第13讲 太阳能电池性能测试
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N
I 自由电子 空穴
P
Efficiency=6% (AM1.5) Max= 22% 1.2 eV
U A
Company Logo
贝尔实验室，第一块基 于PN结的晶硅电池
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
Jianhua Zhao, M. A. Green, Applied Physics Letters 73,1991-1993(1998)
V>0
Pt/ Ag 电解质
1839年，法国科学家： A.E.Becquerel
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
1873年，Mr. Willoughby Smith在英国“Societyof Telegraph Engineers（电报工程师学会）“第12次常规会议中报告， 在Se固体中观察到光伏效应
三、太阳能电池类型
晶硅电池 III-V化合 物电池 非晶硅 电池 染料敏化太 阳能电池 有机太阳能 电池 Company Logo
3.1 单结电池
三、太阳能电池类型
3.1 单结电池
钙钛矿太 阳能电池
Company Logo
三、太阳能电池类型
3.2 多结电池
多结电池，聚光条件下工作
Company Logo
化石能源（煤、石油、天然气）~86.5% 2012年
一、太阳能电池技术背景
1.1 能源危机
中国与全球能源结构对比
我国以煤炭为主
一、太阳能电池技术背景
1.1 能源危机
100年后，怎么办。。。
化石能源储量有限，尽管储量还没有探明
一、太阳能电池技术背景
1.2 环境污染
电煤燃烧: SO2,NO2
酸雨：建筑腐蚀、 皮肤伤害
思考题
1，如何计算太阳能电池光电能量转换效率？ 2，制约太阳能电池光电转换效率的因素有哪些？
答案可通过邮件提交：姓名-学号-第13讲作业
Company Logo
chzhou@csu.edu.cn
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg
Perovskite solar cell
Company Logo
二、太阳能电池工作原理
太阳光谱
2.1 太阳光谱
AM1.5 AM1.5G
Lawrence, L. Kazmerski, Renewable and Sustainable Energy Reviews,1,71(1997)
I I ph I d I ph I 0 (e
qV nkT
等效电路
1)
理想情况Rs~0，Rsh无穷大
二、太阳能电池工作原理
2.4 伏安特性
伏安特性扫描装置
+
数字源表
-
未知电学器件
数字源表
1，双电极/四电极（并联降低接触电阻） 2，电极在给出电压的同时，读取电流 3，扫描方式：全自动 4，测量电流范围：nA~A
data.dir/2014/04/en140410-4/en140410-4.html(2014)
Efficiency=25.6% (AM1.5) > Area~143.7cm2 Advantages: Passivation on Si base surface by amorphous Si, retarding surface recombination, increasing device performance
三、太阳能电池类型
3.3 发展方向
光电转换 效率高 便于集成 柔性、便携 成本低廉 稳定工作
Company Logo
需要你！！！
Company Logo
四、参考文献与课后习题
参考资料：
M.A. Green, Solar cell efficiency tables (Version 45) Progress in Photovoltaics, 23,1-9(2015)
HOMO
二、太阳能电池工作原理
内建场
P区 N区 P区
2.3 电荷分离 内建场 N区
+
—
+ + +
+ —
— — —
暗态下，多子扩散， 形成内建场
光照下，少子扩散+飘移 形成光生电压、电流
二、太阳能电池工作原理
2.3 电荷分离
内建场，Vbi
P区
N区
P区
N区 N区
暗态下，PN 结形成之前能带图
暗态下，PN 结形成后
Pt
Biblioteka Baidu
Pt
Se: L/5cm~10cm w/0.1cm~0.15cm
测试电阻随光照的变化
Company Logo
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
Willoughby 描述电阻随光照变化的情况 挪开盖板后，由于光线的引入， 导电率增加了15%-100%。 如果用彩色玻璃遮挡光线，由于进光 量的改变，电阻也会变化。
会议简介
主席宣布好消息：有两位会员分别捐款100英镑
Smith, Willoughby, The action of light on selenium (1873).
