1、太阳能电池的特性 3.1.1 理想太阳能电池理想太阳能电池太阳能电池的结构太阳能电池的结构 太阳能电池是一种能太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电直接把太阳光转化为电的电的电子器件。入射到电池的太阳光通过子器件。入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电同时产生电流和电压压的形式来产生电能。这个过程的发生需要的形式来产生电能。这个过程的发生需要两个条件两个条件，首先，被吸收的光要能在材料中把一个，首先，被吸收的光要能在材料中把一个电子激发到电子激发到高能级高能级，第二，第二，处于高能级的电子处于高能级的电子能从电池中能从电池中移动到移动到外部外部电路。在外部电路的电子消耗了能量然后回到电电路。在
2、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程都是使用组成组成 pn结形式结形式的半导体材料来完成的。的半导体材料来完成的。2022-8-11UNSW新南威尔士大学2 3.1.1 理想太阳能电池理想太阳能电池太阳能电池的结构太阳能电池的结构太阳能电池的横截面太阳能电池的横截面减反射膜减反射膜前端接触电极前端接触电极发射区发射区基区基区背接触电极背接触电极电子空穴对电子空穴对 太阳能电池运行的基本步骤：太阳能电池运
3、行的基本步骤：光生载流子的产生光生载流子的产生 光生载流子聚集成电流光生载流子聚集成电流 产生跨越太阳能电池的高电压产生跨越太阳能电池的高电压 能量在电路和外接电阻中消耗能量在电路和外接电阻中消耗2022-8-11UNSW新南威尔士大学4 3.1.1 理想太阳能电池理想太阳能电池太阳能电池的结构太阳能电池的结构 3.1.2 理想太阳能电池理想太阳能电池光生电流光生电流 在太阳能电池中产生的电流叫做在太阳能电池中产生的电流叫做“光生电流光生电流”，它的产生包括了它的产生包括了两个主要的过程两个主要的过程。第一个过程是吸收入射第一个过程是吸收入射光子光子并产生电子空穴对并产生电子空穴对。电子空穴对
4、只能由能量大于太阳能电池的禁带宽度的光电子空穴对只能由能量大于太阳能电池的禁带宽度的光子产生。然而，子产生。然而，电子（在电子（在p型材料中）和空穴（在型材料中）和空穴（在n型型材料中）材料中）是处在亚稳定状态的，在复合之前其平均生存是处在亚稳定状态的，在复合之前其平均生存时间等于少数载流子的寿命。如果载流子被复合了，光时间等于少数载流子的寿命。如果载流子被复合了，光生电子空穴对将消失，也产生不了电流或电能了。生电子空穴对将消失，也产生不了电流或电能了。2022-8-11UNSW新南威尔士大学5 3.1.2 理想太阳能电池理想太阳能电池光生电流光生电流 第二第二个过程是个过程是pn结通过对这些
5、光生载流子的结通过对这些光生载流子的收集收集，即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。pn结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光生少数载流子到达生少数载流子到达pn结，将会被内建电场移到另一个区，结，将会被内建电场移到另一个区，然后它便成了然后它便成了多数多数载流子。如果用一根导线把发射区跟载流子。如果用一根导线把发射区跟基区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外基区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外部电路。部电路。上述方程显示了电池的开路电压越高，填充因子就越大。
6、四点探针是用来消除测试线中的串联电阻，和探头-电池之间的接触电阻的影响的器材。“填充因子”，通常使用它的简写“FF”，是由开路电压VOC和短路电流ISC共同决定的参数，它决定了太阳能电池的输出效率。1 其他效应温度效应即最大功率近似等于无并联电阻时的功率减去并联电阻所消耗的功率。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。4 太阳能电池的参数填充因子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。太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电的电子器件。把这个方程带回到求解电流的方程中，并假设温度对其
7、它参数的影响忽略不计，则：能量在电路和外接电阻中消耗在电池开路的情况下，pn结的正向偏压处在新的一点，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。2022-8-11UNSW新南威尔士大学7 动画展示了短动画展示了短路情况下的理想电路情况下的理想电流。流。理想短路情况理想短路情况下电子和空穴在下电子和空穴在pn结的流动。少数载结的流动。少数载流子不能穿过半导流子不能穿过半导体和金属之间的界体和金属之间的界限，如果要阻止复限，如果要阻止复合并对电流有贡献合并对电流有贡献的话，必须通过的话，必须通过pn结的结的收集收集。3.1.2 理想太阳能电池理想太阳能电池光生电流光生电流 “
