太陽能電池效率極限課件

1、 太陽能電池工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用作者：馬丁.格林2第 四講效率極限復(fù)習(xí)1 太陽能發(fā)電原理和影響因素1.1 光的吸收與載流子復(fù)合1.2 光照的影響 1.3 光譜響應(yīng) 1.4 溫度的影響 1.5 寄生電阻的影響 1.1 光的吸收與載流子復(fù)合當光照射到半導(dǎo)體材料時，擁有比禁帶寬（Eg）還小的能量（Eph）的光子與半導(dǎo)體的相互左右極弱，于是順利地穿透半導(dǎo)體，就如半導(dǎo)體是透明的一樣。然而，能量比帶隙能量大的光子（EghEg）會與形成共價鍵的電子相作用，用它自身所具有的能量去破壞共價鍵，形成可以自有流動的電子-空穴對。 光照時電子-空穴對的產(chǎn)生 Eg導(dǎo)帶(禁帶寬)價帶光子的能量越高，被吸收的位置就越接

2、近半導(dǎo)體表面，較低能量的光子則在距半導(dǎo)體表面較深處被吸收。 光的能量與電子-空穴對產(chǎn)生的位置間的聯(lián)系 Resource Characteristics 地面附近太陽輻射光譜圖The absorption depths of silicon 單位體積內(nèi)電子-空穴對的產(chǎn)生率可用下式表示： N為光子的流量（每秒流過單位面積的光子數(shù)量），是吸收系數(shù)，x是到表面的距離。 物理意義相當于某波長的光在媒質(zhì)中傳播1/距離時能量減弱到原來能量的1/e。一般用吸收系數(shù)的倒數(shù)1/來表征該波長的光在材料中的透入深度。在300K時，對于硅材料，和波長的函數(shù)關(guān)系1.1 光的吸收與載流子復(fù)合當光源被關(guān)掉后，系統(tǒng)勢必會回到一

3、個平衡狀態(tài)。在沒有外界能量來源的情況下，電子和空穴會無規(guī)則運動直到他們相遇并復(fù)合。任何表面或內(nèi)部的缺陷、雜質(zhì)都會促進復(fù)合的產(chǎn)生。材料的載流子壽命可以定義為電子空穴對從產(chǎn)生到復(fù)合的平均存在時間。對于硅，典型的載流子壽命約為1s。類似的，載流子的擴散長度就是載流子從產(chǎn)生到復(fù)合所能移動的平均距離。對于硅，擴散長度一般是100300m。這兩個參數(shù)為太陽能電池應(yīng)用的材料提出參考。如果沒有一個使電子定向移動的方法，半導(dǎo)體就無法輸出能量。因此，一個功能完善的太陽能電池，通常需要增加一個整流P-N結(jié)來實現(xiàn)。 1.2 光照的影響 照射到電池上的光可呈現(xiàn)多種不同的情形。為了使太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率最大化，必須設(shè)

4、計使之得到最大的直接吸收以及反射后的吸收。 1-頂電極上的反射與吸收；2-在電池表面的反射；3-可用的吸收；4-電池底部的反射（僅對吸收較弱的光線有效）；5-反射后的吸收；6-背電極處的吸收 在P-N結(jié)電場E的作用下，電子受力向N型一側(cè)移動，空穴受力向P型一側(cè)移動。短路時，在外電路產(chǎn)生光電流。理想短路情況下P-N結(jié)區(qū)域電子與空穴的流動（電子、空穴產(chǎn)生、定向移動、被收集、外電路流動） 盡管如此，一部分電子和空穴在被收集之前就已經(jīng)消失了。 電子空穴對復(fù)合的一些可能模式，以及未復(fù)合的載流子被收集的情況 總體來說，在P-N結(jié)越近的地方產(chǎn)生的電子空穴對越容易被收集。當V=0時，那些被收集的載流子將會產(chǎn)生

5、一定大小的電流。如果電子空穴對在P-N結(jié)附近小于一個擴散長度的范圍內(nèi)產(chǎn)生，收集的幾率就比較大。 在無光照的情況下，描述二極管電流I和電壓V間函數(shù)關(guān)系的特征曲線（I-V曲線）為：光線的照射對太陽電池的作用，可以認為是在原有的二極管暗電流基礎(chǔ)之上疊加了一個電流增量，于是二極管公式變?yōu)椋?1.2 光照的影響 光的照射對P-N結(jié)電流-電壓間函數(shù)特性的影響 電壓電流方向？IVDark Characteristic Light CharacteristicIVPower Generating RegionPower Dissipating RegionPower Dissipating Region光照能