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
1873年，Mr. Willoughby Smith在英国“Societyof Telegraph Engineers（电报工程师学会）“第12次常规会议中报告， 在Se固体中观察到光伏效应
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
1876年， Adams, W. G. Day, R. E. 在Se 晶体中 观察到光伏效应
Pt
Pt
Se: L/5cm~10cm w/0.1cm~0.15cm
Company Logo
第一次在固体中 看到光伏效应
光照是否产生电流
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
P区
+
N区 N区
二、太阳能电池工作原理
内建场 P区 N区
2.4 伏安特性
+ + +
+ —
— — —
寄生串联 电阻 恒电流源 二极管 等效电路 寄生并联 电阻
光照下，少子扩散+飘移 形成光生电压、电流
二、太阳能电池工作原理
暗态下：
2.4 伏安特性
I d I 0 (e
光照下：
qV nkT
1)
Efficiency=24.4%(AM1.5) > Pre-estimated Max of 22% ~25% of newly estimated Max Area~4cm2
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
Panosonic, http://news.panasonic.com/press/news/official.data/
一、太阳能电池技术背景
1.2 环境污染
PM2.5-环境空气中空 气动力学当量直径小于 等于 2.5 微米的颗粒物。
优：PM2.5 < 35ug/m3
一、太阳能电池技术背景
1.2 环境污染
2011年3月11日, 福岛核危机
生态破坏 生物变异
一、太阳能电池技术背景
1.3 温室效应
一、太阳能电池技术背景
二、太阳能电池工作原理
电子-空穴移动: 削弱内建场，降低Vbi
2.3 电荷分离
内建场
—
电子向N区移动: 提高Efn 空穴向P区移动: 降低Efp
P区
+
N区 N区
光照下，少子运动引起能带移动
二、太阳能电池工作原理
2.3 电荷分离
电子-空穴移动:
开路时：Voc=(Efn-Efp) /q
—
Voc
短路时：短路电流
二、太阳能电池工作原理
2.1 太阳光谱
大气质量常数 AM (air mass)
Lawrence, L. Kazmerski, Renewable and Sustainable Energy Reviews,1,71(1997)
二、太阳能电池工作原理
2.2 光吸收
Ek
导带底
LUMO
Eg
Ef
价带顶
普通金属界面、 PN结、 太阳能电池
Company Logo
二、太阳能电池工作原理
I
2.4 伏安特性
暗态下， 正偏电流
O
光照下， 正偏电流
V
Company Logo
I I ph I 0 (e
qV nkT
1)
二、太阳能电池工作原理
2.5 性能参数
Eff
IV max
Pin
I
第13讲 太阳能电池测试技术
主 讲：周聪华
中南大学物理与电子学院 先进材料超微结构与超快过程研究所 2015-6-16
LOGO
内容提要
一、太阳能电池技术背景 二、太阳能电池工作原理 三、太阳能电池类型 四、参考文献与课后习题
Company Logo
一、太阳能电池技术背景
世界能源结构
1.1 能源危机
1.4 太阳能优越性
取之不尽 用之不竭
绿色、清洁 无污染
一、太阳能电池技术背景
1.4 太阳能优越性
便携性、易获取性 ：潮
Company Logo
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
光伏效应（photovoltaic effect）： 光照下，在器件两端产生电势差（电压）
V=0
Pt/ Ag 电解质
I sc Voc FF Pin
Voc
V
O
FF
Isc
Company Logo
I V max
I sc Voc
P out IV max
三、太阳能电池类型
3.1 硅电池
马丁格林教授： 2004年世界能源技术奖
M.A. Green, Solar cell efficiency tables (Version 45) Company Logo Progress in Photovoltaics, 23,1-9(2015)
D. M. Chapin, C. S. Fuller, and G. L. Pearson, A New Silicon p‐n Junction Photocell for Converting Solar Radiation into Electrical Power, Journal of Applied Physics 255, 676(1954)
Smith, Willoughby, The action of light on selenium (1873).
