填充因子FF

FF

7.4.6 光-电能量转换效率

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：

P I V I V FF m m m sc oc

(7.14)

= = =

P P P in in in

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/cm2，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。

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(1cm2的太阳能电池

面积应该 R s1)，而并联电阻 R sh 必须较高(104.cm2)。

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)，

(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：

(7.12)

这里的FF, 事实上就是实际应用的FF o 。式中，

oc 定义为归一化开路电压，

= q V oc oc

nkT

(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。 (7.10)

因而

FF = I m V

m I sc V oc

P m = V oc I sc FF

oc - ln(oc + 0.72)

oc +

1

oc

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：

[V 1oc d d V T oc -T 1]/6-0.0015/o C (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：

1 dFF

FF dT