6、使電池的I-V曲線向下平移到第四象限，于是二極管的電能可以被獲取。為便于討論，太陽電池的I-V特性曲線通常被上下翻轉(zhuǎn)，將輸出曲線置于第一象限，并用下式表示： The VI characteristic of a solar cell is usually displayed like this:VIVIThe coordinate system is flipped around the voltage axis.用于衡量在一定照射強度、工作溫度以及面積條件下，太陽能電池電力輸出的兩個主要制約參數(shù)為：短路電流（Isc， Short circuit current ） 當電壓為零時電池輸出的最大

7、電流，Isc=IL。Isc與所接受到的光照強度成正比。開路電壓（Voc， Open circuit voltage ） 電流為零時，電池輸出的最大電壓。Voc的值隨輻照強度的增加成對數(shù)方式增長。I = ISCR = 0Does it surprise you that the current at short circuit is not infinite? Or that a current can flow with no voltage? Where does the energy originate?Question #1:I = 0R = Question #2:+_V = VOCR

8、S , RSH ISCVOCThe slopes of these lines are characteristic resistances.RSHRSISCRSRSHRLOADEquivalent circuit for a solar cell with load. Internal resistances RS and RSH represent power loss mechanisms inside the cell.CellCellISCRS = 0RSH = RLOADThe ideal solar cell would have no internal losses at al

9、l! What would the VI characteristic of THIS cell look like?ISCVOCRSH = RS = 0The Ideal Solar CellNotice that the area under the rectangle = PMAX for the ideal cell. For this cell,PMAX = VOC ISCISCVOCThe Ideal Solar Cell對于I-V曲線上的每一點，都可取該點上電流與電壓的乘積，以反映此工作情形下的輸出電功率。填充因子（FF，F(xiàn)ill Factor）是衡量電池P-N結(jié)的質(zhì)量以及串聯(lián)電

10、阻的參數(shù)。 填充因子定義為： 所以： ISC , PMAX , VOC(0.5V, 0 mA) V I = 0 mW(0.43 V, 142 mA) V I = 61 mWISCVOCPMAX(0V, 150 mA) V I = 0 mWSome typical valuesISCVOCFill FactorIn fact, PMAX/(ISC VOC) measures the cells quality as a power source. The quantity is called the “Fill Factor.” Can you see why?補充：最大轉(zhuǎn)換效率為帶隙Eg的函數(shù)

11、定性結(jié)論：短路電流隨Eg的增大而減??；開路電壓隨Eg的增大而增大；在Eg為1.4eV時出現(xiàn)太陽電池的最大轉(zhuǎn)換效率1.3 光譜響應(yīng) 當單個光子的能量比半導(dǎo)體材料的禁帶寬度大時，太陽電池就會吸收這個光子并產(chǎn)生一個電子空穴對，在這種情況下，太陽能電池對入射光的光子產(chǎn)生響應(yīng)。光子能量超出禁帶寬度的部分以熱量形式散失。 電子空穴對的產(chǎn)生與超過帶隙部分能量的散失 太陽電池能夠響應(yīng)的最大波長被半導(dǎo)體材料的禁帶寬度所限制。當禁帶寬度在1.01.6eV時，入射陽光的能量才有可能被最大限度地利用。單獨考慮這個因素，就將太陽電池的最大可能轉(zhuǎn)換效率限制在44%以下。 光譜響應(yīng)度另一個值得注意的物理量是太陽能電池的光譜

12、響應(yīng)度，用每瓦特功率入射光所產(chǎn)生的電流強度來表示。理想情況下，光譜響應(yīng)度隨著波長的增加而增加。光譜響應(yīng)度然而，在短波長輻射下，電池無法利用光子的全部能量，長波長輻射下，電池對光線的吸收作用較弱，導(dǎo)致大部分光子在遠離P-N結(jié)的區(qū)域被吸收。半導(dǎo)體材料的有限擴散長度也限制了電池對光的響應(yīng)。 典型的實際太陽電池的外部量子效率和光譜響應(yīng)恒定的電池溫度下，不同的輻照度對光生電流密度和電壓輸出特性曲線的影響1.4 溫度的影響 溫度的影響包括：短路電流隨溫度上升而增加，因為帶隙能量下降了，更多的光子具有足夠的能量來產(chǎn)生電子空穴對，但是，這是一個比較微弱的影響。對硅電池來說，溫度的上升主要致使開路電壓和填充因子

