1、第五章第五章效率的极限、损失和测量效率的极限、损失和测量南京理工大学南京理工大学 材料科学与工程学院材料科学与工程学院1 12 2 内容5.2 5.2 温度的影响温度的影响5.4 5.4 效率测量效率测量5.3 5.3 效率损失效率损失5.1 5.1 效率的极限效率的极限2 23 35.1 5.1 效率效率的极限的极限3 3能量转换效率:ocscinV I FFP 为获得较高的转换效率，需要增加Voc、Isc和FF。172. 0lnocococvvvFF）（令,ocockTqVv当voc10时有Voc的函数 为获得理想转换效率的极限，讨论Voc、Isc的理想极限。4 45.1.1 短路电流短路
2、电流Isc0,xGN e式中，N0表示表面光通量光通量，表示单位面积单位面积单位时间单位时间通过的光子数，单位为m-2s-1。00INhf,LehIqAG LWL理想情况下:scLII 求Isc的极限，就是求IL的极限G为产生率。 假设到达电池表面的每一个能量大于材料禁带宽度的光假设到达电池表面的每一个能量大于材料禁带宽度的光子，子， 会产生一个电子会产生一个电子-空穴对，那么空穴对，那么G为：5 5光子的通量光子的通量将光通量对波长进行积分，可以得到G。积分范围：短波长长波长（硅的Eg=1.1eV，=1.13m）G是在理想情况下得到的，因此得到的结果为理想极限。6 6禁带宽度与电流密度的关系
3、禁带宽度与电流密度的关系 禁带宽度Eg减小 ，具有产生电子空穴对能量的光子增加，电流密度增加，短路电流Isc增加。6 67 75.1.2 开路电压和效率开路电压和效率开路电压：0ln1LocIkTVqI为提高Voc，需降低I0:220=eihiehqD nqD nIALL目前还没有明确得到限制Voc的基本因素。8 8获得Voc上限的方法可将上式中的每个参数赋予合适的值。220=eihiehqD nqD nIALL对于硅， Voc最大值约为700mV，相应的FF为0.84。50=1.5 10 expgEIkT饱和电流密度I0最小值与禁带宽度Eg的关系为：禁带宽度Eg减小 ， I0增加， Voc减
4、小。9 9禁带宽度Eg减小 Voc减小1010获得获得Voc上限的上限的方法方法1010必然存在一个最佳的Eg， 可令达到最大。禁带宽度Eg减小 Isc增加Voc减小35%以下以下1111最高效率在数值上较低的原因：1. 光子能量Eph大于Eg时，多余的能量以热能形式释放，使得最高效率限制在44%。2. 载流子被相当于禁带宽度的电势差所分离，pn结电池得到的输出电压也仅是这个电势差的一部分。12125.4 5.4 黑体电池的效率极限黑体电池的效率极限黑体太阳能电池吸收所有入射的阳光。同时以辐射复合的形式释放能量大于禁带宽度的光子。I0与复合率有关。从而得到I0的最小值。此时， Voc为850m
5、V，效率极限超过了30%。13135.2 5.2 温度的影响温度的影响 太阳能电池对温度非常敏感。温度T的升高使得半导体的禁带宽度Eg降低，相当于材料中的电子能量提高，这影响了大多数的半导体材料参数。温度IscVoc光吸收增加FF1414温度对开路电压的影响温度对开路电压的影响 短路电流Isc和开路电压Voc的关系：1e/0scockTqVIIpn结两边的I0的方程为kTATIg0-E0e式中A与温度无关，包含了其余与温度有关的参数，它的数值一般在14之间，Eg0为半导体材料在绝对零度时的禁带宽度。 g0scocsc0ln1lnnlnqVIkTkTVIlATqIqkT假设dVoc/dT不受dI
6、sc/dT的影响，则式中。g0g0qVEqkTVVTV-ddg0ococ 随着温度T的增加，Voc减小。1515温度对开路电压的影响温度对开路电压的影响1515oocd2.2mV/ CdVT 太阳能电池的温度敏感性取决于开路电压的大小，即电池的开路电压越大，受温度的影响就越小。 对于硅Si，当Vg0=1.2V，=3，Voc=0.6V时，ocd12.20.004/ Cd600ocVVT 1616温度对短路电流的影响温度对短路电流的影响1616C/0006. 0ddI1scscTI 当温度升高时，禁带宽度Eg减小，将有更多的光子有能力激发电子-空穴对，短路电流Isc会轻微上升。硅太阳能电池中短路电
7、流受温度影响程度：同时填充因子填充因子FF受温度的影响为C/0015. 06/1dd1dd1ococTTVVTFFFFC/0.0050.004dd1dd1dd1dd1SCSCOCocmmTIITFFFFTVVTPP温度对最大输出功率最大输出功率Pm的影响为太阳能电池在较低温度下工作时，效率较高17175.3 5.3 效率损失效率损失1717 由于各种损失机制损失机制的存在，实际太阳能电池的转换效率达不到理想极限。18185.3.1 5.3.1 短路电流损失短路电流损失短路电流Isc的损失：1.“光学”性质的损失a.裸露硅表面的反射较大，可通过镀膜来降低；b.金属栅线会遮掉10%15%的光；c.