8、收集概率收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生的描述了光照射到电池的某个区域产生的载流子被载流子被pn结收集并参与到电流流动的概率，它的结收集并参与到电流流动的概率，它的大小取大小取决于决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。在耗光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为在这散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。在原来电场的个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。在原来电场的区域，其收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大于区域，其收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域
9、产生时，那么它的收集概率是相当低的。扩散长度的区域产生时，那么它的收集概率是相当低的。相似的，相似的，如果载流子是在靠近电池表面这样的高复合区的如果载流子是在靠近电池表面这样的高复合区的区域产生，那么它将会被复合区域产生，那么它将会被复合。下面的图描述了表面钝化。下面的图描述了表面钝化和扩散长度对收集概率的影响。和扩散长度对收集概率的影响。3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 对收集概率的计算，红线代表发射区的扩散长度，蓝对收集概率的计算，红线代表发射区的扩散长度，蓝线代表基区的发射长度。线代表基区的发射长度。前端表
10、面前端表面在高复合率的情况下，在高复合率的情况下，其表面的收集概率很低。其表面的收集概率很低。低扩散长度的太阳低扩散长度的太阳能电池。能电池。电池中距离表面的距离电池中距离表面的距离弱钝化的太阳弱钝化的太阳能电池能电池强钝化的太阳能强钝化的太阳能电池电池在耗散区的收集概在耗散区的收集概率相同率相同背表面背表面收集概率收集概率 收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小。光。光生电流大小等于电池各处的载流子生成速率乘以该处的收集概率。生电流大小等于电池各处的载流子生成速率乘以该处的收集概率。下面是硅在光照为下面是硅在光照为AM1.5下光生
11、电流的方程，包括了生成率和收集下光生电流的方程，包括了生成率和收集概率。概率。0WLJqG x CP x dx 00wxqH edCP x dx 2022-8-1110收集概率收集概率生成率生成率在电池中的距离在电池中的距离 3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率2022-8-11UNSW新南威尔士大学11 在在1.5光谱下硅的生成速率。注意，光谱下硅的生成速率。注意，电池表面电池表面的生成率是的生成率是最高最高的，因此电池对表面特性是很敏感的。的，因此电池对表面特性是很敏感的。3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池
12、收集概率收集概率 收集概率的不一致产生了光生电流的光谱效应。收集概率的不一致产生了光生电流的光谱效应。例如，例如，表面的收集概率低于其他部分的收集概率表面的收集概率低于其他部分的收集概率。比。比较下图的蓝光、红光和红外光，蓝光在硅表面的零点较下图的蓝光、红光和红外光，蓝光在硅表面的零点几微米处几乎被全部吸收。因此，如果顶端表面的收几微米处几乎被全部吸收。因此，如果顶端表面的收集概率非常低的话，入射光中蓝光将不对光生电池做集概率非常低的话，入射光中蓝光将不对光生电池做出贡出贡献。献。上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长0.45m
13、的蓝光拥有高吸收率，为的蓝光拥有高吸收率，为105cm-1，也因此它在非常靠近顶端，也因此它在非常靠近顶端表面处被吸收。波长表面处被吸收。波长0.8m的红光的吸收率的红光的吸收率103cm-1，因此其吸收长，因此其吸收长度更深一些。度更深一些。1.1m红外光的吸收率为红外光的吸收率为103cm-1，但是它几乎不被吸，但是它几乎不被吸收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率归一化的归一化的E-H对生成率对生成率 所谓所谓“量子效率量子效率”，即太阳能电池所，即太阳能电池所收集的载流收集的载流子的数量与入射
14、光子的数量的比例子的数量与入射光子的数量的比例。量子效率即可以与。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。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。下图将描述理想太阳能电池的量子效率曲线。2022-8-11UNSW新南威尔士大学14 3.1.