13、下降，因而導(dǎo)致了輸出電功率下降。對硅電池而言，溫度對最大輸出功率的影響如下 溫度對太陽電池I-V特性的影響 1.5 寄生電阻的影響 太陽能電池通常伴有寄生的串聯(lián)和分流電阻，此寄生電阻都會導(dǎo)致FF降低。 串聯(lián)電阻主要來源于半導(dǎo)體材料的體電阻、金屬接觸電阻、載流子在頂部擴散層的輸運等。串聯(lián)電阻對太陽電池填充因子的影響 分流電阻是由于P-N結(jié)的非理想性和結(jié)附近的雜質(zhì)造成的，它引起結(jié)的局部短路，尤其在電池的邊緣部分。 分流電阻對太陽電池填充因子的影響 2 太陽電池效率和結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 太陽電池效率2.2 光學(xué)損失2.3 復(fù)合損失2.4 電極設(shè)計2.1 太陽電池效率在實驗室條件下，采用最先進的技術(shù)，單

14、晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率可能超過24%，然而，工業(yè)上大批量生產(chǎn)電池的效率普遍只有1314%。原因？最重要的是實驗室在生產(chǎn)電池時可以把效率當成是最主要的目標，而不考慮費用、工藝的復(fù)雜程度或生產(chǎn)效率。從生產(chǎn)角度來看，提高轉(zhuǎn)換效率，對于固定的功率輸出需要的組件較少，則相對而言降低了成本。所以，同時提高轉(zhuǎn)換效率和降低硅晶片的成本是全面降低光伏成本的關(guān)鍵。影響太陽電池效率的因素影響太陽電池效率的主要因素是半導(dǎo)體材料的選擇，由于每種材料能帶間隙的大小與其所吸收的光譜各有不同，所以每種材料有其一定的能量轉(zhuǎn)換效率。每種材料只能吸收一定范圍內(nèi)的光譜能量。另外，轉(zhuǎn)換效率還受材料的品質(zhì)影響而無法達到理論值，如材料的純

15、度較低，或材料本身的結(jié)構(gòu)缺陷等。 除了材料本身的影響之外，某些損失是由于太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計引起的，這包括：反射損失（reflection loss）表面再結(jié)合損失（surface recombination loss）內(nèi)部再結(jié)合損失（bulk recombination loss）串聯(lián)電阻損失（series resistance loss）電壓因子損失（voltage factor loss）影響太陽電池效率的因素2.2 光學(xué)損失 太陽電池光學(xué)損失原理1-正面電極的遮光；2-表面反射；3-背電極的反射 減少光學(xué)損失方法（1）將正面電極的面積減少到最小 但會導(dǎo)致串聯(lián)電阻增加（2）在電池表面使用減

16、反膜 特別是使用四分之一厚度的透明減反膜，這層膜將通過干涉作用，理論上將從膜的上表面反射的光和從半導(dǎo)體界面處反射回來的光相互抵消，其兩者的相位差為180。四分之一波長的減反膜使用四分之一波長的減反膜抵消表面反射示意圖 使用四分之一波長的減反膜抵消表面反射示意圖 為了將反射進一步最小化，可以將減反膜的折射率設(shè)計為膜兩邊材料（玻璃和半導(dǎo)體，或空氣和半導(dǎo)體）的幾何平均值：使用四分之一波長減反膜的太陽電池在不同波長照射下的表面反射率（半導(dǎo)體硅的折射率n2=3.8，空氣的折射率n0=1.0，玻璃的折射率n0=1.5） Comparison of surface reflection from a sil

17、icon solar cell, with and without a typical anti-reflection coating. （3）通過表面制絨也可以減少反射將太陽電池的表面制成凸凹不平的表面，可使得光線受到表面多重反射的作用，而更有效率的進入半導(dǎo)體材料中。常用做法有V字型溝槽、金字塔型（pyramid texture）及逆金字塔型表面（inverted pyramid texture）。 絨化或粗糙化的表面的另一個好處是光可以按照斯涅爾定律傾斜地耦合進硅晶體中：Reflection and transmission of light for a textured silicon

