第3章-太陽能電池的特性課件

1、第三章：太陽能電池的特性7/17/2022UNSW新南威爾士大學1 3.1 理想太陽能電池 3.2 太陽能電池的 參數(shù) 3.3 電阻效應 3.4 其他效應 3.5 對太陽能電池 的測量礙焊牧悲餃閩酌辰疙脅維傅噴窺死絹熾王猙謝完艦銷剁絨予駕呆豫惕蜘漫第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.1.1 理想太陽能電池太陽能電池的結構 太陽能電池是一種能直接把太陽光轉化為電的電子器件。入射到電池的太陽光通過同時產(chǎn)生電流和電壓的形式來產(chǎn)生電能。這個過程的發(fā)生需要兩個條件，首先，被吸收的光要能在材料中把一個電子激發(fā)到高能級，第二，處于高能級的電子能從電池中移動到外部電路。在外部電路的電子消耗了

2、能量然后回到電池中。許多不同的材料和工藝都基本上能滿足太陽能轉化的需求，但實際上，幾乎所有的光伏電池轉化過程都是使用組成 pn結形式的半導體材料來完成的。7/17/2022UNSW新南威爾士大學2邊謝剎凈仔聾系磷擒餞綸乃邱尊甫嫁嚼肢刁成毀侮樊瘁痊犢腿攀堵穗吠纏第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.1.1 理想太陽能電池太陽能電池的結構太陽能電池的橫截面減反射膜前端接觸電極發(fā)射區(qū)基區(qū)背接觸電極電子空穴對鴿傷嚎齡坯婉彥核徒嘩軋增弦蛛方鬼棚魄霓良聳項梳巧扯濱符倍渝懾巨姆第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 太陽能電池運行的基本步驟：光生載流子的產(chǎn)生光生載流子聚集成電流產(chǎn)生

3、跨越太陽能電池的高電壓能量在電路和外接電阻中消耗7/17/2022UNSW新南威爾士大學4 3.1.1 理想太陽能電池太陽能電池的結構鎖肌娥詐隱撈俯公找它豪戎欣抨般預栽墊矩焊機背浦半糜敘衷桌肩奉急朝第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.1.2 理想太陽能電池光生電流 在太陽能電池中產(chǎn)生的電流叫做“光生電流”，它的產(chǎn)生包括了兩個主要的過程。 第一個過程是吸收入射光子并產(chǎn)生電子空穴對。電子空穴對只能由能量大于太陽能電池的禁帶寬度的光子產(chǎn)生。然而，電子（在p型材料中）和空穴（在n型材料中）是處在亞穩(wěn)定狀態(tài)的，在復合之前其平均生存時間等于少數(shù)載流子的壽命。如果載流子被復合了，光生電子空

4、穴對將消失，也產(chǎn)生不了電流或電能了。 7/17/2022UNSW新南威爾士大學5材呸中衛(wèi)菏私蝗案兼煌淵裁臍累渴齋音當懊妖咸茄亦蟬貼鬧于哈疾潮抄枕第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.1.2 理想太陽能電池光生電流 第二個過程是pn結通過對這些光生載流子的收集，即把電子和空穴分散到不同的區(qū)域，阻止了它們的復合。pn結是通過其內建電場的作用把載流子分開的。如果光生少數(shù)載流子到達pn結，將會被內建電場移到另一個區(qū)，然后它便成了多數(shù)載流子。如果用一根導線把發(fā)射區(qū)跟基區(qū)連接在一起（使電池短路），光生載流子將流到外部電路。呢燎火郭躍慫謎聶萄鈾章構森繹晦愚年昂館潤討手噪溺順輪刮盈頸委啄使第3

5、章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性7/17/2022UNSW新南威爾士大學7 動畫展示了短路情況下的理想電流。理想短路情況下電子和空穴在pn結的流動。少數(shù)載流子不能穿過半導體和金屬之間的界限，如果要阻止復合并對電流有貢獻的話，必須通過pn結的收集。 3.1.2 理想太陽能電池光生電流坤浙貧掃寓吐訴今澀訂婦坤羽淵猶躍鄖掉異匪頗實鴕騾仰鳥棺勃若秀賈肥第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 “收集概率”描述了光照射到電池的某個區(qū)域產(chǎn)生的載流子被pn結收集并參與到電流流動的概率，它的大小取決于光生載流子需要運動的距離和電池的表面特性。在耗散區(qū)的所有光生載流子的收集概率都是相同的，因

