太阳能电池效率极限PPT
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几率就比较大。
1.2 光照的影响
在无光照的情况下，描述二极管电流I和电压V间 函数关系的特征曲线（I-V曲线）为：
I
qV I0[exp( nkT
)
1]
光线的照射对太阳电池的作用，可以认为是在原
有于是的二二极极管管I 公暗式I电0[变流ex为基p：(础nqk之VT上) 叠1加] 了I一L 个电流增量，
这两个参数为太阳能电池应用的材料提出参考。
如果没有一个使电子定向移动的方法，半导体就 无法输出能量。因此，一个功能完善的太阳能电 池，通常需要增加一个整流P-N结来实现。
1.2照光射到照电的池上影的响光可呈现多种不同的情形。为了使太
阳能电池的能量转换效率最大化，必须设计使之得到 最大的直接吸收以及反射后的吸收。
1-顶电极上的反射与吸收；2-在电池表面的反射；3-可用的吸收； 4-电池底部的反射（仅对吸收较弱的光线有效）；5-反射后的吸收； 6-背电极处的吸收
在P-N结电场E的作用下，电子受力向N型一侧移动，空 穴受力向P型一侧移动。短路时，在外电路产生光电流。
理想短路情况下P-N结区域电子与空穴的流动（电子、空穴产生、定向移 动、被收集、外电路流动）
represent power loss mechanisms inside the cell.
RS = 0 ISC
RSH =
RLOAD
The ideal solar cell would have no internal losses at all! What would the VI characteristic of THIS cell look like?
单位体积内电子-空穴对的产生率可用下式表示：
G Nex
N为光子的流量（每秒流过单位面积的光子数 α量物）理意，义α是吸收系数，x是到表面的距离。
α相当于某波长的光在媒质中传播1/α距离时能量减弱到 原来能量的1/e。一般用吸收系数的倒数1/α来表征该波 长的光在材料中的透入深度。
1.1 光的吸收与载流子复合
Question #2:
I=0
R=
+
_
V = VOC
RS , RSH
RSH ISC
The slopes of these lines are
characteristic resistances.
RS
VOC
RS ISC
Cell RSH
RLOAD
Cell Equivalent circuit for a solar cell with load. Internal resistances RS and RSH
太阳能电池 工作原理、技术和系统应用
作者：马丁.格林
第 四讲 效率极限
2
复习
1 太阳能发电原理和影响因素
1.1 光的吸收与载流子复合 1.2 光照的影响 1.3 光谱响应 1.4 温度的影响 1.5 寄生电阻的影响
1.1当光光照的射吸到半收导与体载材料流时子，复拥有合比禁带宽（Eg）还小
的能量（Eph）的光子与半导体的相互左右极弱，于 是顺利地穿透半导体，就如半导体是透明的一样。 然而，能量比带隙能量大的光子（Egh>Eg）会与形成 共价键的电子相作用，用它自身所具有的能量去破坏 共价键，形成可以自有流动的电子-空穴对。
为便于讨论，太阳电池的I-V特性曲线通常被上下 翻转，将输出曲线置于第一象限，并用下式表示：
I
IL
I
0
[exp(
qV nkT
)
1]
The VI characteristic of a solar cell is usually displayed like this: I
V
V I
The coordinate system is flipped around the voltage axis.
电压电流 方向？
光的照射对P-N结电流-电压间函数特性的影响
I
I
Power Dissipating
Region
V
Power Dissipating
Region
Dark Characteristic
Light Characteristic
V
Power Generating
Region
光照能使电池的I-V曲线向下平移到第四象限，于 是二极管的电能可以被获取。
照电强流度为的零增时加，V成O电C 对池 数输nkq方出T 式的ln增(最II长L0大。电1)压。Voc的值随辐
I
IL
I0
[exp(
qV nkT
)
1]
Question #1:
ຫໍສະໝຸດ Baidu
I = ISC R=0
Does it surprise you that the current at short circuit is not infinite? Or that a current can flow with no voltage? Where does the energy originate?
当光源被关掉后，系统势必会回到一个平衡状态。 在没有外界能量来源的情况下，电子和空穴会无 规则运动直到他们相遇并复合。
任何表面或内部的缺陷、杂质都会促进复合的产 生。
材料的载流子寿命可以定义为电子空穴对从产生 到复合的平均存在时间。对于硅，典型的载流子 寿命约为1μs。
类似的，载流子的扩散长度就是载流子从产生到 复合所能移动的平均距离。对于硅，扩散长度一 般是100~300μm。
尽管如此，一部分电子和空穴在被收集之前就已 经消失了。
电子空穴对复合的一些可能模式，以及未复合的载流子被收集的情况
总体来说，在P-N结越近的地方产生的电子空穴对 越容易被收集。当V=0时，那些被收集的载流子 将会产生一定大小的电流。如果电子空穴对在P-N 结附近小于一个扩散长度的范围内产生，收集的
导带
Eg (禁带宽)
价带
光照时电子-空穴对的产生
光子的能量越高，被吸收的位置就越接近半导体表面， 较低能量的光子则在距半导体表面较深处被吸收。
光的能量与电子-空穴对产生的位置间的联系
Resource Characteristics ——地面附近太阳辐射光谱图
The absorption depths of silicon
用于衡量在一定照射强度、工作温度以及面积条 件下，太阳能电池电力输出的两个主要制约参数 为：
短路电流（Isc， Short circuit current ）
当电压为零时电池输出的最大电流，Isc=IL。Isc 与所接受到的光照强度成正比。
开路电压（Voc， Open circuit voltage ）
1.2 光照的影响
在无光照的情况下，描述二极管电流I和电压V间 函数关系的特征曲线（I-V曲线）为：
I
qV I0[exp( nkT
)
1]
光线的照射对太阳电池的作用，可以认为是在原
有于是的二二极极管管I 公暗式I电0[变流ex为基p：(础nqk之VT上) 叠1加] 了I一L 个电流增量，
这两个参数为太阳能电池应用的材料提出参考。
如果没有一个使电子定向移动的方法，半导体就 无法输出能量。因此，一个功能完善的太阳能电 池，通常需要增加一个整流P-N结来实现。
1.2照光射到照电的池上影的响光可呈现多种不同的情形。为了使太
阳能电池的能量转换效率最大化，必须设计使之得到 最大的直接吸收以及反射后的吸收。
1-顶电极上的反射与吸收；2-在电池表面的反射；3-可用的吸收； 4-电池底部的反射（仅对吸收较弱的光线有效）；5-反射后的吸收； 6-背电极处的吸收
在P-N结电场E的作用下，电子受力向N型一侧移动，空 穴受力向P型一侧移动。短路时，在外电路产生光电流。
理想短路情况下P-N结区域电子与空穴的流动（电子、空穴产生、定向移 动、被收集、外电路流动）
represent power loss mechanisms inside the cell.