8、若电池厚度不够，将有一部分透射出电池。2.半导体体内和表面的复合损失 只有pn结附近的电子-空穴对会对Isc有贡献，远距离处的在到达电极之前就已经复合。N型掺杂层较薄与IL在数值上相等19195.3.2 开路电压损失开路电压损失1919 决定Voc的主要过程是半导体中的复合，复合率越低，Voc越高。 限制Voc的一个重要因素是耗尽区中经由陷阱的复合经由陷阱的复合。 在推导pn结暗特性时，忽略了耗尽区的复合：2020开路电压损失开路电压损失 如果考虑耗尽区的复合，那么在无光照时，pn结的IV关系为：/2sc0e1e1qV kTqVkTwIII或者写成：/0e1qV nkTII式中：max002i
9、wehqAnkTIqE 相当于增加了I0Voc降低21215.3.3 5.3.3 填充因子填充因子FFFF损失损失21211.1.耗尽区的复合耗尽区的复合2.2.寄生的串联电阻和分流电阻寄生的串联电阻和分流电阻22221. 1. 耗尽区的复合耗尽区的复合2222 耗尽区的复合将会降低填充因子FF。对于非理想二极管，n1，则voc变为,ococnkTqVv同样的，当voc10时，有：172. 0lnocococ0vvvFF）（23232. 2. 寄生的串联电阻和分流电阻寄生的串联电阻和分流电阻2323太阳能电池组件本身存在寄生的串联电阻Rs和分流电阻Rsh。串联电阻Rs 的产生：制造电池的半导体
10、材料本身、半导体与金属的接触间存在电阻。例如：半导体材料的体电阻、电极和互联金属的电阻、电极和半导体之间的接触电阻。分流（并联）电阻Rsh 的产生：pn结漏电。包括：电池边缘的漏电、晶体缺陷和沉淀物引起的内部漏电。寄生电阻对电池的最主要影响是减小了填充因子FF。2424串联电阻串联电阻 (Series ResistanceSeries Resistance)2424 串联电阻Rs不会影响开路电压Voc，但当Rs值较高时，Isc将降低。在串联电阻作用下，太阳能电池的最大输出功率为：smpCHsmpsocscmpsmpmpmpmp2mpmpmpmp1111 rPRRPRVIPRVIIVRIIVPs
11、式中：。CHssCHRRrIVR ,scoc假设Rs没有改变Isc ，则填充因子FF为：)1 (0srFFFF提高输出功率需要减小rs。2525随着串联电阻Rs的增加，FF减小。2626分流电阻（分流电阻（Shunt ResistanceShunt Resistance ）2626 分流（并联）电阻Rsh减小了流经pn结的电流。 Rsh值较高时， Voc降低。shmpshCHmpshscmpshmpmpmpmpsh2mpmpmpmp11111 11RrPRRPRIVPRIVIVVIVPoc 在分流电阻作用下，最大功率近似为：提高输出功率需要增加Rsh。式中：。CHshsh RRr 填充因子FF
12、为：oc0sh0ocsh0.71vFFFFFFvr27272727随着分流电阻Rsh的减小，FF减小。2828串联电阻和分流电阻共同作用串联电阻和分流电阻共同作用2828oc00ocsh0.71vFFFFFFvr 当串联电阻和分流电阻都很重要时，填充因子为： 式中FF0为：00(1)sFFFFr FF0为无寄生电阻时的理想填充因子。29295.4 5.4 效率测量效率测量2929方法一方法一：利用功率计测量入射光的功率Pin，电池最大输出功率Pm。问题：1. 电池性能与阳光光谱有关；2. 功率计存在误差。方法二方法二：以标定过的参考电池为基准，测量待测电池的性能。条件：1. 两块电池的光谱响应一致；2. 测试光源的光谱成分与标准光源光谱成分接近。同种半导体材料，相似生产工艺；3030光源四点接触法，消除测试线中的串联电阻，和探头-电池之间的接触电阻温度电流与电压的测量：AM1.5，自然阳光（模拟）25或 28也可用于光谱响应测量。