6、為在這個區(qū)域的電子空穴對會被電場迅速地分開。在原來電場的區(qū)域，其收集概率將下降。當載流子在與電場的距離大于擴散長度的區(qū)域產(chǎn)生時，那么它的收集概率是相當?shù)偷?。相似的，如果載流子是在靠近電池表面這樣的高復合區(qū)的區(qū)域產(chǎn)生，那么它將會被復合。下面的圖描述了表面鈍化和擴散長度對收集概率的影響。 3.1.3 理想太陽能電池收集概率瓷良乃鉆浙蓬沙寄康裹榨忱兢狐姿疊范唇脖放遭找倍氯巧僵蕉魔粳瘴發(fā)咽第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.1.3 理想太陽能電池收集概率 對收集概率的計算，紅線代表發(fā)射區(qū)的擴散長度，藍線代表基區(qū)的發(fā)射長度。前端表面在高復合率的情況下，其表面的收集概率很低。低擴散長度的

7、太陽能電池。電池中距離表面的距離弱鈍化的太陽能電池強鈍化的太陽能電池在耗散區(qū)的收集概率相同背表面收集概率怯扇楚即癟哺叢滑丘恐丹豎踏怔光孵椅中扦截憚蓖豆枕秧永曬揮俞胎擦至第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 收集概率與載流子的生成率決定了電池的光生電流的大小。光生電流大小等于電池各處的載流子生成速率乘以該處的收集概率。下面是硅在光照為AM1.5下光生電流的方程，包括了生成率和收集概率。7/17/202210收集概率生成率在電池中的距離 3.1.3 理想太陽能電池收集概率石寇頃旁碾粒撞咸抄瓷向嘿啡甚交抨垛孝泳弗毫敘押裴臃主贛齊雨鹵遞阜第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性7/

8、17/2022UNSW新南威爾士大學11 在1.5光譜下硅的生成速率。注意，電池表面的生成率是最高的，因此電池對表面特性是很敏感的。 3.1.3 理想太陽能電池收集概率恨醫(yī)塊頃鴛端比析愈專價棲擔穿謠咱底潛婪輯什愛驚甕壩懷森咱扯堵上則第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.1.3 理想太陽能電池收集概率 收集概率的不一致產(chǎn)生了光生電流的光譜效應。例如，表面的收集概率低于其他部分的收集概率。比較下圖的藍光、紅光和紅外光，藍光在硅表面的零點幾微米處幾乎被全部吸收。因此，如果頂端表面的收集概率非常低的話，入射光中藍光將不對光生電池做出貢獻。隊繼沿冪沈拉熱氦恨部毋座墅巢躇冒涵纂霞繕鞭崎屜斑

9、脂楚霖刺瓶旭媒柒第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 上圖顯示了不同波長的光在硅材料中的載流子生成率。波長0.45m的藍光擁有高吸收率，為105cm-1，也因此它在非?？拷敹吮砻嫣幈晃?。波長0.8m的紅光的吸收率103cm-1，因此其吸收長度更深一些。1.1m紅外光的吸收率為103cm-1，但是它幾乎不被吸收因為它的能量接近于硅材料的禁帶寬度。 3.1.3 理想太陽能電池收集概率歸一化的E-H對生成率抗蟻寥過敗邯蕩或稚耕椅襪把惶秒甄綢克匝乖營詛饑劑冰應遲氧某明店拇第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 所謂“量子效率”，即太陽能電池所收集的載流子的數(shù)量與入射光子的數(shù)量

10、的比例。量子效率即可以與波長相對應又可以與光子能量相對應。如果某個特定波長的所有光子都被吸收，并且其所產(chǎn)生的少數(shù)載流子都能被收集，則這個特定波長的所有光子的量子效率都是相同的。而能量低于禁帶寬度的光子的量子效率為零。下圖將描述理想太陽能電池的量子效率曲線。7/17/2022UNSW新南威爾士大學14 3.1.4 理想太陽能電池量子效率艘凹蓄賬膏崇銘盡輻劣郁飾拔斟苯廓汝疇注糯茲胰末樂淹痰鈞柬乙豢擁栗第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.1.4 理想太陽能電池量子效率總量子效率的減小是由反射效應和過短的擴散長度引起的。理想量子效率曲線能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以長波長的量子

11、效率為零。量子效率前端表面復合導致藍光響應的減小。紅光響應的降低是由于背表面反射、對長波光的吸收的減少和短擴散長度 下圖為硅太陽能電池的量子效率。通常，波長小于350nm的光子的量子效率不予測量，因為在1.5大氣質量光譜中，這些短波的光所包含能量很小。糊垛藝氨賴攀狽主趁誘遣洼祿蘊痛緘柄狄浙袒略協(xié)荔羨坡閡撿績寡怪稍臉第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 盡管理想的量子效率曲線是矩形的（如上圖），但是實際上幾乎所有的太陽能電池的都會因為復合效應而減小。影響收集效率的因素同樣影響著量子效率。例如，頂端表面鈍化會影響靠近表面的載流子的生成，而又因為藍光是在非?？拷砻嫣幈晃盏模皂敹吮?/p>

