第五章 效率的極限、損失和測(cè)量

1、第五章第五章效率的極限、損失和測(cè)量效率的極限、損失和測(cè)量南京理工大學(xué)南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院1 12 2 內(nèi)容5.2 5.2 溫度的影響溫度的影響5.4 5.4 效率測(cè)量效率測(cè)量5.3 5.3 效率損失效率損失5.1 5.1 效率的極限效率的極限2 23 35.1 5.1 效率效率的極限的極限3 3能量轉(zhuǎn)換效率:ocscinV I FFP 為獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，需要增加Voc、Isc和FF。172. 0lnocococvvvFF）（令,ocockTqVv當(dāng)voc10時(shí)有Voc的函數(shù) 為獲得理想轉(zhuǎn)換效率的極限，討論Voc、Isc的理想極限。4 45.1.1 短路電流短路

2、電流Isc0,xGN e式中，N0表示表面光通量光通量，表示單位面積單位面積單位時(shí)間單位時(shí)間通過(guò)的光子數(shù)，單位為m-2s-1。00INhf,LehIqAG LWL理想情況下:scLII 求Isc的極限，就是求IL的極限G為產(chǎn)生率。 假設(shè)到達(dá)電池表面的每一個(gè)能量大于材料禁帶寬度的光假設(shè)到達(dá)電池表面的每一個(gè)能量大于材料禁帶寬度的光子，子， 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)，那么空穴對(duì)，那么G為：5 5光子的通量光子的通量將光通量對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行積分，可以得到G。積分范圍：短波長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng)（硅的Eg=1.1eV，=1.13m）G是在理想情況下得到的，因此得到的結(jié)果為理想極限。6 6禁帶寬度與電流密度的關(guān)系

3、禁帶寬度與電流密度的關(guān)系 禁帶寬度Eg減小 ，具有產(chǎn)生電子空穴對(duì)能量的光子增加，電流密度增加，短路電流Isc增加。6 67 75.1.2 開(kāi)路電壓和效率開(kāi)路電壓和效率開(kāi)路電壓：0ln1LocIkTVqI為提高Voc，需降低I0:220=eihiehqD nqD nIALL目前還沒(méi)有明確得到限制Voc的基本因素。8 8獲得Voc上限的方法可將上式中的每個(gè)參數(shù)賦予合適的值。220=eihiehqD nqD nIALL對(duì)于硅， Voc最大值約為700mV，相應(yīng)的FF為0.84。50=1.5 10 expgEIkT飽和電流密度I0最小值與禁帶寬度Eg的關(guān)系為：禁帶寬度Eg減小 ， I0增加， Voc減

4、小。9 9禁帶寬度Eg減小 Voc減小1010獲得獲得Voc上限的上限的方法方法1010必然存在一個(gè)最佳的Eg， 可令達(dá)到最大。禁帶寬度Eg減小 Isc增加Voc減小35%以下以下1111最高效率在數(shù)值上較低的原因：1. 光子能量Eph大于Eg時(shí)，多余的能量以熱能形式釋放，使得最高效率限制在44%。2. 載流子被相當(dāng)于禁帶寬度的電勢(shì)差所分離，pn結(jié)電池得到的輸出電壓也僅是這個(gè)電勢(shì)差的一部分。12125.4 5.4 黑體電池的效率極限黑體電池的效率極限黑體太陽(yáng)能電池吸收所有入射的陽(yáng)光。同時(shí)以輻射復(fù)合的形式釋放能量大于禁帶寬度的光子。I0與復(fù)合率有關(guān)。從而得到I0的最小值。此時(shí)， Voc為850m

5、V，效率極限超過(guò)了30%。13135.2 5.2 溫度的影響溫度的影響 太陽(yáng)能電池對(duì)溫度非常敏感。溫度T的升高使得半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg降低，相當(dāng)于材料中的電子能量提高，這影響了大多數(shù)的半導(dǎo)體材料參數(shù)。溫度IscVoc光吸收增加FF1414溫度對(duì)開(kāi)路電壓的影響溫度對(duì)開(kāi)路電壓的影響 短路電流Isc和開(kāi)路電壓Voc的關(guān)系：1e/0scockTqVIIpn結(jié)兩邊的I0的方程為kTATIg0-E0e式中A與溫度無(wú)關(guān)，包含了其余與溫度有關(guān)的參數(shù)，它的數(shù)值一般在14之間，Eg0為半導(dǎo)體材料在絕對(duì)零度時(shí)的禁帶寬度。 g0scocsc0ln1lnnlnqVIkTkTVIlATqIqkT假設(shè)dVoc/dT不受dI

6、sc/dT的影響，則式中。g0g0qVEqkTVVTV-ddg0ococ 隨著溫度T的增加，Voc減小。1515溫度對(duì)開(kāi)路電壓的影響溫度對(duì)開(kāi)路電壓的影響1515oocd2.2mV/ CdVT 太陽(yáng)能電池的溫度敏感性取決于開(kāi)路電壓的大小，即電池的開(kāi)路電壓越大，受溫度的影響就越小。 對(duì)于硅Si，當(dāng)Vg0=1.2V，=3，Voc=0.6V時(shí)，ocd12.20.004/ Cd600ocVVT 1616溫度對(duì)短路電流的影響溫度對(duì)短路電流的影響1616C/0006. 0ddI1scscTI 當(dāng)溫度升高時(shí)，禁帶寬度Eg減小，將有更多的光子有能力激發(fā)電子-空穴對(duì)，短路電流Isc會(huì)輕微上升。硅太陽(yáng)能電池中短路電

