【精品课件】太阳能电池的效率和
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
上图还给出AM 1.5的光谱分布，其积分能量为83.5mW／cm2。 作为地面太阳电池测试依据的AM 1.5光谱条件，其光源应 满足上图中AM1.5光谱分布。
太阳电池的理论效率
.. VmIpmpVOC •Isc•FF
Pin
Pin
太阳电池的理论效率由上式决定。当入射太阳光谱AM0或
AMl.5确定之后，其值取决于Isc、Voc和F．F．的最大值。
电阻率(例如对硅单晶片选用 0．2Ω-cm)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。
Voc最大值确定之后，可计算 得到F．F．的最大值。
影响太阳电池效率的一些因素
太阳电池在光电能量转换过程中，由于存在各种 附加的能量损失，实际效率比上述的理论极限 效率低。 下面以pn结硅太阳电池为例, 来阐述各种能量损 失之机理，作为改进太阳电池的设计及工艺， 提高其效率的基础。
在此条件下测试太空用太阳电池效率时， 光源应满足图AMO的光谱分布，总能量为 135.3mW／cm2，电池测试温度为25℃。
AMO光谱的太阳辐射经
过大气层中臭氧、氧
气、水汽、二氧化碳
及悬浮固体微粒(烟
尘、粉等)的吸收、
散射和反射，到达地
面时，光谱分布上出
在晴朗天气的理想条件下，决定 投射于地面的太阳辐射功率的最 重要参数是光穿过大气层通路的 长度。当太阳位于天顶，该长度
(3)透射损失：如果电池厚度不足 够大，某些能量合适能被吸收的 光子可能从电池背面穿出。这决 定了半导体材料之最小厚度。
间接带隙半导体要求材料的厚度比 直接带隙的厚。对于硅和砷化镓的 计算结果示于图中。 光生载流子的定向运动形成光生电
流Iph最大光生电流值为：
Iphmax=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。
太阳电池Isc的上限值与材料Eg的关系
Voc最大值，在理想情况下由下式定：
VOC KqTlnIIp0h1
式中Iph是光生电流，在理想情况下即为图中所对应
的最大短路电流。Io是二极管饱和电流，用下式计算：
I0
A•qLnDN nnAi2
qDpni2 LpND
ni2 NcNv expKEgT
I0
A•qLnDN nnAi2
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%。
Isc最大值的计算考虑：舍去太阳光谱中大于长波限λmax这
部分的光谱。其中长波限满足：
m
ax
1.24 (m)
Eg(eV)
认为其余部分的光子，因其能量hv大于材料禁带宽度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。
太阳电池的光电转换效率
一、太阳辐射光谱 AM0和AMl.5
太阳电池所利用的太阳能来源于太阳辐射。太阳中心 发生的核聚变反应，连续不断地释放出巨大能量，主 要以光辐射形式从太阳表面的发光层向太空辐射。 表面发光层温度约6000K，其辐射光谱与6000K绝对 黑体的连续辐射光谱类似(见图)。
这是许多国家使用高空气球、 高空飞机、人造卫星、宇宙 飞船等对太阳辐射进行大量 测试、综合而得到的公认数 据。与此同时，还确定了满 足太阳常数数值的太阳辐射 度按波长分布表。根据此表 可画出太阳光的光谱分布曲 线。
1．光生电流的光学损失
太阳电池效率损失中，有三种是属于“光学损 失”，其主要影响是降低了光生电流值。 （1）反射损失R(λ)：从空气(或真空)垂直入射 到媒质(如半导体材料)的单色光的反射率：
R (n1)2 k2 (n1)2 k2
式中n为半导体材料复数折射率N之实部，即普通 折射率，k是其虚部，称为消光系数。
考虑上述三种光学损失及材料吸收之后，光生电流可表示为：
I p h 0 H 0 q () 1 ( c ) 1 [ R ()i] () • e ( ) x d x 0 d H 0 q (,G x ) d
G (,x ) () 1 ( c ) 1 [ R ()i] () e ( ) x
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。
现了许多吸收谷，而 且总辐射能至少衰减 掉 30 ％ ( 如 图 7 所 示 ) 。
最短。
任一实际光通路长度与此最短长度
之比称为大气质量，符号记为
AM(Air Mass的缩写)。
太阳在天顶时，地面上 太阳辐射叫大气质量为 1的辐射，记为AMl。当 太阳偏离天顶θ角时， 大气质量由下式给出；
大气质量= 1/cos θ
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