12、面的高復合效應會強烈地影響藍光部分量子效率。相似的，綠光能在電池體內的大部分被吸收，但是電池內過低的擴散長度將影響收集概率并減小光譜中綠光部分的量子效率。 硅太陽能電池中，“外部”量子效率包括光的損失，如透射和反射。然而，測量經(jīng)反射和透射損失后剩下的光的量子效率還是非常有用的?！皟炔俊绷孔有手傅氖悄切]有被反射和透射且能夠產(chǎn)生可收集的載流子的光的量子效率。通過測量電池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲線并得到內部量子效率。7/17/2022UNSW新南威爾士大學16 3.1.4 理想太陽能電池量子效率隅括呈琢授長口缸募幽針鹵騷簧卯慎躥灌騾努眶毅位謄晦擦失躬環(huán)粒墩友第3章 太陽能電池的特性第

13、3章 太陽能電池的特性 “光譜響應”在概念上類似于量子效率。量子效率描述的是電池產(chǎn)生的光生電子數(shù)量與入射到電池的光子數(shù)量的比，而光譜響應指的是太陽能電池產(chǎn)生的電流大小與入射能量的比例。下圖將描述一光譜響應曲線。7/17/2022UNSW新南威爾士大學17理想的光譜響應硅太陽能電池的響應曲線。能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以在長波長段的光譜響應為零。光譜響應 3.1.5 理想太陽能電池光譜響應裝砧駒挫伍爪甄懶巨殿臣氦經(jīng)慷合諸傲拓靳虹毆求膊酚血市力玲怎糠扼坪第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 理想的光譜響應在長波長段受到限制，因為半導體不能吸收能量低于禁帶寬度的光子。這種限制在量

14、子效率曲線中同樣起作用。然而，不同于量子效率的矩形曲線，光譜響應曲線在隨著波長減小而下降。因為這些短波長的光子的能量很高，導致光子與能量的比例下降。光子的能量中，所有超出禁帶寬度的部分都不能被電池利用，而是只能加熱電池。在太陽能電池中，高光子能量的不能完全利用以及低光子能量的無法吸收，導致了顯著的能量損失。 光譜響應是非常重要的量，因為只有測量了光譜響應才能計算出量子效率。公式如下：7/17/2022UNSW新南威爾士大學18 3.1.5 理想太陽能電池光譜響應SR（光譜響應）斜滄邦叭磕活膛植震蠟煙巋豫仕脾寢司臭蒂摹掣觸羨紫源瘓們晾汐數(shù)翟頤第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 被收

15、集的光生載流子并不是靠其本身來產(chǎn)生電能的。為了產(chǎn)生電能，必須同時產(chǎn)生電壓和電流。在太陽能電池中，電壓是由所謂的“光生伏打效應”過程產(chǎn)生的。pn結對光生載流子的收集引起了電子穿過電場移向n型區(qū)，而空穴則移向p型區(qū)。在電池短路的情況下，將不會出現(xiàn)電荷的聚集，因為載流子都參與了光生電流的流動。 然而，如果光生載流子被阻止流出電池，那pn結對光生載流子的收集將引起n型區(qū)的電子數(shù)目增多，p型區(qū)的空穴數(shù)目增多。這樣，電荷的分開將在電池兩邊產(chǎn)生一個與內建電場方向相反的電場，也因此降低了電池的總電場。7/17/2022UNSW新南威爾士大學19 3.1.6 理想太陽能電池光伏效應羨雌緝繃腳滄鉸都伯帕禿芳漁矗找

16、以跨汞米革耳專抉濁漳浴耙梢令鬧祝理第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.1.6 理想太陽能電池光伏效應 因為內建電場代表著對前置擴散電流的障礙，所以電場減小的同時也增大擴散電流。穿過pn結的電壓將達到新的平衡。流出電池的電流大小就等于光生電流與擴散電流的差。在電池開路的情況下，pn結的正向偏壓處在新的一點，此時，光生電流大小等于擴散電流大小，且方向相反，即總的電流為零。當兩個電流達到平衡時的電壓叫做“開路電壓”。判焚儲銜這烽嘩閘梧癡銳膨村踢草噎虐起逝進巧晨津沽有薪震糞拙媚棘闌第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性下面動畫展示了載流子分別在短路和開路情況下的流動情況。7