15、4 理想太阳能电池理想太阳能电池量子效率量子效率 3.1.4 理想太阳能电池理想太阳能电池量子效率量子效率总量子效率的减小是由反射效应和总量子效率的减小是由反射效应和过短的扩散长度引起的。过短的扩散长度引起的。理想量子理想量子效率曲线效率曲线能量低于禁带宽度的光能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以长波不能被吸收，所以长波长的量子效率为零。长的量子效率为零。量子效率量子效率前端表面复合导致蓝光响应的减小。前端表面复合导致蓝光响应的减小。红光响应的降低是由于背表红光响应的降低是由于背表面反射、对长波光的吸收的面反射、对长波光的吸收的减少和短扩散长度减少和短扩散长度 下图为硅太阳能电池的量子效率。通
16、常，波长小于下图为硅太阳能电池的量子效率。通常，波长小于350nm的光子的量子效率不予测量，因为在的光子的量子效率不予测量，因为在1.5大气质量光谱大气质量光谱中，这些短波的光所包含能量很小。中，这些短波的光所包含能量很小。尽管理想的量子效率曲线是矩形的（如上图），但是实际上几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
17、近表面处被吸收的，所以载流子的生成，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，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。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，硅太阳能电池中，“外部外部”量子效率量子效率包括光的损失，如透射和包括光的损失，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反射。然而，测量经反射和透射损失后剩下
18、的光的量子效率还是非常有用的。常有用的。“内部内部”量子效率量子效率指的是那些没有被反射和透射且能够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。，可以修正外部量子效率曲线并得到内部量子效率。2022-8-11UNSW新南威尔士大学16 3.1.4 理想太阳能电池理想太阳能电池量子效率量子效率 “光谱响应光谱响应”在概念上类似于量子效率。量子效率描述的在概念上类似于量子效率。量子效率描述的是电池产生的光生电子数量与入射到电池的光子数量的比，而是电池
19、产生的光生电子数量与入射到电池的光子数量的比，而光谱响应指的是太阳能电池产生的电流大小与入射能量的比例光谱响应指的是太阳能电池产生的电流大小与入射能量的比例。下图将描述一光谱响应曲线。下图将描述一光谱响应曲线。2022-8-11UNSW新南威尔士大学17理想的光谱响应理想的光谱响应硅太阳能电池的响应曲线。硅太阳能电池的响应曲线。能量低于禁带宽度的光能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以在长不能被吸收，所以在长波长段的光谱响应为零。波长段的光谱响应为零。光谱响应光谱响应 3.1.5 理想太阳能电池理想太阳能电池光谱响应光谱响应 理理想的光谱响应在长波长段受到限制，因为半导体不能吸收能想的光谱响应在
20、长波长段受到限制，因为半导体不能吸收能量低于禁带宽度的光子。这种限制在量子效率曲线中同样起作用。量低于禁带宽度的光子。这种限制在量子效率曲线中同样起作用。然而，不同于量子效率的矩形曲线，光谱响应曲线在随着波长减小然而，不同于量子效率的矩形曲线，光谱响应曲线在随着波长减小而下降。因为这些短波长的光子的能量很高，导致光子与能量的比而下降。因为这些短波长的光子的能量很高，导致光子与能量的比例下降。例下降。光子的能量中，所有超出禁带宽度的部分都不能被电池利光子的能量中，所有超出禁带宽度的部分都不能被电池利用，而是只能加热电池用，而是只能加热电池。在太阳能电池中，高光子能量的不能完全。在太阳能电池中，高
