太阳能电池基本参数的影响因素分析

太阳能电池基本参数的影响因素分析
1.短路电流Isc
2.开路电压Voc
3.最大工作电压Vm
4.最大工作电流Im
5.填充系数FF
6.转换效率η
7.串联电阻Rs
8.并联电阻Rsh
第一、一个理想的光伏电池，因串联的Rs 很小、并联电阻的Rsh 很大，所以进行理想电路计算时，他们都可忽略不计。

所以负载电流满足式(1)，
I = I L -I D =I L -Is[exp(qV/kT)-1] （1）短路电流Isc=I L
I L ——光生电流；I D ——暗电流； I S —— 反响饱和电流；
Rs ——串联电阻;Rsh ——并联电阻 所以根据上式，就会得到右图。

R L
L S
I kT
V ln(1)q I I -=
+(1)L oc
S
I kT V
In q I
=+
第二、但在实际过程中，就要将串联电阻和并联电阻考虑进去，Isc 的方程如下：
当负载被短路时，V=0，并且此时流经二极管的暗电流I D 非常小，可以忽略，上式可变为：
第三、由此可知，短路电流总小于光生电流I L 且Isc 的大小也与Rs
和Rsh 有关。

1.短路电流Isc
当V=0时，Isc=I L 。

I L 为光生电流，正比于光伏电池的面积和入射光的辐照度。

1cm2光伏电池的I L 值均为16~30mA 。

环境温度的升高，I L 值也会略有上升，一般来讲温度每升高1℃，I L 值上升78μA
2.开路电压Voc
开路时，当I=0时，V oc=kT/qln(I L /I S +1) 太阳能电池的光伏电压与入射光辐照度的对数成正比，与环境温度成反比，与电池面积的大小无关。

温度每上升1 ℃，UOC 值约下降2~3mV 。

该值一般用高内阻的直流毫伏计测量。

同时也与暗电流有关。

而对太阳能电池而言，暗电流不仅仅包括反向饱和电流，还包括薄层漏电流和体漏电流。

（由于杂质或缺陷引起的载流子的复合而产生的微小电流） 漏电流：太阳能电池片可以分3层，即薄层（即N 区），耗尽层（即PN 结），体区（即P 区），对电池片而言，始终是有一些有害的杂质和缺陷的，有些是材料本身就有的，也有的是工艺中形成的，这些有害的杂质和缺陷可以起到复合中心的作用，可以虏获空穴和电子，使它们复合，复合的过程始终伴随着载流子的定向移动，必然会有微小的电流产生，这些电流对测试所得的暗电流的值是有贡献的，由薄层贡献的部分称之为薄层漏电流，由体区贡献的部分称之为体漏电流。

3.填充系数FF
FF 是一个重要参数，反映太阳能电池的质量。

太阳电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充系数越大。

反映到太阳电池的电流-电压特性曲线上是曲线接近正方形，此时太阳电池可以实现很高的转换效率
()sh 1S q V IR S
kT SC
L
D
P
L
S
V IR I I I I I I e R +⎡⎤+=--=---
⎢⎥⎣⎦[]
1/S L SC L SC SC S sh sh
R I I I I I R R R =-⇒=+m m oc sc
V I FF V I =
m I m m sc oc
in in in
P V FFI V P P P η===
4.转换效率η
根据上式可得： 填充系数越大，即转换效率越大。

因此，影响η 的主要因素为串联电阻和并联电阻综上所述，影响V oc 、Isc 、Vm 、Im 、FF 和 η的主要因素就是串联电阻和并联电阻。

m I m m sc oc
in in in
P V FFI V P P P η===
二、串联电阻Rs和并联电阻Rsh
1.串联电阻Rs 一般小于1Ω，主要包括金属电极与半导体材料的接触电阻、
半导体材料的体电阻和电极电阻三部分。

2.并联电阻Rsh一般为几千欧姆，主要是电池边缘漏电、电池表面污浊或耗尽
区内的复合电流引起的，这几种电流构成了漏电流。

而且并联电阻越大，漏电流也就越小。

3.前段工艺对Rs和Rsh的影响
3.1CVD
P层：
P层如果太厚，造成了P层对光的吸收增加，从而减少了i层对光的吸收，而且由于空穴的扩散速率较低，使得空穴的寿命降低；但是P层太薄，在界面层产生的电子-空穴对还没有扩散出去就会由于复合而消失，不利于载流子的收集，增加能量损失。