RS = 0 ISC
RSH =
RLOAD
The ideal solar cell would have no internal losses at all! What would the VI characteristic of THIS cell look like?
单位体积内电子-空穴对的产生率可用下式表示：
G Nex
N为光子的流量（每秒流过单位面积的光子数 α量物）理意，义α是吸收系数，x是到表面的距离。
α相当于某波长的光在媒质中传播1/α距离时能量减弱到 原来能量的1/e。一般用吸收系数的倒数1/α来表征该波 长的光在材料中的透入深度。
1.1 光的吸收与载流子复合
Question #2:
I=0
R=
+
_
V = VOC
RS , RSH
RSH ISC
The slopes of these lines are
characteristic resistances.
RS
VOC
RS ISC
Cell RSH
RLOAD
Cell Equivalent circuit for a solar cell with load. Internal resistances RS and RSH
太阳能电池 工作原理、技术和系统应用
作者：马丁.格林
第 四讲 效率极限
2
复习
1 太阳能发电原理和影响因素
1.1 光的吸收与载流子复合 1.2 光照的影响 1.3 光谱响应 1.4 温度的影响 1.5 寄生电阻的影响
1.1当光光照的射吸到半收导与体载材料流时子，复拥有合比禁带宽（Eg）还小
的能量（Eph）的光子与半导体的相互左右极弱，于 是顺利地穿透半导体，就如半导体是透明的一样。 然而，能量比带隙能量大的光子（Egh>Eg）会与形成 共价键的电子相作用，用它自身所具有的能量去破坏 共价键，形成可以自有流动的电子-空穴对。
为便于讨论，太阳电池的I-V特性曲线通常被上下 翻转，将输出曲线置于第一象限，并用下式表示：
I
IL
I
0
[exp(
qV nkT
)
1]
The VI characteristic of a solar cell is usually displayed like this: I
V
V I
The coordinate system is flipped around the voltage axis.
电压电流 方向？
光的照射对P-N结电流-电压间函数特性的影响
I
I
Power Dissipating
Region
V
Power Dissipating
Region
Dark Characteristic
Light Characteristic
V
Power Generating
Region
光照能使电池的I-V曲线向下平移到第四象限，于 是二极管的电能可以被获取。
照电强流度为的零增时加，V成O电C 对池 数输nkq方出T 式的ln增(最II长L0大。电1)压。Voc的值随辐
I
IL
I0
[exp(
qV nkT
)
1]
Question #1:
ຫໍສະໝຸດ Baidu
I = ISC R=0
Does it surprise you that the current at short circuit is not infinite? Or that a current can flow with no voltage? Where does the energy originate?
当光源被关掉后，系统势必会回到一个平衡状态。 在没有外界能量来源的情况下，电子和空穴会无 规则运动直到他们相遇并复合。
任何表面或内部的缺陷、杂质都会促进复合的产 生。
材料的载流子寿命可以定义为电子空穴对从产生 到复合的平均存在时间。对于硅，典型的载流子 寿命约为1μs。
类似的，载流子的扩散长度就是载流子从产生到 复合所能移动的平均距离。对于硅，扩散长度一 般是100~300μm。
尽管如此，一部分电子和空穴在被收集之前就已 经消失了。
电子空穴对复合的一些可能模式，以及未复合的载流子被收集的情况
总体来说，在P-N结越近的地方产生的电子空穴对 越容易被收集。当V=0时，那些被收集的载流子 将会产生一定大小的电流。如果电子空穴对在P-N 结附近小于一个扩散长度的范围内产生，收集的
导带
Eg (禁带宽)
价带
光照时电子-空穴对的产生
光子的能量越高，被吸收的位置就越接近半导体表面， 较低能量的光子则在距半导体表面较深处被吸收。
光的能量与电子-空穴对产生的位置间的联系
Resource Characteristics ——地面附近太阳辐射光谱图
The absorption depths of silicon
用于衡量在一定照射强度、工作温度以及面积条 件下，太阳能电池电力输出的两个主要制约参数 为：
短路电流（Isc， Short circuit current ）
当电压为零时电池输出的最大电流，Isc=IL。Isc 与所接受到的光照强度成正比。
开路电压（Voc， Open circuit voltage ）