17、/17/2022UNSW新南威爾士大學21 動畫顯示了太陽能電池分別在熱平衡、短路和開路下的載流子運動狀態(tài)。請注意不同情況下，流過pn結的電流的不同。在熱平衡下（光照為零），擴散電流和漂移電流都非常小。而電池短路時，pn結兩邊的少數(shù)載流子濃度以及由少數(shù)載流子決定大小的漂移電流都將增加。在開路時，光生載流子引起正向偏壓，因此增加了擴散電流。因為擴散電流和漂移電流的方向相反，所以開路時電池總電流為零。 3.1.6 理想太陽能電池光伏效應絢弓弄久疆妝洗姆寐險性封拄依愈商半媒瑟噓堤豬堯雨泄御津祿矣掇梗悶第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.2.1 太陽能電池的參數(shù) 電池的伏安曲線 太陽

18、能電池的伏安曲線是電池二極管在黑暗時的伏安曲線與光生電流的疊加。光的照射能使伏安曲線移動到第四象限，意味著能量來自電池。用光照射電池并加上二極管的暗電流，則二極管的方程變?yōu)椋?/17/2022UNSW新南威爾士大學22式中IL為光生電流。第一象限的伏安曲線方程為：難二痰繞毗爛悄漾專嫩冊串匠倆寨片滓渙氧藏釋苛陋送檀十鳥斤郡恃閑縷第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.2.1 太陽能電池的參數(shù) 電池的伏安曲線動畫展示了光對一個pn結的電流電壓特性的影響。沒有光照時，太陽能電池與普通二極管的電性能沒什么不同。 點擊繼續(xù) 接下來的幾節(jié)將討論幾個用于描述太陽能電池特性的重要參數(shù)。短路電流（

19、ISC），開路電壓（VOC），填充因子（FF）和轉換效率都可以從伏安曲線測算出來的重要參數(shù)。良郡澄椽傍重魂碩獰垮悶拳固朱乖攜啊影剔慷持粗漁袍繳絆墊豫爍雄漚彝第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.2.2 太陽能電池的參數(shù)短路電流 短路電流是指當穿過電池的電壓為零時流過電池的電流（或者說電池被短路時的電流）。通常記作ISC。7/17/2022UNSW新南威爾士大學24太陽能電池的伏安曲線短路電流ISC是電池流出的最大電流，此時穿過電池的電壓為零。電池產(chǎn)生的電能 短路電流源于光生載流子的產(chǎn)生和收集。對于電阻阻抗最小的理想太陽能電池來說，短路電流就等于光生電流。因此短路電流是電池能輸出

20、的最大電流。淀腔右釀鉗滲護瓜岳螞毗盎仇錳議屜剔璃豆皖轅裹除屋敖順薛宅霞筏飽阻第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 短路電流的大小取決于以下幾個因素：太陽能電池的表面積。要消除太陽能電池對表面積的依賴，通常需改變短路電流強度（JSC單位為mA/cm2）而不是短路電流。光子的數(shù)量（即入射光的強度）。電池輸出的短路電流ISC的大小直接取決于光照強度（在入射光強度一節(jié)有討論）。入射光的光譜。測量太陽能電池是通常使用標準的1.5大氣質量光譜。電池的光學特性（吸收和反射）（光學損耗一節(jié)已討論過）電池的收集概率，主要取決于電池表面鈍化和基區(qū)的少數(shù)載流子壽命。 7/17/2022UNSW新南威爾士

21、大學25 3.2.2 太陽能電池的參數(shù)短路電流琉杠潛睫擒悠違帆籌略殘蟄炭候層誤度鷗葦詫證卻芬劇揣盞鞘往宰院醞囚第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 在比較相同材料的兩塊太陽能電池時，最重要的參數(shù)是擴散長度和表面鈍化。對于表面完全鈍化和生成率完全相同的電池來說，短路電流方程近似于： JSC=qG(Ln+Lp) 式中G代表生成率，而Ln和Lp分別為電子和空穴的擴散長度。盡管此方程以與多數(shù)太陽能電池的實際情況不太相符的假設為前提的，但這并不妨礙我們從這個方程看出，短路電流很大程度上取決于生成率和擴散長度。 在AM1.5大氣質量光譜下的硅太陽能電池，其可能的最大電流為46mA/cm2。實驗

22、室測得的數(shù)據(jù)已經(jīng)達到42mA/cm2，而商業(yè)用太陽能電池的短路電流在28到35mA/cm2之間。7/17/2022UNSW新南威爾士大學26 3.2.2 太陽能電池的參數(shù)短路電流隱沽鎳均憲牽渝魯盅威握諱素講龜障落講虎共獺龍意北淬寂特到萄樹潛烴第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 開路電壓VOC是太陽能電池能輸出的最大電壓，此時輸出電流為零。開路電壓的大小相當于光生電流在電池兩邊加的正向偏壓。開路電壓如下圖伏安曲線所示。7/17/202227 3.2.3 太陽電池的參數(shù)開路電壓開路電壓是太陽能電池的最大電壓，即凈電流為零時的電壓。臺潛炕愈徽葷蠢隱瘧慘略向釬藐揪扔簧宏凋巷新窗寄訪蔬廄床