Baidu Nhomakorabea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
太阳电池的理论效率
.. VmIpmpVOC •Isc•FF
Pin
Pin
太阳电池的理论效率由上式决定。当入射太阳光谱AM0或
AMl.5确定之后，其值取决于Isc、Voc和F．F．的最大值。
电阻率(例如对硅单晶片选用 0．2Ω-cm)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。
Voc最大值确定之后，可计算 得到F．F．的最大值。
影响太阳电池效率的一些因素
太阳电池在光电能量转换过程中，由于存在各种 附加的能量损失，实际效率比上述的理论极限 效率低。 下面以pn结硅太阳电池为例, 来阐述各种能量损 失之机理，作为改进太阳电池的设计及工艺， 提高其效率的基础。
在此条件下测试太空用太阳电池效率时， 光源应满足图AMO的光谱分布，总能量为 135.3mW／cm2，电池测试温度为25℃。
AMO光谱的太阳辐射经
过大气层中臭氧、氧
气、水汽、二氧化碳
及悬浮固体微粒(烟
尘、粉等)的吸收、
散射和反射，到达地
面时，光谱分布上出
在晴朗天气的理想条件下，决定 投射于地面的太阳辐射功率的最 重要参数是光穿过大气层通路的 长度。当太阳位于天顶，该长度
(3)透射损失：如果电池厚度不足 够大，某些能量合适能被吸收的 光子可能从电池背面穿出。这决 定了半导体材料之最小厚度。
间接带隙半导体要求材料的厚度比 直接带隙的厚。对于硅和砷化镓的 计算结果示于图中。 光生载流子的定向运动形成光生电
流Iph最大光生电流值为：
Iphmax=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。
太阳电池Isc的上限值与材料Eg的关系
Voc最大值，在理想情况下由下式定：
VOC KqTlnIIp0h1
式中Iph是光生电流，在理想情况下即为图中所对应
的最大短路电流。Io是二极管饱和电流，用下式计算：
I0
A•qLnDN nnAi2
qDpni2 LpND
ni2 NcNv expKEgT
I0
A•qLnDN nnAi2
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%。
Isc最大值的计算考虑：舍去太阳光谱中大于长波限λmax这
部分的光谱。其中长波限满足：
m
ax
1.24 (m)
Eg(eV)
认为其余部分的光子，因其能量hv大于材料禁带宽度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。
太阳电池的光电转换效率
一、太阳辐射光谱 AM0和AMl.5
太阳电池所利用的太阳能来源于太阳辐射。太阳中心 发生的核聚变反应，连续不断地释放出巨大能量，主 要以光辐射形式从太阳表面的发光层向太空辐射。 表面发光层温度约6000K，其辐射光谱与6000K绝对 黑体的连续辐射光谱类似(见图)。
这是许多国家使用高空气球、 高空飞机、人造卫星、宇宙 飞船等对太阳辐射进行大量 测试、综合而得到的公认数 据。与此同时，还确定了满 足太阳常数数值的太阳辐射 度按波长分布表。根据此表 可画出太阳光的光谱分布曲 线。
1．光生电流的光学损失
太阳电池效率损失中，有三种是属于“光学损 失”，其主要影响是降低了光生电流值。 （1）反射损失R(λ)：从空气(或真空)垂直入射 到媒质(如半导体材料)的单色光的反射率：
R (n1)2 k2 (n1)2 k2
式中n为半导体材料复数折射率N之实部，即普通 折射率，k是其虚部，称为消光系数。
考虑上述三种光学损失及材料吸收之后，光生电流可表示为：
I p h 0 H 0 q () 1 ( c ) 1 [ R ()i] () • e ( ) x d x 0 d H 0 q (,G x ) d
G (,x ) () 1 ( c ) 1 [ R ()i] () e ( ) x
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。
现了许多吸收谷，而 且总辐射能至少衰减 掉 30 ％ ( 如 图 7 所 示 ) 。
最短。
任一实际光通路长度与此最短长度
之比称为大气质量，符号记为
AM(Air Mass的缩写)。
太阳在天顶时，地面上 太阳辐射叫大气质量为 1的辐射，记为AMl。当 太阳偏离天顶θ角时， 大气质量由下式给出；
大气质量= 1/cos θ
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
Baidu Nhomakorabea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