太阳能电池效率的极限、损失与测量

研制单位
澳大利亚新南威尔士大学 Spectro lab 德国弗朗霍夫研究所 日本能源公司 美国USSC公司 美国可再生能源实验室 美国可再生能源实验室 德国斯图加特大学 日本钟渊公司 EPFL Spectro lab 美国SunPower公司
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备注
4 cm2面积 333倍聚光 1.002 cm2面积 4 cm2面积 0.27 cm2面积 0.41 cm2面积 1.032 cm2面积 4.017 cm2面积 2微米膜(玻璃衬底) 0.25 cm2面积 175 倍聚光 96倍聚光
kt
显然， Voc取决于Eg、Ln、Lh、NA、ND和绝对温度T的大小， 同时也与光电池结构有关。为了提高Voc，常常采用Eg 大，少子寿命长及低电阻率的材料，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。
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一、太阳电池转换效率的理论上限
2.开路电压Voc的考虑：
（ 填充因子近似为: FF FF 0 1 - rs）
当考虑并联电阻Rsh时： 归一化并联电阻: rsh 归一化的开路电压: oc
Voc kt q
Rsh Rch
oc 0.7 FF0 填充因子近似为: FF FF0 1 r oc sh
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二、效率的损失
2、开路电压损失 决定光生伏特大小的因素，是在耗尽区两边所 堆积的光生非平衡载流子的多少，而非子的多 少和复合速度有关系。 复合率越大，开压越小。
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二、效率的损失
3.填充因子损失
当考虑串联电阻Rs时：
Voc 特征电阻: Rch I sc Rs 归一化串联电阻: rs Rch
我们假设在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳 能电池没有贡献，其中长波限满足：
max
1.24 (um) E g (eV )
而其余部分的光子，因其能量hν大于材料的禁带宽度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。 光生载流子的定向运动形成光生电流IL,最大光生电流值为：
ILmax=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。
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一、太阳电池转换效率的理论上限
1.短路电流Isc的考虑： 在AMO和AM1.5光照射下的最大短路电流值。
当禁带宽度减小时，短路电流密度增加。
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一、太阳电池转换效率的理论上限
• 饱和电流越小开路电压越大，尽可能使饱和电流小。 Eg • 由 2 ni N C N V exp( ) kT • 将高品质电池参数代入，可得：
Is1 Eg 1.5 10 exp( )A / cm 2 kT
5
• 由上式可看到，开路电压随着禁带宽度的减小而减小。 • 而短路电流是随着宽度的减小而增加，那么总存在一 个最佳禁带宽度使效率最大。
2.开路电压Voc的考虑：影响因素：光强、温度、材料特性
开路电压Voc的最大值，在理想情况下有下式决定： I sc kT Voc ln( 1) q I s1 其中：
I s1 qD n n i2 qD h n i2 A( ) N A Ln N D Lh
ni2 NC NV e
E g
2 2
式中n为半导体材料复数折射率之实部，即 普通折射率，k是其虚部，称为消光系数。
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二、效率的损失
1、短路电流损失
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。 一般在太阳能电池表面镀有减反膜，及将表面绒面化。 一般增加减反膜之后，太阳能电池反射减小到10%。 2015-6-26 16/27
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思考题
1.试分析太阳电池最高效率较低的原因。 2.试分析禁带宽度对太阳电池效率的影响。 3.试分析温度对太阳电池效率的影响。 4. 短路电流的损失途径。 5.电池厚度是影响太阳电池的能量转换效率的原因之一， Si和GaAs的最小厚度比较是（ ）需要更大的厚度。
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世界主要太阳电池新纪录
电池种类
单晶硅电池 GaAs多结电池 多晶硅电池 InGaP/GaAs 非晶硅电池 CIGS电池 CdTe电池 多晶硅薄膜电池 纳米硅电池 氧化钛有机纳米电 池 GaInP/GaAs/Ge 背接触聚光硅电池
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转换效率 (%)
24.7±0.5 34.7±1.7 20.3±0.5 30.8±1.0 12.8±0.7 19.5±0.6 16.5±0.5 16.6±0.4 10.1±0.2 11.0±0.5 37.3±1.9 26.8±0.8
中国太阳电池实验室最高效率
单晶硅电池 多晶硅电池 GaAs电池 聚光硅电池 CdS/CuxS电池 CuInSe2电池 CdTe电池 多晶硅薄膜电池 非晶硅电池 二氧化钛纳米有机电池 2015-6-26 面积(cm2) 最高效率 20.4 2 ×2 14.53 2 ×2 20.1 1 ×1 17 2 ×2 12 几个mm2 8.57 1 ×1 7 3mm2 13.6 1 ×1 11.2(单结) 几个mm2 8.6 10×10 6.2 30×30 10 13/27 1 ×1
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作业
1.（a）一个太阳电池受到光强为20mW/cm2，波长为 700nm的单色光的均匀照射。如果电池材料的禁带宽度为 1.4eV，问相应的入射光的光子通量及电池所输出的短路 电流的上限是多少？ （b）如果禁带宽度是2.0eV，那么相应的短路电流上限是 多少？ 2.当电流受到832 W/m2入射光照射时，某电池可得到最大 短路电流密度为40mA/cm2 。如果300K时电池的最大开路 电压为0.5V，问在此温度下电池效率的上限是多少？ 3 一电池受到光强为100mW/cm2的单色光均匀照射。300K时 电池的最小饱和电流密度是10-21A/cm2 。如果单色光的波长 为：（a）450nm, (b)900nm,试分别计算此温度下电池将光转 换为电能的效率极限，假设在每一种情况下电子能量都大于 材料禁带宽度。（c）解释所计算得出的效率之间的差别。