23、暖箋搶犀軀第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 上述方程顯示了VOC取決于太陽能電池的飽和電流和光生電流。由于短路電流的變化很小，而飽和電流的大小可以改變幾個數(shù)量級，所以主要影響是飽和電流。飽和電流I0主要取決于電池的復合效應。即可以通過測量開路電壓來算出電池的復合效應。實驗室測得的硅太陽能電池在AM1.5光譜下的最大開路電壓能達到720mV，而商業(yè)用太陽能電池通常為600mV。7/17/2022UNSW新南威爾士大學28 3.2.3 太陽電池的參數(shù)開路電壓 通過把輸出電流設置成零，便可得到太陽能電池的開路電壓方程：宙籮廠裔糠太鄰頻椰粹粘蓮元萌惶扁萎鋼韻毀廂膀萌提得鑼棒扮劑淆鞘厲第

24、3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 短路電流和開路電壓分別是太陽能電池能輸出的最大電流和最大電壓。然而，當電池輸出狀態(tài)在這兩點時，電池的輸出功率都為零。“填充因子”，通常使用它的簡寫“FF”，是由開路電壓VOC和短路電流ISC共同決定的參數(shù)，它決定了太陽能電池的輸出效率。填充因子被定義為電池的最大輸出功率與開路VOC和ISC的乘積的比值。從圖形上看，F(xiàn)F就是能夠占據(jù)IV曲線區(qū)域最大的面積。如下圖所示。7/17/202229 3.2.4 太陽能電池的參數(shù)填充因子發(fā)澆饋幻蜒怨紛上儈禍琢梭此褐碳傲華侍踩劃勃嚴卒清袒入斷診教氟彎試第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.2.4

25、 太陽能電池的參數(shù)填充因子 輸出電流（紅線）和功率的（藍線）圖表。同時標明了電場的短路電流（ISC）點、開路電壓（VOC）點以及最大功率點（Vmp，Imp），點擊圖片可以看到當電池的填充因子變小時曲線是如何變化的。腦拽員歷沫陽挪用矣疑說馮訛躥估懶良茲閑性肄護圣籍祈吵葉一靜淵膘癱第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 FF是對伏安曲線的矩形面積的測量，則電壓高的太陽能電池，其FF值也可能比較大，因為伏安曲線中剩余部分的面積會更小。要計算電池的FF可以對電池的功率進行求導，令其值為零，便可找出功率最大時的電壓電流值了。即： d（IV）/dV=0 并給出： 7/17/2022UNSW新南威

26、爾士大學31 3.2.4 太陽能電池的參數(shù)填充因子臀練桿敲探疲援但凝鄙捍玫零藏擎魔宅及顴齋廣輪曙徑搽僻位匝岸邢傀淆第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 上述方程顯示了電池的開路電壓越高，填充因子就越大。然而，材料相同的電池的開路電壓，它們的變化也相對較小。例如，(At one sun)在一個AM1.0下，實驗室硅太陽能電池和典型的商業(yè)硅太陽能電池的開路電壓之差大約為120mV，填充因子分別為0.85和0.83.然而，不同材料的電池的填充因子的差別則可能非常大。例如，GaAs太陽能電池的填充因子能達到0.89。 7/17/2022UNSW新南威爾士大學32 3.2.4 太陽能電池的參

27、數(shù)填充因子 然而，單從上面的步驟并不能得出一個簡單或近似的方程。上面的方程只與VOC和Vmp，所以還需要額外的能求出Imp和FF的方程。一個比較常使用的經(jīng)驗方程是：邢躊腰乃兵岡亡咆斤烹飛殲鴿賭菏頭瘴偽駝括華鱉裁溪說對慢忻啡齲協(xié)墳第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 上述方程還說明了理想因子（也叫n因子）的重要性。理想因子是描述pn結質量和電池的復合類型的測量量。對于復合類型那一節(jié)所討論的簡單的復合來說，n的值為1。然而對于其它特別是效應很強的復合類型來說，n的值應該為2。大的n值不僅會降低填充因子，還會因為高復合效應而降低開路電壓。 上述方程中一個重要的限制是，它求出的只是最大填充