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
1876年， Adams, W. G. Day, R. E. 在Se 晶体中 观察到光伏效应
W.G. Adams, M.A., et al, The action of light on selenium (1876). http://www.jstor.org/stable/109173?seq=1#page_scan_tab_contents
I 自由电子 空穴
P
Efficiency=6% (AM1.5) Max= 22% 1.2 eV
U A
Company Logo
贝尔实验室，第一块基 于PN结的晶硅电池
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
Jianhua Zhao, M. A. Green, Applied Physics Letters 73,1991-1993(1998)
V>0
Pt/ Ag 电解质
1839年，法国科学家： A.E.Becquerel
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
1873年，Mr. Willoughby Smith在英国“Societyof Telegraph Engineers（电报工程师学会）“第12次常规会议中报告， 在Se固体中观察到光伏效应
三、太阳能电池类型
晶硅电池 III-V化合 物电池 非晶硅 电池 染料敏化太 阳能电池 有机太阳能 电池 Company Logo
3.1 单结电池
三、太阳能电池类型
3.1 单结电池
钙钛矿太 阳能电池
Company Logo
三、太阳能电池类型
3.2 多结电池
多结电池，聚光条件下工作
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化石能源（煤、石油、天然气）~86.5% 2012年
一、太阳能电池技术背景
1.1 能源危机
中国与全球能源结构对比
我国以煤炭为主
一、太阳能电池技术背景
1.1 能源危机
100年后，怎么办。。。
化石能源储量有限，尽管储量还没有探明
一、太阳能电池技术背景
1.2 环境污染
电煤燃烧: SO2,NO2
酸雨：建筑腐蚀、 皮肤伤害
思考题
1，如何计算太阳能电池光电能量转换效率？ 2，制约太阳能电池光电转换效率的因素有哪些？
答案可通过邮件提交：姓名-学号-第13讲作业
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chzhou@csu.edu.cn
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg
Perovskite solar cell
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二、太阳能电池工作原理
太阳光谱
2.1 太阳光谱
AM1.5 AM1.5G
Lawrence, L. Kazmerski, Renewable and Sustainable Energy Reviews,1,71(1997)
I I ph I d I ph I 0 (e
qV nkT
等效电路
1)
理想情况Rs~0，Rsh无穷大
二、太阳能电池工作原理
2.4 伏安特性
伏安特性扫描装置
+
数字源表
-
未知电学器件
数字源表
1，双电极/四电极（并联降低接触电阻） 2，电极在给出电压的同时，读取电流 3，扫描方式：全自动 4，测量电流范围：nA~A
data.dir/2014/04/en140410-4/en140410-4.html(2014)
Efficiency=25.6% (AM1.5) > Area~143.7cm2 Advantages: Passivation on Si base surface by amorphous Si, retarding surface recombination, increasing device performance
三、太阳能电池类型
3.3 发展方向
光电转换 效率高 便于集成 柔性、便携 成本低廉 稳定工作
Company Logo
需要你！！！
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四、参考文献与课后习题
参考资料：
M.A. Green, Solar cell efficiency tables (Version 45) Progress in Photovoltaics, 23,1-9(2015)
HOMO
二、太阳能电池工作原理
内建场
P区 N区 P区
2.3 电荷分离 内建场 N区
+
—
+ + +
+ —
— — —
暗态下，多子扩散， 形成内建场
光照下，少子扩散+飘移 形成光生电压、电流
二、太阳能电池工作原理
2.3 电荷分离
内建场，Vbi
P区
N区
P区
N区 N区
暗态下，PN 结形成之前能带图
暗态下，PN 结形成后
Pt
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Pt
Se: L/5cm~10cm w/0.1cm~0.15cm
测试电阻随光照的变化
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一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
Willoughby 描述电阻随光照变化的情况 挪开盖板后，由于光线的引入， 导电率增加了15%-100%。 如果用彩色玻璃遮挡光线，由于进光 量的改变，电阻也会变化。
会议简介
主席宣布好消息：有两位会员分别捐款100英镑
Smith, Willoughby, The action of light on selenium (1873).