Buffer层：
当缓冲层厚度较薄时，晶格失配问题得到初步改善，从而减少了载流子在界面的复合，因而随着沉积时间的增加，电池的开路电压增加，填充因子也得到
较大的改善，电池效率增加。

但是，随着沉积时间继续增长，由于没有掺硼，掺碳的缓冲层电阻升高，较厚的缓冲层虽然解决了晶格失配的问题，但是高阻层成为主要矛盾，所以随着掺碳缓冲层厚度的继续增加，填充因子下降，电池性能变差。

在其他条件不变的情况下，沉积
时间越长，膜的厚度越大。

i层：
该层是产生光生载流子的主要区域，膜厚越薄，复合中心较少，则并联电阻越小，同时空间电荷区变窄，使得光生电流减小，效率降低；膜厚增加，虽然增加对光的吸收，但缺陷越多，复合中心也就越多，大大降低了载流子的寿命，从而使得电池效率降低，同时使得光致衰减更加严重。

N层：
膜层太薄，在界面层产生的电子-空穴对还没有扩散出去就会由于复合而消失，增加能量损失；膜层过厚，虽然内建电场增加，但是方块电阻增加，即增加了Rs，同时，在总膜厚不变的情况下，增加了N层厚度，i层的厚度也就相对减少，不利于光生载流子的产生，使得电池效率降低。

3.2.PVD
主要考量的是薄层电阻，即方块电阻，它是太阳能电池串联电阻的一个组成部分。

它的大小主要跟膜厚成反比，但是膜厚不能无限地增大，还要考虑其他因素的影响。

ZnO
为了减少接触电阻，背电极与n层之间必须形成良好的欧姆接触，尽量减少对载流子的阻挡作用，这就要求ZnO的电阻要尽可能地小。

根据方块电阻的定义，增加膜厚，可以降低电阻，但是ZnO薄膜是太厚会影响到透过率，因此在特定的膜厚条件下，会有电阻和透过率的最佳值。

从该图可以看出，在衬底温度达到某个
值时，电阻值最小，透过率也较大。

同时，在n层和金属Ag之间加入ZnO
，会阻止Ag向n层扩散，阻止Ag的
漏电，增加电池的并联电阻，从而增
加电池效率。

Ag
根据实际分析，发现ZnO、Ag和Ti是并
联在一起的，所以他们的电阻由最小的电
阻决定，而Ag的电阻最小，降低方块电
阻的关键就是降低Ag的电阻。

根据上述
分析，降低电阻，就要增加膜厚。

可是增
加膜厚就会增加成本，并且当膜厚增大到
一定值后，它的电阻就不会降低的很多，
这一点由Ag材料本身的性能决定。

ser
线宽：划线宽度越宽，死区增大，导致电池的有效面积越小，使得Ioc减少；划线宽度越窄，电阻增大，同时线条的完整性就受到影响，对设备的要求也极高。

划线深度
●P1：如果太浅，就代表有TCO残留在glass 上，电流就会直接从TCO
薄膜流过，将电池短路，这样就将少了串联电池的个数，从而减少电池效率；如果太深，理论上无影响。

P2:如果太深，切到TCO薄膜，使得TCO薄膜变薄，从而增大了导电极的电阻，也就增加了Rs，Isc也随之减少；如果切得较浅，即没有将a-Si 切断，仍有a-Si残留在TCO膜层上，就会增加TCO与金属层的接触阻抗，也就是增加了Rs。

P3:如果切到TCO薄膜，增加了Rs；如果切到玻璃，就减少了串联电池的个数，从而减少了电池的效率；如果没有将a-Si切割完全，增加漏电流，减少了并联电阻，短路电流减少。

P4：如果切割不完全，则增加漏电流，减少并联电阻，导致Ioc减少，效率降低；如果切割深度过深，导致玻璃漏在表面，应该对效率无影响。