4太阳能电池工作原理及特性参量(第四章)2014光伏原理

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太阳能电池工作原理
n型 电场 p型
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太阳能电池运行的基本步骤


光生载流子的产生
内建电场使光生载流子分离 光生载流子聚集成电流

能量在电路和外接电阻中消耗
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光伏效应

被收集的光生载流子并不是靠其本身来产生电能的。为了产生 电能，必须同时产生电压和电流。在太阳能电池中，电压是由 所谓的“光生伏打效应”过程产生的。pn结对光生载流子的收 集出现电子穿过电场移向n型区，而空穴则移向p型区。在电池 短路的情况下，将不会出现电荷的聚集，载流子都参与了光生 电流的流动。 然而，如果光生载流子被阻止流出电池，那pn结对光生载流子 的收集将引起n型区的电子数目增多，p型区的空穴数目增多。 这样，电荷的分开将在电池两边产生一个与内建电场方向相反 的电场，也因此降低了电池的总电场。因为内建电场代表着对 前置扩散电流的障碍，所以电场减小的同时也增大扩散电流。 穿过pn结的电压将达到新的平衡。流出电池的电流大小就等于 光生电流与扩散电流的差。在电池开路的情况下，pn结的正向 偏压处在一点，此时，光生电流大小等于扩散电流大小，且方 向相反，即总的电流为零。当两个电流达到平衡时的电压称为 “开路电压”。
上述方程还说明了理想因子（也叫n因子）的重要性。理想 因子是描述pn结质量和电池的复合类型的测量量。对于复 合类型那一节所讨论的简单的复合来说，n的值为1.然而对 于其它特别是效应很强的复合类型来说，n的值应该为2.大 的n值不仅会降低填充因子，还会因为高复合效应而降低开 路电压。
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填充因子
短路电流和开路电压分别是太阳能电池能输出的最大电流和最大 电压。然而，当电池输出状态在这两点时，电池的输出功率都为 零。“填充因子”通常简写为“FF”，是由开路电压VOC和短路 电流ISC共同决定的参数，FF决定了太阳能电池的输出效率。填充 因子被定义为电池的最大输出功率与开路VOC和ISC的乘积的比值。 从图形上看，FF就是能够占据IV曲线区域最大的面积。如下图所 示。 输出电流（红线）和功率的 （蓝线）图表。同时标明了电 场的短路电流（ISC）点、开路 电压（Voc）点以及最大功率点 （Vmp， Imp） 。
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尽管理想的量子效率曲线是矩形的（如上图），但是实际上 几乎所有的太阳能电池的都会因为复合效应而减小。影响收 集效率的因素同样影响着量子效率。例如，顶端表面钝化会 影响靠近表面的载流子的生成，而又因为蓝光是在非常靠近 表面处被吸收的，所以顶端表面的高复合效应会强烈地影响 蓝光部分量子效率。相似的，绿光能在电池体内的大部分被 吸收，但是电池内过低的扩散长度将影响收集概率并减小光 谱中绿光部分的量子效率。 硅太阳能电池中，“外部”量子效率包括光的损失，如透射 和反射。然而，测量经反射和透射损失后剩下的光的量子效 率还是非常有用的。”内部“量子效率指的是那些没有被反 射和透射且能够产生可收集的载流子的光的量子效率。通过 测量电池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲线并得到 内部量子效率。
光伏原理及应用
Lecturer: Weifeng Liu 刘维峰
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第四章：太阳能电池的特性
& 4.1理想太阳能电池 & 4.2太阳能电池的参数 & 4.3电阻效应 & 4.4其他效应