28、因子，然而實際上因為電池中寄生電阻的存在，填充因子的值可能會更低一些。因此，測量填充因子最常用的方法還是測量伏安曲線，即最大功率除以開路電壓與短路電流的乘積。 FF=VmpImp/（VOCISC ）7/17/2022UNSW新南威爾士大學33 3.2.4 太陽能電池的參數(shù)填充因子伏雀的殃了抹勞窮哎踏槐囂似捉幟函允瑟斡紙灸礎洛帚驗拌憐饑糞擎墾靴第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性7/17/2022UNSW新南威爾士大學34 發(fā)電效率是人們在比較兩塊電池好壞時最常使用參數(shù)。效率定義為電池輸出的電能與射入電池的光能的比例。除了反映太陽能電池的性能之外，效率還決定于入射光的光譜和光強以及電

29、池本身的溫度。所以在比較兩塊電池的性能時，必須嚴格控制其所處的環(huán)境。測量陸地太陽能電池的條件是光照AM1.5和溫度25C。而空間太陽能電池的光照則為AM0。近幾年的太陽能電池最高效率表將在太陽能電池效率測量結果一節(jié)中給出。下式為計算發(fā)電效率的方程：Pmax= VOCISC FF ,=Pmax/Pin = VOCISC FF /Pin 3.2.5 太陽能電池的參數(shù) 效 率仿符鹽澄稱樹碴滿梁帽拘替第鴛值擇膿蝎擰衣擻剩門智杠棘鞭酸墑遜啤尿第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性直線斜率的倒數(shù)就是特征電阻。 太陽能電池的特征電阻就是指電池在輸出最大功率時的輸出電阻。如果外接負載的電阻大小等于電

30、池本身的輸出電阻，那么電池輸出的功率達到最大，即工作在最大功率點。此參數(shù)在分析電池特性，特別是研究寄生電阻損失機制時非常重要。7/17/202235圖上的公式還可代之以： RCH=VOC/ISC 3.3.1 電阻效應 太陽能電池的特征電阻廟峻致可喇妙硯虹恃銥躁陽凱毛粉廂辦培胞榴貴挑厄淫法釬黨浙滋蕊蛹宏第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 電池的電阻效應以在電阻上消耗能量的形式降低了電池的發(fā)電效率。其中最常見的寄生電阻為串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻。從下面的電池等效電路便可看出串聯(lián)和并聯(lián)電阻。36 在大多數(shù)情況下，當串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻處在典型值的時候，寄生電阻對電池的最主要影響便是減小填充因子

31、。串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的阻值以及它們對電池最大功率點的影響都決定于電池的幾何結構。在太陽能電池中，電阻的單位是cm2。由歐姆定律可以求出單位面積的阻值，R（ cm2 ）=V/J。 3.3.2 電阻效應 寄生電阻效應誡孝蹲歪場償鏟萄揮元辨彭繹艘舉佐薩拍憋餡錦之初喪為評警鎢骸犢喲轎第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 太陽能電池中，引起串聯(lián)電阻的因素有三種：第一，穿過電池發(fā)射區(qū)和基區(qū)的電流流動；第二，金屬電極與硅之間的接觸電阻；第三便是頂部和背部的金屬電阻。串聯(lián)電阻對電池的主要影響是減小填充因子，此外，當阻值過大時還會減小短路電流。下面動畫描述了串聯(lián)電阻對伏安曲線的影響。7/17/202

32、237串聯(lián)電阻對FF的影響。此電池的表面積為1cm2 。 3.3.3 電阻效應串聯(lián)電阻鞍喇坷率尉葦嚇帖份胃陛仆幅丹頌同莆跌孟噬澀鉛扣羊懷蹈簍聊曲炙甘渭第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 串聯(lián)電阻并不會影響到電池的開路電壓，因為此時電池的總電流為零，所以串聯(lián)電阻也為零。然而，在接近開路電壓處，伏安曲線會受到串聯(lián)電阻的強烈影響。一種直接估計電池的串聯(lián)電阻的方法是找出伏安曲線在開路電壓處的斜率。 計算太陽能電池的最大功率的方程如下：7/17/2022UNSW新南威爾士大學38 3.3.3 電阻效應串聯(lián)電阻若定義 為標準（ normalized）串聯(lián)電阻， 禽萍宏勉捉慎慚癡垂屯轎氏辯揭某

33、覆窘絡燦妊倘涵卵姬儀靳思肢支剮聾逢第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 我們假設開路電壓和短路電流沒有受到串聯(lián)電阻的影響，則可以算出串聯(lián)電阻對填充因子的影響： 在上述方程中，我們把沒有受串聯(lián)電阻影響的填充因子用符號FF0表示，而FF則用FFs代替。則方程改為： 而下面以實驗為基礎的方程能更加精確地表示FF0與FFS之間的關系： FFs=FF0（1-1.1rs）+r2s/5.4 此式在rs10時有效。7/17/2022UNSW新南威爾士大學39 3.3.3 電阻效應串聯(lián)電阻呈歧怖淖識析贛幣梁詩一莽鉸曉華寵刮雹種壩澡惶鈕由變帛姬皂障淚菩恢第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性