21、光子能量的不能完全利用以及低光子能量的无法吸收，导致了显著的能量损失。利用以及低光子能量的无法吸收，导致了显著的能量损失。光谱响应是非常重要的量，因为只有测量了光谱响应才能计算光谱响应是非常重要的量，因为只有测量了光谱响应才能计算出量子效率。公式如下：出量子效率。公式如下：2022-8-11UNSW新南威尔士大学18 3.1.5 理想太阳能电池理想太阳能电池光谱响应光谱响应 qQEhc 量量子子效效率率SR（光谱响应）（光谱响应）被收集的光生载流子并不是靠其本身来产生电能的。被收集的光生载流子并不是靠其本身来产生电能的。为了为了产生电能，必须同时产生电压和电流产生电能，必须同时产生电压和电流。
22、在太阳能电池中，电压。在太阳能电池中，电压是由所谓的是由所谓的“光生伏打效应光生伏打效应”过程产生的。过程产生的。pn结对光生载流子结对光生载流子的收集引起了电子穿过电场移向的收集引起了电子穿过电场移向n型区，而空穴则移向型区，而空穴则移向p型区。型区。在电池短路的情况下，将不会出现电荷的聚集，因为载流子都在电池短路的情况下，将不会出现电荷的聚集，因为载流子都参与了光生电流的流动。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，那然而，如果光生载流子被阻止流出电池，那pn结对光生载结对光生载流子的收集将引起流子的收集将引起n型区的电子数目增多，型区的电子数目增多，p型区的空穴数目增型
23、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。相反的电场，也因此降低了电池的总电场。2022-8-11UNSW新南威尔士大学19 3.1.6 理想太阳能电池理想太阳能电池光伏效应光伏效应 3.1.6 理想太阳能电池理想太阳能电池光伏效应光伏效应 因为内建电场代表着对前置扩散电流的障碍，所以电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。穿过场减小的同时也增大扩散电流。穿过pn结的电压将达到新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
24、流的平衡。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，的差。在电池开路的情况下，pn结的正向偏压处在新的一结的正向偏压处在新的一点，此时，光生电流大小等于扩散电流大小，且方向相反，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。即总的电流为零。当两个电流达到平衡时的电压叫做当两个电流达到平衡时的电压叫做“开开路电压路电压”。下面动画展示了载流子分别在短路和开路情况下的流动情况。下面动画展示了载流子分别在短路和开路情况下的流动情况。2022-8-11UNSW新南威尔士大学21 动画显示了太阳能电池分别在热动画显示了太阳能电池分别在热平衡、短路和开路下的
25、载流子运动状平衡、短路和开路下的载流子运动状态。请注意不同情况下，流过态。请注意不同情况下，流过pn结的结的电流的不同。在热平衡下（光照为电流的不同。在热平衡下（光照为零），扩散电流和漂移电流都非常小。零），扩散电流和漂移电流都非常小。而电池短路时，而电池短路时，pn结两边的少数载流结两边的少数载流子浓度以及由少数载流子决定大小的子浓度以及由少数载流子决定大小的漂移电流都将增加。在开路时，光生漂移电流都将增加。在开路时，光生载流子引起正向偏压，因此增加了扩载流子引起正向偏压，因此增加了扩散电流。因为扩散电流和漂移电流的散电流。因为扩散电流和漂移电流的方向相反，所以开路时电池总电流为方向相反，所
26、以开路时电池总电流为零。零。3.1.6 理想太阳能电池理想太阳能电池光伏效应光伏效应 3.2.1 太阳能电池的参数太阳能电池的参数 电池的伏安曲线电池的伏安曲线 太阳能电池的伏安曲线是电池二极管在黑暗时的伏安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：管的暗电流，则二极管的方程变为：01LqVIIexpInkT 2022-8-11UNSW新南威尔士大学22式中式中
27、IL为光生电流。为光生电流。第一象限的伏安曲线方程为：第一象限的伏安曲线方程为：01LqVIIIIexpnkT 3.2.1 太阳能电池的参数太阳能电池的参数 电池的伏安曲线电池的伏安曲线动画展示了光对一个动画展示了光对一个pn结的电流电压特性的影响。结的电流电压特性的影响。没有光照时，太阳能电池与没有光照时，太阳能电池与普通二极管的电性能没什么普通二极管的电性能没什么不同。不同。点击继续点击继续 接下来的几节将讨论几个用于描述太阳能电池特性的重接下来的几节将讨论几个用于描述太阳能电池特性的重要参数。短路电流（要参数。短路电流（ISC），开路电压（），开路电压（VOC），填充因子（），填充因子（