18、solar cell 金字塔型（pyramid texture）型表面逆金字塔型表面（inverted pyramid texture）Scanning electron microscope photograph of a textured silicon surface Scanning electron microscope photograph of a textured multicrystalline silicon surface V字型溝槽（4）電池背表面的高反射 減少電池背電極的吸收，使得到達背表面的光線被彈回，再度進入電池而有可能被吸收。 如果背面反射體能夠完全隨機式地打亂

19、反射光的方向，光線可能會因為電池內(nèi)部的全反射而被捕獲在電池內(nèi)。 通過這種陷光方式，最多可以將入射光的路徑擴大至約50倍，因而光線被吸收的可能性將顯著增加。 Light trapping using a randomised reflector on the rear of the cell （5）將太陽電池制成串疊型電池（tandem cell） 把兩個或兩個以上的元件堆疊起來，能夠吸收較高能量光譜的電池放在上層，吸收較低光譜能量的電池放在下層，通過不同材料的電池將光子的能量層層吸收。 2.3復(fù)合損失 太陽電池的效率也會因為電子空穴對在被有效利用之前復(fù)合而降低，一些發(fā)生復(fù)合的可能途徑如圖所示：

20、 光伏電池中電子空穴對可能復(fù)合的途徑 復(fù)合能夠以以下幾種機理發(fā)生：輻射復(fù)合吸收的反過程。電子從高能態(tài)返回到較低能態(tài)，同時釋放出光能。此種機理在半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管中適用，但對硅太陽電池并不顯著。俄歇復(fù)合“碰撞電離”的反過程，在摻雜較重的材料中顯著。通過陷阱復(fù)合當半導(dǎo)體中的雜質(zhì)或表面的界面陷阱在禁帶間隙中產(chǎn)生允許的能級時，這個復(fù)合就能發(fā)生。 典型的實際太陽電池的外部量子效率和光譜響應(yīng)，闡釋了光學(xué)和復(fù)合損失的影響 2.4 頂電極設(shè)計 主柵線（busbar）和外部導(dǎo)線直接相連，而副柵線（finger）是更細小的金屬化區(qū)域，用來收集電流傳輸給主柵線。頂電極的設(shè)計目標是優(yōu)化電流收集來減少由于內(nèi)部電阻

21、和電池遮蔽而產(chǎn)生的損失。 太陽電池中電子從產(chǎn)生點到外部電極的流動示意圖 Use of a four point probe to measure the sheet resistivity of a solar cell 將電極做成手指狀，可以減少光線的反射 Resistive components and current flows in a solar cell. Top contact design in a solar cell. The busbars connect the fingers together and pass the generated current to the

22、 external electrical contacts. Schematic of a top contact design showing busbars and fingers 優(yōu)化遮光損失與收集損失 Key features of a top surface contacting scheme 優(yōu)化電極的寬高比 Points of contact resistance losses at interface between grid lines and semiconductor 降低電極的接觸電阻 在做法上著重金屬電極構(gòu)造的最優(yōu)化，例如將金屬電極埋入基板中，以增加接觸面積，減少串聯(lián)

23、電阻。 激光刻槽-埋柵太陽能電池 Basic schematic of a silicon solar cell. The top layer is referred to as the emitter and the bulk material is referred to as the base 增加入射光的面積 使用點接觸式太陽電池（point contact cell），將正負電極全部放在背面，這樣可增加太陽電池正面的入射光面積。 將正負電極全部放在背面的點接觸太陽電池 光生電流極限一個自身能量高于帶寬的光子產(chǎn)生一對或多對電子空穴對。能量閥值：1.124eV 300K 1.052eV 單聲子輔助吸收 0.987eV 雙聲子輔助吸收 自由載流子吸收 晶格吸收光生電流極限最大光生電流（純硅）51.5mA/cm2，受自由載流子吸收的限制，要得到這樣的電流，硅片的厚度需幾米厚。對于正常厚度的太陽電池（1mm），光的有限吸收對電流的限制遠遠大于自由載流子吸收對電流的影響。開路電壓的極限兩個本征的復(fù)合原理：輻射復(fù)合，俄竭復(fù)合。n+PWB填充因子極限俄竭復(fù)合：低注入