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& 4.1理想太阳能电池
太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电的电子器件。入射到电池的太阳光 通过同时产生电流和电压的形式来产生电能。这个过程的发生需要两个条件，首先， 被吸收的光要能在材料中把一个电子激发到高能级，第二，处于高能级的电子能从 电池中移动到外部电路。在外部电路的电子消耗了能量然后回到电池中。许多不同 的材料和工艺都基本上能满足太阳能转化的需求，但实际上，几乎所有的光伏电池 转化过程都是使用组成PN结形式的半导体材料来完成的。
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载流子生成率
G=αN0e-αx
其中N0=表面的光子通量（光子/单位面积.秒）α=吸收系数，x=进入材料的距离。
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吸收深度
下图显示了半导体的吸收深度：
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2014/5/27
生成率是指被光线照射的半导体每一点生成电子的数目。忽 略反射不计，半导体材料吸收的光线的多少决定于吸收系数 （α 单位为cm-1）和半导体的厚度。半导体中每一点中光的 强度可以通过以下的方程计算：
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对于I-V曲线上的每一点，都可取该点上电流与电压的乘 积，以反映此工作情形下的输出电功率。 填充因子（FF，Fill Factor）是衡量电池P-N结的质量以 及串联电阻的参数。 填充因子定义为：

FF
所以：
Vmp Imp Voc I sc
Pmp Voc I sc FF
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电池的伏安曲线
I=I0e-αx
式中α为材料的吸收系数，单位通常为cm-1，x为光入射到 材料的深度，I0为光在材料表面的功率强度。 上述方程可以用来计算太阳能电池中产生的电子空穴对的数 目。假设减少的那部分光线能量全部用来产生电子空穴对， 那么通过测量透射过电池的光线强度便可以算出半导体材料 生成的电子空穴对的数目。因此，对上面的方程进行微分将 得到半导体中任何一点的生成率。即
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收集概率
“收集概率”描述了光照射到电池产生的载流子被pn结收集并参与到电流流 动的概率，大小取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。
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J L q Gx CPx dx
W 0
q
w
0
H e
0
x
d CPx dx
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光生载流子复合
FF=VmpImp/VocIsc
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Vmp
nkT qVmp Voc Ln（Voc 0.72） Voc Ln 1 FF Voc 1 q nkT


电池的开路电压越高，填充因子越大。材料相同的电池，其 开路电压变化较小。例如，在一个AM1.0下，实验室硅太阳 能电池和典型的的商业硅太阳能电池的开路电压之差大约为 120mV，填充因子分别为0.85和0.83。然而，不同材料的电 池，填充因子的差别可能非常大。例如，GaAs太阳能电池 的填充因子能达到0.89. 上述方程中一个重要的限制是，它求出的只是最大填充因子， 然而实际上因为电池中寄生电阻的存在，填充因子的值可能 会更低一些。因此，测量填充因子最常用的方法还是测量伏 安曲线，即最大功率除于开路电压与短路电流的乘积。
短路电流源于光 生载流子的产生 的收集。对于电 阻阻抗最小的理 想太阳能电池来 说，短路电流就 等于光生电流。 因此短路电流是 电池能输出的最 大电流。
短路电流ISC是电池流出的 最大电流，此时穿过电池 的电压为零。 电池产生的电能
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短路电流的大小取决于以下几个因素：



太阳能电池的表面积。要消除太阳能电池对表面积的依 赖，通常需改变短路电流强度（JSC 单位为mA/cm2）而 不是短路电流。 光子的数量（即入射光的强度）。电池输出的短路电流 ISC的大小直接取决于光照强度（在入射光强度一节有讨 论）。 入射光的光谱。测量太阳能电池是通常使用标准的1.5大 气质量光谱。 电池的光学特性（吸收和反射） 电池的收集概率，主要取决于电池表面钝化和基区的少 数载流子寿命。 在比较材料相同的两块太阳能电池时，最重要的参数是 扩散长度和表面钝化。
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对于表面完全钝化和生成率完全相同的电池来说，短路电流方 程近似于：
J =qG(L +L )
SC n p
式中G代表生成率，而Ln和Lp分别为电子和空穴的扩散长度。 尽管此方程以与多数太阳能电池的实际情况不太相符的假设为 前提的，但这并不妨碍我们从这个方程看出，短路电流很大程 度上取决于生成率和扩散长度。 在AM1.5大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电流 为46mA/cm2.实验室测得的数据已经达到42mA/cm2，而商业 用太阳能电池的短路电流在28到35mA/cm2之间。
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& 4.2太阳能电池的参数