28、FF）和转换效率都可以从伏安曲线测算出来的重要参数。）和转换效率都可以从伏安曲线测算出来的重要参数。3.2.2 太阳能电池的参数太阳能电池的参数短路电流短路电流 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（或者说电池被短路时的电流）。通常记作ISC。2022-8-11UNSW新南威尔士大学24太阳能电池的伏安曲线太阳能电池的伏安曲线短路电流短路电流ISC是电池流出的最是电池流出的最大电流，此时穿过电池的电大电流，此时穿过电池的电压为零。压为零。电池产生的电能 短路电流源于光短路电流源于光生载流子的产生生
29、载流子的产生和和收收集。对于电阻阻抗最集。对于电阻阻抗最小的理想太阳能电池小的理想太阳能电池来说，短路电流就等来说，短路电流就等于光生电流。因此短于光生电流。因此短路电流是电池能输出路电流是电池能输出的最大电流。的最大电流。短路电流的大小取决于以下几个因素：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太阳能电池的表面积。要消除太阳能电池对表面积的依赖，。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（通常需改变短路电流强度（JSC单位为单位为mA/cm2）而不是短路）而不是短路电流。电流。光子的数量（即入射光的强度）光子的数量（即入射光的强度）。电池输出的短路电流。电池输出的短
30、路电流ISC的的大小直接取决于光照强度（在入射光强度一节有讨论）。大小直接取决于光照强度（在入射光强度一节有讨论）。入射光的光谱入射光的光谱。测量太阳能电池是通常使用标准的。测量太阳能电池是通常使用标准的1.5大气质大气质量光谱。量光谱。电池的光学特性电池的光学特性（吸收和反射）（光学损耗一节已讨论过）（吸收和反射）（光学损耗一节已讨论过）电池的收集概率电池的收集概率，主要取决于电池表面钝化和基区的少数载，主要取决于电池表面钝化和基区的少数载流子寿命。流子寿命。2022-8-11UNSW新南威尔士大学25 3.2.2 太阳能电池的参数太阳能电池的参数短路电流短路电流 在比较相同材料的两块太阳能
31、电池时，最重要的参数是扩在比较相同材料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。对于表面完全钝化和生成率完全相同的电散长度和表面钝化。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：池来说，短路电流方程近似于：JSC=qG(Ln+Lp)式中式中G代表生成率，而代表生成率，而Ln和和Lp分别为电子和空穴的扩散长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
32、扩散长度。大程度上取决于生成率和扩散长度。在在AM1.5大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电流为电流为46mA/cm2。实验室测得的数据已经达到。实验室测得的数据已经达到42mA/cm2，而，而商业用太阳能电池的短路电流在商业用太阳能电池的短路电流在28到到35mA/cm2之间。之间。2022-8-11UNSW新南威尔士大学26 3.2.2 太阳能电池的参数太阳能电池的参数短路电流短路电流 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出电流为零
33、。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的正向偏压。开路电压如下图伏安曲线所示。的正向偏压。开路电压如下图伏安曲线所示。2022-8-1127 3.2.3 太阳电池的参数太阳电池的参数开路电压开路电压开路电压是太阳能电池的开路电压是太阳能电池的最大电压，即净电流为零最大电压，即净电流为零时的电压。时的电压。上述方程显示了上述方程显示了VOC取决于太阳能电池的饱和电流和光生取决于太阳能电池的饱和电流和光生电流。由于短路电流的变化很小，而饱和电流的大小可以改电流。由于短路电流的变化很小，而饱和电流的大小可以改变几个数量级，所以主要影响是饱和电流。饱和电流变几个数量级，所以主要影响是饱和电流。饱和