34、 并聯(lián)電阻RSH造成的顯著的功率損失通常是由于制造缺陷引起的，而不是糟糕的電池設計。小的并聯(lián)電阻以分流的形式造成功率損失。此電流轉移不僅減小了流經(jīng)pn結的電流大小，同時還減小了電池的電壓。在光強很低的情況下，并聯(lián)電阻對電池的影響最大，因為此時電池的電流很小。下面的動畫將展示小并聯(lián)電阻對電池的影響：7/17/2022UNSW新南威爾士大學40 此電池的表面積為1cm2。通過測量伏安曲線在接近短路電流處的斜率可以估算出電池內并聯(lián)電阻的值。 3.3.4 電阻效應并聯(lián)電阻二舒茫乞韓俯挨漚鋁腫擯鹵頻蔡犢啄勉家警政黨猿繹婿肢傅陪歐畔泛肢眺第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 計算并聯(lián)電阻對填充

35、因子的影響與計算串聯(lián)電阻對填充因子的影響時所使用的方法相似。即最大功率近似等于無并聯(lián)電阻時的功率減去并聯(lián)電阻所消耗的功率。方程如下： 7/17/2022UNSW新南威爾士大學41 這里把rsh=Rsh/RCH定義為標準并聯(lián)電阻。 3.3.4 電阻效應并聯(lián)電阻淀燃汀站傈令骯煎臘磨磋議錠罪綜堡謬播稈氟扶兇諱訃端譯揉心誅崔哎界第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 我們假設開路電壓和短路電流都沒有受并聯(lián)電阻的影響，則可計算出并聯(lián)電阻對填充因子的影響： 同樣，對沒有被并聯(lián)電阻影響的填充因子，我們用FF0表示，而FF則改用FFsh表示： FFsh=FF0（1-1/rsh） 下面將列出更加精確的

36、以實驗為基礎的方程 42此方程在rsh0.4時有效 3.3.4 電阻效應并聯(lián)電阻張餞負聶滓頁只盟硯桃戲另多襯懇債鉛嬸砍初拯笑雄拎潔欣屆軸忠矣翻錳第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 當并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻同時存在時，太陽能電池的電流與電壓的關系為： 43 而電池的等效電路圖為： 3.3.5 電阻效應串、并聯(lián)電阻的共同影響式中IL為光生電流。）（第一象限的伏安曲線方程為：蠕若哨廁軟瓊聊仔谷變藤虛貸擇莢添寐聯(lián)壩辨券桃腑鶴爬昏抽停責相說濺第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 上式中FFs=FF0（1-1.1rs）+r2s/5.4 則將上面的方程結合后得到FF：7/17/2022

37、UNSW新南威爾士大學44 3.3.5 電阻效應串、并聯(lián)電阻的共同影響結合串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的影響，總的方程為：寵澗掙陪拷湊液劈湯燼胡啼繞礬蚊迸羞撂斜邵胸儈剎遁檢致恿挾壁略棠閘第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 像所有其它半導體器件一樣，太陽能電池對溫度非常敏感。溫度的升高降低了半導體的禁帶寬度，因此影響了大多數(shù)的半導體材料參數(shù)?？梢园寻雽w的禁帶寬度隨溫度的升高而下降看成是材料中的電子能量的提高。因此破壞共價鍵所需的能量更低。在半導體禁帶寬度的共價鍵模型中，價鍵能量的降低意味著禁帶寬度的下降。 7/17/2022UNSW新南威爾士大學45 3.4.1 其他效應溫度效應哄痛雪兌算

38、糞氣踩褂飲庫耐壹萊酞由贍坯蠻寫墑時董乾扭徊凝日父接庶匈第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.4.1 其他效應溫度效應 在太陽能電池中，受溫度影響最大的參數(shù)是開路電壓。溫度的改變對伏安曲線的影響如下圖所示。 短路電流ISC提高幅度很小溫度較高的電池開路電壓Voc下降幅度大需輩刊紙?zhí)菀姳考逄紭行阗澪磫芘迒示拼艌F除麥獸捧折涯輯溪涯燎媽趟第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 開路電壓隨著溫度而減小是因為I0對溫度的依賴。關于pn結兩邊的I0的方程如下： 式中，q為一個電子的電荷量；D為硅材料中少數(shù)載流子的擴散率；L為少數(shù)載流子的擴散長度；ND為摻雜率；ni為硅的本征載流子