短路电流 开路电压

量子效率 载流子生成率 载流子收集概率 光生载流子复合


填充因子wenku.baidu.com
电池的伏安曲线 电池的工作效率





载流子扩散长度

短路电流
短路电流是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流 （或者说电池被短路时的电流）。通常记作ISC。
太阳能电池的伏安曲线
Ec 发射光子
Ev
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俄歇复合
一个俄歇复合过程有三个载流子参与。一个光子与一个空穴复合后，其 释放的能量并不是以热能或光子的形式传播出去，而是把它传给了第三个 载流子，即在导带中的电子。这个电子接收能量后因为热作用最终又回到 导带的边缘。 俄歇复合是重掺杂材料和被加热至高温的材料最主要的复合形式
杂 质 带
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开路电压
开路电压VOC是太阳能电池能输出的最大电压，此时输出电流为零。开路 电压的大小相当于光生电流在电池两边加的前置偏压。下图将描述伏安 曲线中的前置偏压。
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通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路电压 方程：
nkT I L Voc Ln 1 q I O
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电池的工作效率
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。所以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。 近几年的太阳能电池最高效率表将在太阳能电池效率测量结 果一节中展示。 下面式子为计算发电效率的方程：

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辐射复合
辐射复合是LED灯和激光这类的半导体器件的主要复合机制。然而， 对于由硅制成的陆地用太阳能电池来说，辐射复合并不是主要的，因为 硅的禁带并不是直接禁带，它使得电子不能直接从价带跃迁到导带。辐 射复合的几个主要特征是： 在辐射复合中，电子与空穴直接在导带结合并释放一个光子。 释放的光子的能量近似于禁带宽度，所以吸收率很低，大部分能够飞 出半导体。
所有处在导带中的电子都是亚稳定状态的，并最终会 回到价带中更低的能量状态。它必须移回到一个空的价带 能级中，所以，当电子回到价带的同时也有效地消除了一 个空穴。这种过程叫做复合。在单晶半导体材料中，复合 过程大致可以分为三种： 辐射复合 俄歇复合 肖克莱-雷德-霍尔复合（通过复合中心的复合） 表面复合
太阳能电池的伏安曲线是电池二极管在黑暗时的伏安曲线与光生 电流的叠加。光的照射能使伏安曲线移动到第四象限，意味着能 量来自电池。用光照射电池并加上二极管的暗电流，则二极管的 方程变为： qv I I0 式中IL为光生电流 exp nkT 1 IL
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通过复合中心的复合 通过复合中心的辐射也被叫做肖克莱-莱德-霍尔或SRH复 合，它不会发生在完全纯净的、没有缺陷的材料中。SRH复 合过程分为两步： 一个电子（或空穴）被由晶格中的缺陷产生的禁带中的一 个能级所俘获。这些缺陷要么是无意中引入的要么是故意 加入 到材料当中去的，比如往材料中掺杂。 如果在电子被热激发到导带之前，一个空穴（或电子）也 被俘获到同一个能级中，那么复合过程就完成了。 载流子被俘获到禁带中的缺陷能级的概率取决于能级到两 能带（导带和禁带）的距离。因此，如果一个能级被引入到 靠近其中一能带的边缘地区，发生复合的可能性将比较小， 因为电子比较容易被激发到导带去，而不是与从价带移动到 同一个能级的空穴复合。基于这个因素，处在禁带中间的能 级发生复合的概率最大。
Pmax=VocIscFF
η=Pmax/Pin
=VocIscFF /Pin
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量子效率
所谓“量子效率”，即太阳能电池所收集的载流子 的数量与入射光子的数量的比例。量子效率即可以 与波长相对应又可以与光子能量相对应。如果某个 特定波长的所有光子都被吸收，并且其所产生的少 数载流子都能被收集，则这个特定波长的所有光子 的量子效率都是相同的。而能量低于禁带宽度的光 子的量子效率为零。下图将描述理想太阳能电池的 量子效率曲线。 光生电流中电子数 量子效率 = 吸收每个波长的光子数