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作业
4. 一只太阳电池具有接近于理想的特性，其理想因子子等于1， 另一只电池的特性主要受耗尽区复合的影响，其理想因子为2。 在300K时，如果这两只电池的开路电压均为0.6V，试比较它们 的理想填充因子。 5. 某太阳能电池， 300K时的开路电压为550mV，短路电流为 2A,理想因子为1.3。求下列各种情况下的填充因子:〔a)串联电 阻为0.08Ω，分流电阻很大；（b）串联电阻可以忽略，分流 电阻为1 Ω；（c）串联电阻为0.08Ω，分流电阻为2 Ω；（d） 串联电阻为0.04Ω，分流电阻为1 Ω。
电池厚度对Isc的影响
间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。
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二、效率的损失
1、短路电流损失
短流损失的另外一个原因是半导体体内 及表面的复合，有效收集区域只在耗尽 区及两侧扩散长度内。 体内其它位置产生的空穴电子对，很难 达到器件输出端。
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例题
解：
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例题
解：
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例题
解：
Fra Baidu bibliotek
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例题
解：
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例题
解：
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提高太阳能电池效率的途经
在硅太阳能电池的制造历史中已经采用过许多措施来提高太 阳能电池的光电转换效率，并且随着能源的不断消耗，高效太 阳能的研究正热火朝天地进行。主要针对： 1.降低光电子的表面复合，如降低表面态等； 2.降低入射光的表面反射，用多种太阳光减反射技术，如沉 积减反层、硅片表面织构技术、局部背表面场技术，最大限度 地减少太阳光在硅表面的反射； 3.电极低接触电阻，如激光刻槽埋栅技术和表面浓度扩散技 术，使电极接触电阻低和增加硅表面受光面积。 4.降低P-N结的结深； 5.采用高效廉价光电转换材料.
黄淮学院
3.4太阳能电池效率的极限、损失与测量
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复旦大学
太阳电池电性能参数
太阳电池的 电性能参数： Isc、Voc Imp Vmp、 Pmax、 Rs、Rsh、 FF
太阳电池电性能参数
短路电流（Isc）： 理想情况下，等于光生电流IL。 影响因素：面积、光强、温度 开路电压（Voc）： 影响因素：光强、温度、材料特性 晶体硅太阳电池 600mV左右 填充因子（FF）： FF=Pm/VOCISC=VmIm/VOCISC 影响因素：串联电阻、并联电阻 转换效率（η）： I V m m Pin
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一、太阳电池转换效率的理论上限
3.填充因子FF的考虑：
在理想情况下，填充因子FF仅是开路电压Voc的 函数，可用以下经验公式表示：
Voc ln(Voc 0.72) FF Voc 1
oc Voc
kt q
这样，当开路电压Voc的最大值确定后，就可计 算得到FF的最大值。
如何进一步提高太阳能电池的转换效 率是当前的研究课题，这也就是所谓 的高效率化技术的开发。
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二、效率的损失
1、短路电流损失 有三种称之为光学的损失,其主要影响是降低了光生 电流值。 (1)硅表面光的反射。由前面学习的“光的吸收” 可知，反射率在空气介质界面：
(n 1) K R 2 2 (n 1) K
二、效率的损失
1、短路电流损失 • (2)栅线电极遮光损失c
• 定义为栅线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5%～15%。
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二、效率的损失
1、短路电流损失 (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。
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一、太阳电池转换效率的理论上限
2.开路电压Voc的考虑： 为什么最高效率比较低？ 另一个主要原因是，即使所产生的载流子被相 当于禁带宽度的电势差所分离，p-n结电池所能 得到的输出电压也仅是这一电势差的一部分。 以硅为例，这个部分的最大值是。 0.7/1.11≈60%。
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一、太阳电池转换效率的理论上限
太阳能电池的理论效率 太阳能电池的理论效率由下式决定：
VOC I SC FF Pin
当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定以后，其值就取决于 开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大值。
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一、太阳电池转换效率的理论上限
1.短路电流Isc的考虑： 影响因素：面积、光强、温度
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一、太阳电池转换效率的理论上限
2.开路电压Voc的考虑： 为什么最高效率比较低？ 最高效率较低的主要原因是由于吸收一个光子， 不管它的能量多么大，最多只能产生一对电子 一空穴对。电子和空穴迅速跳回到带隙边缘， 同时放出声子。即使光子能量比禁带宽度大很 多，实际上所产生的电子和空穴也仅仅相隔一 个禁带宽度。仅这一效应就将限制了就能获得 的最高效率只有约44%。
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