34、电流I0主要取主要取决于电池的复合效应。即可以通过测量开路电压来算出电池决于电池的复合效应。即可以通过测量开路电压来算出电池的复合效应。实验室测得的硅太阳能电池在的复合效应。实验室测得的硅太阳能电池在AM1.5光谱下的最光谱下的最大开路电压能达到大开路电压能达到720mV，而商业用太阳能电池通常为，而商业用太阳能电池通常为600mV。2022-8-11UNSW新南威尔士大学28 3.2.3 太阳电池的参数太阳电池的参数开路电压开路电压01LOCInkTVlnqI 通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路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：电压方程：短路电流和开路电
35、压分别是太阳能电池能输出的最大电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。输出功率都为零。“填充因子填充因子”，通常使用它的简写，通常使用它的简写“FF”，是由开路电压，是由开路电压VOC和短路电流和短路电流ISC共同决定的参数，它共同决定的参数，它决定决定了了太阳能电池的太阳能电池的输出效率输出效率。填充因子被定义为电池的最大输出。填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路功率与开路VOC和和ISC的乘积的比值。从图形上看，的乘积的比值。从图形上看，FF就是能就是能够占
36、据够占据IV曲线区域最大的面积。如下图所示。曲线区域最大的面积。如下图所示。2022-8-1129 3.2.4 太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子填充因子 3.2.4 太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子填充因子 输出电流（红线）和功率的（蓝线）图表。同时标明了电场的输出电流（红线）和功率的（蓝线）图表。同时标明了电场的短路电流（短路电流（ISC）点、开路电压（）点、开路电压（VOC）点以及最大功率点（）点以及最大功率点（Vmp，Imp），点击图片可以看到当电池的填充因子变小时曲线是如何变化），点击图片可以看到当电池的填充因子变小时曲线是如何变化的。的。FF是对伏安曲线的矩形面积的测
37、量，则电压高的太阳能是对伏安曲线的矩形面积的测量，则电压高的太阳能电池，其电池，其FF值也可能比较大，因为伏安曲线中剩余部分的面值也可能比较大，因为伏安曲线中剩余部分的面积会更小。要计算电池的积会更小。要计算电池的FF可以对电池的功率进行求导，令可以对电池的功率进行求导，令其值为零，便可找出功率最大时的电压电流值了。即：其值为零，便可找出功率最大时的电压电流值了。即：d（IV）/dV=0 并给出：并给出：1mpmpOCqVnkTVVlnqnkT 2022-8-11UNSW新南威尔士大学31 3.2.4 太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子填充因子 上述方程显示了电池的开路电压越高，填充因子
38、就越大。上述方程显示了电池的开路电压越高，填充因子就越大。然而，材料相同的电池的开路电压，它们的变化也相对较小。然而，材料相同的电池的开路电压，它们的变化也相对较小。例如，例如，(At one sun)在一个在一个AM1.0下，实验室硅太阳能电池和典下，实验室硅太阳能电池和典型的商业硅太阳能电池的开路电压之差大约为型的商业硅太阳能电池的开路电压之差大约为120mV，填充因，填充因子分别为子分别为0.85和和0.83.然而，不同材料的电池的填充因子的差别然而，不同材料的电池的填充因子的差别则可能非常大。例如，则可能非常大。例如，GaAs太阳能电池的填充因子能达到太阳能电池的填充因子能达到0.89