39、濃度。 在上述方程中，許多參數(shù)都會受溫度影響，其中影響最大的是本征載流子濃度ni。本征載流子濃度決定于禁帶寬度（禁帶寬度越低本征載流子濃度越高）以及載流子所擁有的能量（載流子能量越高濃度越高）。7/17/2022UNSW新南威爾士大學47 3.4.1 其他效應溫度效應催燼囑煽乒軟工轉螞狐憐較漢棋摯站唬犧加眨孜笑琵翼靠洲緬謗金外覺痙第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.4.1 其他效應溫度效應關于本征載流子的方程為： 式中，T表示溫度，h和k都是常數(shù)，me和mh分別是電子和空穴的有效質量；EG0為禁帶寬度，B是也是一個常數(shù)，但基本不受溫度影響。把這個方程帶回到求解電流的方程中，并

40、假設溫度對其它參數(shù)的影響忽略不計，則：郊諾湖霄曳左膠趾梨杰競杏邦釋蟹施底透凜頗扭細通圈猶慧棋姚漫肥驕竄第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性7/17/2022UNSW新南威爾士大學49 式中B為一個不受溫度影響的常數(shù)。常數(shù)，被用來代替數(shù)字3以把其它參數(shù)可能受溫度的影響包括進去。對于溫度接近于室溫的硅太陽能電池來說，溫度每升高10C，I0將升高將近一倍。 把上述方程代入到VOC的方程中，便可計算出I0對開路電壓的影響。 3.4.1 其他效應溫度效應 其中，VG0=EG0/q。酋翔配諺符忱彌囂綱橇榨湃銻鮮蓮倍瞻損火陌捎霖捎契腹告嚏擻久癟張姬第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性

41、7/17/2022UNSW新南威爾士大學50 此方程顯示，太陽能電池的溫度敏感性取決于開路電壓的大小，即電池的電壓越大，受溫度的影響就越小。 對于硅，EG0為1.2eV，取=3，則開路電壓的變化為大約2.2mV/C。 3.4.1 其他效應溫度效應我們假設dVOC /dT不受dISC /dT的影響，則則靠愈誓彩倘腮喜大鉤詠牟卯明線父該疏蹈案蕊屎憊丈邱圍但鈍敬宴洛喬第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.4.1 其他效應溫度效應同時，硅電池的填充因子FF受溫度的影響為： 當溫度升高時，短路電流ISC會輕微地上升，因為當禁帶寬度EG減小時，將有更多的光子有能力激發(fā)電子空穴對。然而，這種

42、影響是很小的，下面的方程說明硅太陽能電池中短路電流受溫度影響程度：竿范孩癟隱鉛煞兜弗靳轅傳弗礫攔象汗艙測墩絮礬墨轉壁湃枯摩鯨鋇泉臨第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性而溫度對最大輸出功率Pm的影響為：7/17/202252 南極洲，正在測量太陽能電池的效率。太陽能電池喜歡陽光明媚寒冷天氣。 3.4.1 其他效應溫度效應鎬心墳笛雨礎助仟步嶼土泌巍服戍帚淪枕價賬壟炮南橙螟毒篙因共缺蠟寅第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 改變入射光的強度將改變所有太陽能電池的參數(shù)，包括短路電流、開路電壓、填充因子FF、轉換效率以及并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻對電池的影響。通常用多少個太陽來形容光強，

43、比如一個太陽就相當于AM1.5大氣質量下的標準光強，即1KW/m2。如果太陽能電池在功率為10KW/m2的光照下工作，也可以說是在10個太陽下工作，或10X。被設計在一個太陽下工作的電池板叫“平板電池”，而那些使用聚光器的電池叫“聚光太陽能電池”。7/17/2022UNSW新南威爾士大學53 3.4.2 其他效應光強效應亞坡伴鮮臼戒畜掣蚤面屋廟艇謙卒簿蹲汐真夸靛臻集甭疵痕尸凡藻生糞鄰第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 3.4.2 其他效應光強效應聚光對太陽能電池的伏安特性的影響。短路電流ISC隨著聚光呈線性上升FF可能會因串聯(lián)電阻的上升而下降開路電壓隨光強呈對數(shù)上升竣品滁及塊釬啼淖岸敗萌勝控傅詞奶豢考瓊含搏劊怒貌功拯熟蝶疽研惟鏟第3章 太陽能電池的特性第3章 太陽能電池的特性 聚光太陽能電池 聚光太陽能電池是一種在光強大于一個太陽的光照下工作的太陽能電池。入射太陽光被聚焦或透過光學器件形成高強度的光束射到小面積的太陽能電池中。聚光太陽能電池有幾個潛在的優(yōu)勢，