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
1873年，Mr. Willoughby Smith在英国“Societyof Telegraph Engineers（电报工程师学会）“第12次常规会议中报告， 在Se固体中观察到光伏效应
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
1876年， Adams, W. G. Day, R. E. 在Se 晶体中 观察到光伏效应
Pt
Pt
Se: L/5cm~10cm w/0.1cm~0.15cm
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第一次在固体中 看到光伏效应
光照是否产生电流
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
P区
+
N区 N区
二、太阳能电池工作原理
内建场 P区 N区
2.4 伏安特性
+ + +
+ —
— — —
寄生串联 电阻 恒电流源 二极管 等效电路 寄生并联 电阻
光照下，少子扩散+飘移 形成光生电压、电流
二、太阳能电池工作原理
暗态下：
2.4 伏安特性
I d I 0 (e
光照下：
qV nkT
1)
Efficiency=24.4%(AM1.5) > Pre-estimated Max of 22% ~25% of newly estimated Max Area~4cm2
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
Panosonic, http://news.panasonic.com/press/news/official.data/
一、太阳能电池技术背景
1.2 环境污染
PM2.5-环境空气中空 气动力学当量直径小于 等于 2.5 微米的颗粒物。
优：PM2.5 < 35ug/m3
一、太阳能电池技术背景
1.2 环境污染
2011年3月11日, 福岛核危机
生态破坏 生物变异
一、太阳能电池技术背景
1.3 温室效应
一、太阳能电池技术背景
二、太阳能电池工作原理
电子-空穴移动: 削弱内建场，降低Vbi
2.3 电荷分离
内建场
—
电子向N区移动: 提高Efn 空穴向P区移动: 降低Efp
P区
+
N区 N区
光照下，少子运动引起能带移动
二、太阳能电池工作原理
2.3 电荷分离
电子-空穴移动:
开路时：Voc=(Efn-Efp) /q
—
Voc
短路时：短路电流
二、太阳能电池工作原理
2.1 太阳光谱
大气质量常数 AM (air mass)
Lawrence, L. Kazmerski, Renewable and Sustainable Energy Reviews,1,71(1997)
二、太阳能电池工作原理
2.2 光吸收
Ek
导带底
LUMO
Eg
Ef
价带顶
普通金属界面、 PN结、 太阳能电池
Company Logo
二、太阳能电池工作原理
I
2.4 伏安特性
暗态下， 正偏电流
O
光照下， 正偏电流
V
Company Logo
I I ph I 0 (e
qV nkT
1)
二、太阳能电池工作原理
2.5 性能参数
Eff
IV max
Pin
I
第13讲 太阳能电池测试技术
主 讲：周聪华
中南大学物理与电子学院 先进材料超微结构与超快过程研究所 2015-6-16
LOGO
内容提要
一、太阳能电池技术背景 二、太阳能电池工作原理 三、太阳能电池类型 四、参考文献与课后习题
Company Logo
一、太阳能电池技术背景
世界能源结构
1.1 能源危机
1.4 太阳能优越性
取之不尽 用之不竭
绿色、清洁 无污染
一、太阳能电池技术背景
1.4 太阳能优越性
便携性、易获取性 ：潮
Company Logo
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
光伏效应（photovoltaic effect）： 光照下，在器件两端产生电势差（电压）
V=0
Pt/ Ag 电解质
I sc Voc FF Pin
Voc
V
O
FF
Isc
Company Logo
I V max
I sc Voc
P out IV max
三、太阳能电池类型
3.1 硅电池
马丁格林教授： 2004年世界能源技术奖
M.A. Green, Solar cell efficiency tables (Version 45) Company Logo Progress in Photovoltaics, 23,1-9(2015)
D. M. Chapin, C. S. Fuller, and G. L. Pearson, A New Silicon p‐n Junction Photocell for Converting Solar Radiation into Electrical Power, Journal of Applied Physics 255, 676(1954)
Smith, Willoughby, The action of light on selenium (1873).
一、太阳能电池技术背景
1.5 发展历程
1876年， Adams, W. G. Day, R. E. 在Se 晶体中 观察到光伏效应
W.G. Adams, M.A., et al, The action of light on selenium (1876). http://www.jstor.org/stable/109173?seq=1#page_scan_tab_contents