39、。2022-8-11UNSW新南威尔士大学32 3.2.4 太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子填充因子0 721OCOCOCVln V.FFV （）然而，单从上面的步骤并不能得出一个简单或近似的方程。然而，单从上面的步骤并不能得出一个简单或近似的方程。上面的方程只与上面的方程只与VOC和和Vmp，所以还需要额外的能求出，所以还需要额外的能求出Imp和和FF的的方程。一个比较常使用的方程。一个比较常使用的经验方程经验方程是：是：上述方程还说明了上述方程还说明了理想因子理想因子（也叫（也叫n因子）的重要性。理因子）的重要性。理想因子是描述想因子是描述pn结质量和电池的复合类型的测量量。对于复
40、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，合类型那一节所讨论的简单的复合来说，n的值为的值为1。然而对。然而对于其它特别是效应很强的复合类型来说，于其它特别是效应很强的复合类型来说，n的值应该为的值应该为2。大。大的的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。电压。上述方程中一个重要的限制是，它求出的只是上述方程中一个重要的限制是，它求出的只是最大最大填充填充因子，然而实际上因为电池中因子，然而实际上因为电池中寄生电阻寄生电阻的存在，填充因子的的存在，填充因子的值可能会更低一些。因此，值可能会更低
41、一些。因此，测量填充因子最常用的方法还是测量填充因子最常用的方法还是测量伏安曲线测量伏安曲线，即最大功率除以开路电压与短路电流的乘积，即最大功率除以开路电压与短路电流的乘积。FF=VmpImp/（VOCISC）2022-8-11UNSW新南威尔士大学33 3.2.4 太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子填充因子2022-8-11UNSW新南威尔士大学34 发电效率是人们在比较两块电池好坏时发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。最常使用参数。效率定义为效率定义为电池输出的电能与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射入电池的光能的比例。除了反映太阳能电池的性能之外
42、，效率还决定于入射光的光谱和光的性能之外，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陆地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度和温度25C。而空间太阳能电池的光照则为。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近几年的太阳能电池最高效率表将在太阳能电太阳能电池效率测量结果池效率测量结果一节中给出。一节中给出。下式为计算发电效率的方程：下式为计算发电效率的方程：Pmax=VOCISC FF,=Pmax/
43、Pin=VOCISC FF/Pin 3.2.5 太阳能电池的参数太阳能电池的参数 效效 率率直线斜率的倒数就是直线斜率的倒数就是特征电阻。特征电阻。太阳能电池的太阳能电池的特征电阻特征电阻就是指电池在输出最大功率时的输就是指电池在输出最大功率时的输出电阻。如果外接负载的电阻大小等于电池本身的输出电阻，出电阻。如果外接负载的电阻大小等于电池本身的输出电阻，那么电池输出的功率达到最大，即工作在那么电池输出的功率达到最大，即工作在最大功率点最大功率点。此参数。此参数在分析电池特性，特别是研究在分析电池特性，特别是研究寄生电阻损失机制寄生电阻损失机制时非常重要。时非常重要。2022-8-1135图上的
44、公式还可图上的公式还可代之以：代之以：RCH=VOC/ISC 3.3.1 电阻效应电阻效应 太阳能电池的太阳能电池的特征电阻特征电阻 电池的电池的电阻效应电阻效应以在电阻上消耗能量的形式以在电阻上消耗能量的形式降低降低了电池的了电池的发电效率发电效率。其中最常见的寄生电阻为串联电阻和并联电阻。从。其中最常见的寄生电阻为串联电阻和并联电阻。从下面的电池等效电路便可看出串联和并联电阻。下面的电池等效电路便可看出串联和并联电阻。36 在大多数情况下，当串联电阻和并联电阻处在典型值的时在大多数情况下，当串联电阻和并联电阻处在典型值的时候，候，寄生电阻对电池的最主要影响便是减小填充因子寄生电阻对电池的最
