第3章 太阳能电池的特性-2

其他效应 光强效应
聚光对太阳能电池的伏安特性的影响
&3.4.2
其他效应 光强效应
聚光太阳能电池
聚光太阳能电池是一种在光强大于一个太阳的光照下工作的太阳能电池。入射太阳
光被聚焦或透过光学器件形成高强度的光束射到小面积的太阳能电池中。
聚光太阳能电池有几个潜在的优势，包括比平板太阳能电池更高的转换效率和更低
低光强
在光强变低时，并联电阻对电池的影响将慢慢变大。因为通过电池的前置 偏压和电流会随着光的强度的减小而减小，而电池的等效电阻也将开始接 近并联电阻的大小，分流到并联电阻的电流将增加，即增加了能量损失。 在多云的天气下，并联电阻高的电池比并联电阻低的电池保留更大部分的 电流。
&3.5.1太阳能电池的测量
世界上有几个实验室专门从事对太阳能电池的测量，只有从这些实验室测量 出的结果才能被认为是官方的结果。
而非正规的测量将使用控制精度较低的光源，并利用参考电池来校对光源。
所谓参考电池，即电气性能和光学性能都尽可能与与被测电池相近，并且已
经在标准光源下测试过的太阳能电池。电气性能和光学性能的相近能保证两个
太阳能电池发电效率的方程： Pmax=VocIscFF =Pmax/Pin =VocIscFF /Pin
电阻效应 太阳能电池的特征电阻
&3.3.1
太阳能电池的特征电阻：电池在输出最大功率时的输出电阻。 如果外接负载的电阻大小等于电池本身的输出电阻，那么电池输
出的功率达到最大，即工作在最大功率点。此参数在分析电池特
nkT ISC ln VOC nkT ln ln I q q O
式中代表入射光的强度
&3.4.2
其他效应 光强效应
聚光太阳能电池系统的成本比功率相同的平板太阳能电池系统要低。 聚光电池的效率优势可能会因串联电阻的增加而有所下降，因为短路电流 成线性增加，同时电池的温度也迅速上升。 由短路电流引起的损失的大小与电流的平方成正比，则串联电阻造成的能 量损失大小与光强的平方成正比。
通常用多少个太阳来形容光强，比如一个太阳就相当于AM1.5大气质量下
的标准光强，即1KW/m2.如果太阳能电池在功率为10KW/m2的光照下工作， 也可以说是在10个太阳下工作，或10X。
被设计在一个太阳下工作的电池板叫“平板电池”，而那些使用聚光器的
电池叫“聚光太阳能电池”。
&3.4.2
3 Eg kT
π kT * 2 2 n i 4 2 me m h

3 * 2 h
e
BT e
-Eg 3 kT
&3.4.2
其他效应 光强效应
改变入射光的强度将改变所有太阳能电池的参数，包括短路电流、开路电
压、填充因子FF、转换效率以及并联电阻和串联电阻对电池的影响。
而不是糟糕的电池设计。 小的并联电阻以分流的形式造成功率损失。此电流转移不仅减小 了流经pn结的电流大小，同时还减小了电池的电压。 在光强很低的情况下，并联电阻对电池的影响最大，因为此时电 池的电流很小。
通过测量伏安曲线在接近短路电流处的斜率可以估算出电池内并联电 阻的值。
并联电阻对电池的影响
太阳能电池中，引起串联电阻的因素有三种： 第一，穿过电池发射区和基区的电流流动； 第二，金属电极与硅之间的接触电阻； 第三便是顶部和背部的金属电阻。串联电阻对电池的主要影响
是减小填充因子，此外，当阻值过大时还会减小短路电流。
串联电阻对伏安曲线的影响
&3.3.5
电阻效应 并联电阻
并联电阻RSH造成的显著的功率损失通常是由于制造缺陷引起的，
&3.2.5
太阳能电池的参数 效率
发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。 效率的定义为电池输出的电能与射入电池的光能的比例。
除了反映太阳能电池的性能之外，效率还决定于入射光的光谱和
光强以及电池本身的温度。 在比较两块电池的性能时，必须严格控制其所处的环境。测量陆 地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度25°C。而空间太阳能电池 的光照则为AM0。
&3.3.6电阻效应
串联电阻和并联电阻的共同影响
当并联电阻和串联电阻同时存在时，太阳能电池的电流与电 压的关系为：
qV IR s V IR s I I L I O exp R SH nkT
电池的等效电路图
&3.4.1
其它效应 温度效应
电池的光谱响应能很好的匹配。
&3.5.1太阳能电池的测量
如果参考电池的输出电流被设置成在标准光源下的测量电流，
那么被测电池的输出电流将与在标准AM1.5光谱下的测量结果 大小相当。
除了仔细调整光源外，还需要精确测量系统中其它几个的特征。
四点探针是用来消除测试线中的串联电阻，和探头-电池之间
的接触电阻的影响的器材。
此外，被测电池经冷却使温度保持在25 0C。
太阳能电池对温度很敏感，温度的升高降低了半导体禁带宽度。 可以把半导体的禁带宽度随温度的升高而下降，看成是材料中的
电子能量的提高，破坏共价键所需的能量更低。在半导体禁带宽 度的共价键模型中，价键能量的降低意味着禁带宽度的下降。
受温度影响最大的参数是开路电压。
&3.4.1
其它效应 温度效应
测量太阳能电池性能最常用最基本的方式是，在精确控制的光源照射下测量电 池的伏安曲线，并严格控制电池的温度。下图展示了测量伏安曲线的装置。
光源由计算 机Leabharlann Baidu制
&3.5.1太阳能电池的测量
因为太阳能电池对光强和温度都很敏感，所以测试条件都需要仔细控制。
对于光源，光谱和光强这两个数据都要知道，要控制在标准AM1.5光谱上。
开路电压随着温度升高而减小，因为饱和电流Io与温度的关系
Dn i2 I o qA LND
式中，q为一个电子的电荷量；D为硅材料中少数载流子的扩散率；L为少数载流 子的扩散长度；ND为掺杂率；ni为硅的本征载流子浓度。 影响最大的是本征载流子浓度ni，本征载流子浓度决定于禁带宽度（禁带宽度越 低本征载流子浓度越高），关于本征载流子的方程为
的成本。电池的短路电流大小与光的强度成线性关系，这种改变并没有带来转换效 率的提升，因为入射功率也随光强呈线性提高。
由于开路电压与短路电流呈对数关系，转换效率得以提升。因此，在聚光条件下，
VOC随着光强上升呈对数形式增加，如下面式子所示：
nkT ISC V' OC ln I q O
性，特别是研究寄生电阻损失机制时非常重要。
&3.3.2
电阻效应-寄生电阻效应
电池的电阻效应以在电阻上消耗能量的形式降低了电池的发
电效率。
最常见的寄生电阻为串联电阻和并联电阻。从下面的电池模
拟等效电路便可看出串联和并联电阻。
寄生电阻对电池的最主要影响便是减小填充因子。
&3.3.4
电阻效应 串联电阻