3.3 太阳能电池效率的极限、损失与测量
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黄淮学院
3.4太阳能电池效率的极限、损失与测量
1
复旦大学
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。
下面我们就来分别考虑开路电压Voc、 短路电流Isc和填充因子FF的最大值。
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。
2015-1-22 3/27
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。
2015-1-22 4/27
一、太阳电池转换效率的理论上限
2
2015-1-22
26/27
作业
4
5
2015-1-22
27/27
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。
5.采用高效廉价光电转换材料；
2015-1-22 25/27
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.当电流受到表1.1中AM1.5入射光照射时，某电池可得到最大短路电流密度 为40 m A/ cm 。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？
2.开路电压Voc的考虑：
• 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：
Eg I 0 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。
影响因素：光强、温度、材料特性 2.开路电压Voc的考虑：
开路电压Voc的最大值，在理想情况下有下式决定： IL kT Voc ln( 1) q I0 式中IL是光生电流，Io是二极管反向饱和电流，其满足：
qDn ni2 qDh ni2 I 0 A( ) N A Ln N D Lh
Eg
• 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。
2015-1-22 6/27
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？
2015-1-22
7/27
一、太阳电池转换效率的理论上限
2.开路电压Voc的考虑：
2015-1-22
8/27
一、太阳电池转换效率的理论上限
电池种类
单晶硅电池 GaAs多结电池 多晶硅电池
转换效率 (%)
24.7±0.5 34.7±1.7 20.3±0.5
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
备注
4 cm2面积 333倍聚光 1.002 cm2面积
InGaP/GaAs
非晶硅电池
30.8±1.0
12.8±0.7
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 2015-1-22 最高效率 20.4 14.53 20.1 17 12 8.57 7 13.6 11.2(单结) 8.6 6.2 10 面积(cm2) 2×2 2×2 1×1 2×2 几个mm2 1×1 3mm2 1×1 几个mm2 10×10 30×30 1 × 1 11/27
2015-1-22 2/27
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
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) Eg (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：
n N C NV e
2 i
kt
显然， Io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。
2015-1-22 5/27
一、太阳电池转换效率的理论上限
二、效率的损失
1、短路电流损失
• (2)栅指电极遮光损失c
• 定义为栅指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4%～15%。
2015-1-22
15/27
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。
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。
2015-1-22
12/27
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 (n 1)2 K 2
例题
Leabharlann Baidu
解：
2015-1-22
20/27
例题
解：
2015-1-22
21/27
例题
解：
2015-1-22
22/27
例题
解：
2015-1-22
23/27
例题
解：
2015-1-22
24/27
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：
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。
2015-1-22
18/27
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
2
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10-21 A / cm 。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。
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。
2015-1-22
9/27
世界主要太阳电池新纪录
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.电极低接触电阻和集成受光技术，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结的结深和漏电；
2015-1-22
28/27
间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。
2015-1-22 16/27
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，上一章中曾学到，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。
2015-1-22
17/27
二、效率的损失
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。
2015-1-22 13/27
二、效率的损失
1、短路电流损失
硅折射率的实部n与虚 部k与光子能量的关系
电池厚度对Isc的影响
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%。 2015-1-22 14/27
日本能源公司
美国USSC公司
4 cm2面积
0.27 cm2面积
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
2015-1-22
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
（ 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 nkt q
Rsh Rch
oc 0.7 FF0 填充因子近似为: FF FF0 1 oc rsh
2015-1-22 19/27
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
10/27
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
中国太阳电池实验室最高效率
3.4太阳能电池效率的极限、损失与测量
1
复旦大学
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。
下面我们就来分别考虑开路电压Voc、 短路电流Isc和填充因子FF的最大值。
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。
2015-1-22 3/27
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。
2015-1-22 4/27
一、太阳电池转换效率的理论上限
2
2015-1-22
26/27
作业
4
5
2015-1-22
27/27
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。
5.采用高效廉价光电转换材料；
2015-1-22 25/27
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.当电流受到表1.1中AM1.5入射光照射时，某电池可得到最大短路电流密度 为40 m A/ cm 。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？
2.开路电压Voc的考虑：
• 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：
Eg I 0 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。
影响因素：光强、温度、材料特性 2.开路电压Voc的考虑：
开路电压Voc的最大值，在理想情况下有下式决定： IL kT Voc ln( 1) q I0 式中IL是光生电流，Io是二极管反向饱和电流，其满足：
qDn ni2 qDh ni2 I 0 A( ) N A Ln N D Lh
Eg
• 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。
2015-1-22 6/27
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？
2015-1-22
7/27
一、太阳电池转换效率的理论上限
2.开路电压Voc的考虑：
2015-1-22
8/27
一、太阳电池转换效率的理论上限
电池种类
单晶硅电池 GaAs多结电池 多晶硅电池
转换效率 (%)
24.7±0.5 34.7±1.7 20.3±0.5
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
备注
4 cm2面积 333倍聚光 1.002 cm2面积
InGaP/GaAs
非晶硅电池
30.8±1.0
12.8±0.7
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 2015-1-22 最高效率 20.4 14.53 20.1 17 12 8.57 7 13.6 11.2(单结) 8.6 6.2 10 面积(cm2) 2×2 2×2 1×1 2×2 几个mm2 1×1 3mm2 1×1 几个mm2 10×10 30×30 1 × 1 11/27
2015-1-22 2/27
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
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) Eg (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：
n N C NV e
2 i
kt
显然， Io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。
2015-1-22 5/27
一、太阳电池转换效率的理论上限
二、效率的损失
1、短路电流损失
• (2)栅指电极遮光损失c
• 定义为栅指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4%～15%。
2015-1-22
15/27
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。
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。
2015-1-22
12/27
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 (n 1)2 K 2
例题
Leabharlann Baidu
解：
2015-1-22
20/27
例题
解：
2015-1-22
21/27
例题
解：
2015-1-22
22/27
例题
解：
2015-1-22
23/27
例题
解：
2015-1-22
24/27
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：
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。
2015-1-22
18/27
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
2
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10-21 A / cm 。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。
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。
2015-1-22
9/27
世界主要太阳电池新纪录
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.电极低接触电阻和集成受光技术，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结的结深和漏电；
2015-1-22
28/27
间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。
2015-1-22 16/27
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，上一章中曾学到，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。
2015-1-22
17/27
二、效率的损失
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。
2015-1-22 13/27
二、效率的损失
1、短路电流损失
硅折射率的实部n与虚 部k与光子能量的关系
电池厚度对Isc的影响
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%。 2015-1-22 14/27
日本能源公司
美国USSC公司
4 cm2面积
0.27 cm2面积
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
2015-1-22
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
（ 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 nkt q
Rsh Rch
oc 0.7 FF0 填充因子近似为: FF FF0 1 oc rsh
2015-1-22 19/27
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
10/27
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
中国太阳电池实验室最高效率