7、流受溫度影響程度：同時(shí)填充因子填充因子FF受溫度的影響為C/0015. 06/1dd1dd1ococTTVVTFFFFC/0.0050.004dd1dd1dd1dd1SCSCOCocmmTIITFFFFTVVTPP溫度對(duì)最大輸出功率最大輸出功率Pm的影響為太陽(yáng)能電池在較低溫度下工作時(shí)，效率較高17175.3 5.3 效率損失效率損失1717 由于各種損失機(jī)制損失機(jī)制的存在，實(shí)際太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)不到理想極限。18185.3.1 5.3.1 短路電流損失短路電流損失短路電流Isc的損失：1.“光學(xué)”性質(zhì)的損失a.裸露硅表面的反射較大，可通過(guò)鍍膜來(lái)降低；b.金屬柵線會(huì)遮掉10%15%的光；c.

8、若電池厚度不夠，將有一部分透射出電池。2.半導(dǎo)體體內(nèi)和表面的復(fù)合損失 只有pn結(jié)附近的電子-空穴對(duì)會(huì)對(duì)Isc有貢獻(xiàn)，遠(yuǎn)距離處的在到達(dá)電極之前就已經(jīng)復(fù)合。N型摻雜層較薄與IL在數(shù)值上相等19195.3.2 開(kāi)路電壓損失開(kāi)路電壓損失1919 決定Voc的主要過(guò)程是半導(dǎo)體中的復(fù)合，復(fù)合率越低，Voc越高。 限制Voc的一個(gè)重要因素是耗盡區(qū)中經(jīng)由陷阱的復(fù)合經(jīng)由陷阱的復(fù)合。 在推導(dǎo)pn結(jié)暗特性時(shí)，忽略了耗盡區(qū)的復(fù)合：2020開(kāi)路電壓損失開(kāi)路電壓損失 如果考慮耗盡區(qū)的復(fù)合，那么在無(wú)光照時(shí)，pn結(jié)的IV關(guān)系為：/2sc0e1e1qV kTqVkTwIII或者寫(xiě)成：/0e1qV nkTII式中：max002i

9、wehqAnkTIqE 相當(dāng)于增加了I0Voc降低21215.3.3 5.3.3 填充因子填充因子FFFF損失損失21211.1.耗盡區(qū)的復(fù)合耗盡區(qū)的復(fù)合2.2.寄生的串聯(lián)電阻和分流電阻寄生的串聯(lián)電阻和分流電阻22221. 1. 耗盡區(qū)的復(fù)合耗盡區(qū)的復(fù)合2222 耗盡區(qū)的復(fù)合將會(huì)降低填充因子FF。對(duì)于非理想二極管，n1，則voc變?yōu)?ococnkTqVv同樣的，當(dāng)voc10時(shí)，有：172. 0lnocococ0vvvFF）（23232. 2. 寄生的串聯(lián)電阻和分流電阻寄生的串聯(lián)電阻和分流電阻2323太陽(yáng)能電池組件本身存在寄生的串聯(lián)電阻Rs和分流電阻Rsh。串聯(lián)電阻Rs 的產(chǎn)生：制造電池的半導(dǎo)體

10、材料本身、半導(dǎo)體與金屬的接觸間存在電阻。例如：半導(dǎo)體材料的體電阻、電極和互聯(lián)金屬的電阻、電極和半導(dǎo)體之間的接觸電阻。分流（并聯(lián)）電阻Rsh 的產(chǎn)生：pn結(jié)漏電。包括：電池邊緣的漏電、晶體缺陷和沉淀物引起的內(nèi)部漏電。寄生電阻對(duì)電池的最主要影響是減小了填充因子FF。2424串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻 (Series ResistanceSeries Resistance)2424 串聯(lián)電阻Rs不會(huì)影響開(kāi)路電壓Voc，但當(dāng)Rs值較高時(shí)，Isc將降低。在串聯(lián)電阻作用下，太陽(yáng)能電池的最大輸出功率為：smpCHsmpsocscmpsmpmpmpmp2mpmpmpmp1111 rPRRPRVIPRVIIVRIIVPs

11、式中：。CHssCHRRrIVR ,scoc假設(shè)Rs沒(méi)有改變Isc ，則填充因子FF為：)1 (0srFFFF提高輸出功率需要減小rs。2525隨著串聯(lián)電阻Rs的增加，F(xiàn)F減小。2626分流電阻（分流電阻（Shunt Resistance Shunt Resistance ）2626 分流（并聯(lián)）電阻Rsh減小了流經(jīng)pn結(jié)的電流。 Rsh值較高時(shí)， Voc降低。shmpshCHmpshscmpshmpmpmpmpsh2mpmpmpmp11111 11RrPRRPRIVPRIVIVVIVPoc 在分流電阻作用下，最大功率近似為：提高輸出功率需要增加Rsh。式中：。CHshsh RRr 填充因子FF為：oc0sh0ocsh0.71vFFFFFFvr27272727隨著分流電阻Rsh的減小，F(xiàn)F減小。2828串聯(lián)電阻和分流電阻共同作用串聯(lián)電阻和分流電阻共同作用2828oc00ocsh0.71vFFFFFFvr 當(dāng)串聯(lián)電阻和分流電阻都很重要時(shí)，填充因子為： 式中FF0為：00(1)sFFFFr FF0為無(wú)寄生電阻時(shí)的理想填充因子。29295.4 5.4 效率測(cè)量效率測(cè)量2929方法一方法一：利用功率計(jì)測(cè)量入射光的功率Pin，電池最大輸出功率Pm。問(wèn)題：1. 電池性