数是光-电能量转换效率，经常简称为效率，用符号η表示，它的值是太阳能电池最大输出电功率与入射光功率之比，即：

in

oc sc in m m in m P FF V I P V I P P ===

η (7.14)

式中，P in 是在整个太阳能电池正面光入射面积的总入射光功率；P m 是太阳能电池最大输出电功率，I m 和V m 就是对应于P m 时的电流和电压，即P m =I m ⨯V m ；I sc 是短路电流；V oc 是开路电压；FF 是填充因子。对于地面上应用，标准测试条件是光谱AM1.5G ，入射光功率100mW/cm 2，温度25o C 。

从上式可知道，三个参数I sc ，V oc 和FF ，能决定电池的效率η。

影响电池性能V oc ，I sc ，FF 的因素:

V oc : 硅(Si)基片性质(晶向,p 型/n 型,电阻率,少子寿命等),p/n 结掺杂浓度,

电池结构形式,并联电阻等;

I sc : 硅基片性质(少子寿命等),表面反射,光陷作用, 硅片对光不全吸

收,p/n 结对载流子不全收集和收集面积等;

FF: 硅(Si)基片性质(电阻率,少子寿命等),电池结构, 电极接触, 串联电

阻，并联电阻等.

为了获得高效率，这三个参数应尽可能高。这就意味着

(1)要获得较高的短路电流I sc 。太阳能电池有源材料和太阳能电池结构应在紫外光，可见光和近红外光的光谱范围上，有较高，较宽和较平坦的光谱响应，内量子效率应接近于1。

(2)要获得较高的开路电压V oc 。太阳能电池内部必需正向暗电流I o 较低而并联电阻R sh 较高。

(3)要获得较高的填充因子FF 。太阳能电池必需正向暗电流I o 较低，理想因子“n ”接近于1，串联电阻R s 必需较低(1cm 2的太阳能电池面积应该R s <1Ω)，而并联电阻R sh 必须较高(>104Ω.cm 2)。

7.4.5 填充因子FF

填充因子，FF ，是太阳能电池品质(串联电阻和并联电阻)的量度。填充因子FF 定义为实际的最大输出功率除以理想目标的输出功率(I sc ⨯V oc )，

即 oc

sc m

m V I V I FF =

(7.10) 因而

FF I V P sc oc m =

(7.11)

理想情况下，FF 只是开路电压V oc 的函数，可用下面的近似经验公式计算：

1

)

72.0ln(++-=

oc oc oc FF υυυ

(7.12)

这里的FF, 事实上就是实际应用的FF o 。式中，υoc 定义为归一化开路电压，

oc oc V nkT

q

=

υ

(7.13)

上式只适用于理想情况下，即没有寄生电阻损失的情况。数值可精确到四位数字。

由式(7.10)可见，FF 是太阳能电池I -V 特性曲线内所含最大功率面积与开路短路相应的矩形面积(理想形状)比较的量度。很清楚，FF 应尽可能接近于1(即100%)，但指数函数的p-n 结特性会阻止它达到1 。FF 越大，太阳能电池的质量越高。FF 的典型值通常处于60~85%，并由太阳能电池的材料和器件结构决定。

我们假定I sc, V oc 保持恒定, 研究填充因子FF(实际上是R s , R sh )对效率η

的影响.

图2 填充因子FF 是面积之比。实际上是在有光照的I－V曲线

内最大矩形面积(I mp×V mp)相对于理想情况下矩形面积(Isc ×

Voc)的测量。

为了获得高的开路电压V oc, 电池必须有低的暗电流I o, 高的并联电阻R sh; 为了获得高的短路电流I sc(光电流), 电池材料和结构应该在紫光,可见光和近红外光谱范围有高的, 宽的和平坦的光谱响应, 内量子效率接近于1; 为了获得高的填充因子FF, 电池必须有低的暗电流I o, 理想因子”n ”接近于1, 串联电阻必须很低(< 1 Ω·cm2),并联电阻R sh必须大(> 6

我们假定I sc, V oc保持恒定, 研究填充因子FF(实际上是R s, R sh)对效率η的影响.

图2 填充因子FF 是面积之比。实际上是在有光照的I－V曲线

内最大矩形面积(I mp×V mp)相对于理想情况下矩形面积(Isc ×

Voc)的测量。

为了获得高的开路电压V oc, 电池必须有低的暗电流I o, 高的并联电阻R sh; 为了获得高的短路电流I sc(光电流), 电池材料和结构应该在紫光,可见光和近红外光谱范围有高的, 宽的和平坦的光谱响应, 内量子效率接近于1; 为了获得高的填充因子FF, 电池必须有低的暗电流I o, 理想因子”n ”接近于1, 串联电阻必须很低(< 1 Ω·cm2),并联电阻R sh必须大(> 20Ω·cm2).

0Ω·cm2).

7.7.5 填充因子FF随温度升高而减少

填充因子FF随着温度升高而减少。对硅(Si) 太阳能电池可表示为：

C T

dT dV V dT dFF FF o oc oc /0015.06/]1

1[1-≈-≈

(7.22)

意思是温度每升高1o C ，填充因子FF 的值会降低0.0015FF 。

太阳能电池总是有寄生串联电阻R s 和寄生并联电阻R sh 的，这两种电阻都会把填充因子FF 和输出功率降低，也就是降低太阳能电池的效率。

7.8.1 寄生串联电阻

串联电阻R s 的组成，主要是：

(1)半导体内部的体电阻；

(2)电极用的金属与半导体表面层之间的接触电阻； (3)电极用的金属本身的电阻；

(4)器件内部和外部线路互相连接的引线接触电阻。

图7.14给出了 太阳能电池I -V 特性随着寄生串联电阻R s 变化的曲线变化。

图7.14 随着串联电阻而变化的I -V 特性曲线。串联电阻的增大使最大输出功率减少，

因此太阳能电池效率降低。

因为填充因子FF 决定着太阳能电池的输出功率水平，而最大输出功

率P m 与串联电阻R s 相关，可近似表示为：