45、主要影响便是减小填充因子。串联电。串联电阻和并联电阻的阻值以及它们对电池最大功率点的影响都决定阻和并联电阻的阻值以及它们对电池最大功率点的影响都决定于于电池的几何结构电池的几何结构。在太阳能电池中，电阻的单位是。在太阳能电池中，电阻的单位是cm2 2。由。由欧姆定律可以求出单位面积的阻值，欧姆定律可以求出单位面积的阻值，R（cm2 2）=V/J。3.3.2 电阻效应电阻效应 寄生电阻效应寄生电阻效应 太阳能电池中，引起串联电阻的因素有三种：第一，穿过电池太阳能电池中，引起串联电阻的因素有三种：第一，穿过电池发射区和基区的电流流动；第二，金属电极与硅之间的接触电阻；发射区和基区的电流流动；第二，
46、金属电极与硅之间的接触电阻；第三便是顶部和背部的金属电阻。串联电阻对电池的主要影响是减第三便是顶部和背部的金属电阻。串联电阻对电池的主要影响是减小填充因子，此外，当阻值过大时还会减小短路电流。下面动画描小填充因子，此外，当阻值过大时还会减小短路电流。下面动画描述了串联电阻对伏安曲线的影响。述了串联电阻对伏安曲线的影响。2022-8-1137串联电阻对串联电阻对FF的影的影响。此电池的表面响。此电池的表面积为积为1cm2 。3.3.3 电阻效应电阻效应串联电阻串联电阻如果载流子被复合了，光生电子空穴对将消失，也产生不了电流或电能了。在太阳能电池中，电阻的单位是cm2。短路电流的大小取决于以下几个
47、因素：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：5大气质量光谱中，这些短波的光所包含能量很小。如果光生少数载流子到达pn结，将会被内建电场移到另一个区，然后它便成了多数载流子。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。UNSW新南威尔士大学4 太阳能电池的参数填充因子硅太阳能电池中，“外部”量子效率包括光的损失，如透射和反射。式中，T表示温度，h和k都是常数，me和mh分别是电子和空穴的有效质量；没有光照时，太阳能电池与普通二极管的电性能没什么不同。5 电阻效应串、并联电阻的共同影响1m红外光的吸收率为103cm-1，但是它几乎不被吸收因为它的能量接近于硅材
48、料的禁带宽度。能量在电路和外接电阻中消耗4 理想太阳能电池量子效率2eV，取=3，则开路电压的变化为大约2.并联电阻RSH造成的显著的功率损失通常是由于制造缺陷引起的，而不是糟糕的电池设计。串联电阻并不会影响到电池的开路电压串联电阻并不会影响到电池的开路电压，因为此时电池的，因为此时电池的总电流为零，所以串联电阻也为零。然而，在接近开路电压处总电流为零，所以串联电阻也为零。然而，在接近开路电压处，伏安曲线会受到串联电阻的强烈影响。一种直接估计电池的，伏安曲线会受到串联电阻的强烈影响。一种直接估计电池的串联电阻的方法是找出伏安曲线在开路电压处的斜率。串联电阻的方法是找出伏安曲线在开路电压处的斜率
49、。计算太阳能电池的最大功率的方程计算太阳能电池的最大功率的方程如下：如下：2111mmpmpmpmpsmpSCmpOCpmpsmpsSmpmpCHIIVPVIIR =VVIRPRRPPR2022-8-11UNSW新南威尔士大学38 3.3.3 电阻效应电阻效应串联电阻串联电阻 1mpmpSPPr SSCHrR/R 若定义若定义 为标准（为标准（normalized）串联电阻，）串联电阻，我们假设开路电压和短路电流没有受到串联电阻的影响，我们假设开路电压和短路电流没有受到串联电阻的影响，则可以算出串联电阻对填充因子的影响：则可以算出串联电阻对填充因子的影响：在上述方程中，我们把没有受串联电阻影响
50、的填充因子用在上述方程中，我们把没有受串联电阻影响的填充因子用符号符号FF0表示，而表示，而FF则用则用FFs代替。则方程改为：代替。则方程改为：而下面而下面以实验为基础的方程能更加精确以实验为基础的方程能更加精确地表示地表示FF0与与FFS之间的关系：之间的关系：FFs=FF0（1-1.1rs）+r2s/5.4 此式在此式在rs10时有效。时有效。2022-8-11UNSW新南威尔士大学39 3.3.3 电阻效应电阻效应串联电阻串联电阻 111mpmpsOCSCOCSCss PPrVIFFVIFFr FFFFr 01ssFFFFr 并联电阻并联电阻RSH造成的显著的功率损失通常是由于制造缺陷
