太陽能電池效率的極限損失與測量解讀課件

1、13.4太陽能電池效率的極限、損失與測量1一、太陽電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限太陽能電池的理論效率太陽能電池的理論效率由下式?jīng)Q定：當(dāng)入射太陽光譜AM0或AM1.5確定以后，其值就取決于開路電壓Voc、短路電流Isc和填充因子FF的最大值。下面我們就來分別考慮開路電壓Voc、短路電流Isc和填充因子FF的最大值。2022/10/172一、太陽電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限1.短路電流Isc的考慮：我們假設(shè)在太陽光譜中波長大于長波限的光對太陽能電池沒有貢獻(xiàn)，其中長波限滿足：而其余部分的光子，因其能量h大于材料的禁帶寬度Eg，被材料吸收而激發(fā)電子-空穴對。假設(shè)其量子產(chǎn)額為1，而且被激發(fā)出的光生少子在最理想的情況下

2、，百分之百地被收集起來。影響因素：面積、光強(qiáng)、溫度光生載流子的定向運動形成光生電流IL最大光生電流值為：式中Nph(Eg)為每秒鐘投射到電池上能量大于Eg的總光子數(shù)。 ILmax=qNph（Eg）2022/10/173一、太陽電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限1.短路電流Isc的考慮：在AMO和AM1.5光照射下的最大短路電流值。當(dāng)禁帶寬度減小時，短路電流密度增加。2022/10/174一、太陽電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限2.開路電壓Voc的考慮：開路電壓Voc的最大值，在理想情況下有下式?jīng)Q定：式中IL是光生電流，Io是二極管反向飽和電流，其滿足：顯然， Io取決于Eg、Ln、Lh、NA、ND和絕對溫度T的大小

3、，同時也與光電池結(jié)構(gòu)有關(guān)。為了提高Voc，常常采用Eg大，少子壽命長及低電阻率的材料，代入合適的半導(dǎo)體參數(shù)的數(shù)值，給出硅的最大Voc值約700mV左右。影響因素：光強(qiáng)、溫度、材料特性 2022/10/175一、太陽電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限2.開路電壓Voc的考慮：飽和電流越小開路電壓越大，盡可能使飽和電流小。由將高品質(zhì)電池參數(shù)代入，可得：由上式可看到，開路電壓隨著禁帶寬度的減小而減小。而短路電流是隨著寬度的減小而增加，那么總存在一個最佳禁帶寬度使效率最大。2022/10/176一、太陽電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限2.開路電壓Voc的考慮：為什么最高效率比較低？2022/10/177一、太陽電池轉(zhuǎn)換效率

4、的理論上限2.開路電壓Voc的考慮：2022/10/178一、太陽電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限3.填充因子FF的考慮：在理想情況下，填充因子FF僅是開路電壓Voc的函數(shù)，可用以下經(jīng)驗公式表示：這樣，當(dāng)開路電壓Voc的最大值確定后，就可計算得到FF的最大值。2022/10/179電池種類轉(zhuǎn)換效率(%)研制單位備注單晶硅電池24.70.5澳大利亞新南威爾士大學(xué)4 cm2面積GaAs多結(jié)電池34.71.7Spectro lab333倍聚光多晶硅電池20.30.5德國弗朗霍夫研究所1.002 cm2面積InGaP/GaAs30.81.0日本能源公司4 cm2面積非晶硅電池12.80.7美國USSC公司 0.

5、27 cm2面積CIGS電池19.50.6美國可再生能源實驗室0.41 cm2面積CdTe電池16.50.5美國可再生能源實驗室1.032 cm2面積多晶硅薄膜電池16.60.4德國斯圖加特大學(xué)4.017 cm2面積納米硅電池10.10.2日本鐘淵公司2微米膜(玻璃襯底)氧化鈦有機(jī)納米電池11.00.5EPFL0.25 cm2面積GaInP/GaAs/Ge37.31.9Spectro lab175 倍聚光背接觸聚光硅電池26.80.8美國SunPower公司96倍聚光世界主要太陽電池新紀(jì)錄2022/10/1710中國太陽電池實驗室最高效率最高效率面積(cm2)單晶硅電池20.422多晶硅電池1

6、4.5322GaAs電池20.111聚光硅電池1722CdS/CuxS電池12幾個mm2CuInSe2電池8.5711CdTe電池73mm2多晶硅薄膜電池13.611非晶硅電池11.2(單結(jié))8.66.2幾個mm210103030二氧化鈦納米有機(jī)電池10112022/10/1711如何進(jìn)一步提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)前的研究課題，這也就是所謂的高效率化技術(shù)的開發(fā)。2022/10/1712二、效率的損失有三種稱之為光學(xué)的損失,其主要影響是降低了光生電流值。(1)硅表面光的反射。由前面學(xué)習(xí)的“光的吸收”可知，反射率在空氣介質(zhì)界面：1、短路電流損失式中n為半導(dǎo)體材料復(fù)數(shù)折射率之實部，即普通折射率，

7、k是其虛部，稱為消光系數(shù)。2022/10/1713二、效率的損失1、短路電流損失 每種材料的n和k都與入射光之波長有關(guān)。對硅來說，其關(guān)系曲線如圖所示。把n、k的結(jié)果代入式中，發(fā)現(xiàn)在感興趣的太陽光譜中，超過30%的光能被裸露硅表面反射掉了。 硅折射率的實部n與虛部k與光子能量的關(guān)系電池厚度對Isc的影響一般在太陽能電池表面鍍有減反膜，及將表面絨面化。一般增加減反膜之后，太陽能電池反射減小到10%。2022/10/1714二、效率的損失(2)柵指電極遮光損失c定義為柵指電極遮光面積在太陽電池總面積中所占的百分比。對一般電池來說，c約為4%15%。1、短路電流損失2022/10/1715二、效率的損

8、失1、短路電流損失(3)透射損失：如果電池厚度不足夠大，某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出。這決定了半導(dǎo)體材料之最小厚度。間接帶隙半導(dǎo)體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。2022/10/1716二、效率的損失短流損失的另外一個原因是半導(dǎo)體體內(nèi)及表面的復(fù)合，上一章中曾學(xué)到，有效收集區(qū)域只在耗盡區(qū)及兩側(cè)擴(kuò)散長度內(nèi)。體內(nèi)其它位置產(chǎn)生的空穴電子對，很難達(dá)到器件輸出端。1、短路電流損失2022/10/1717二、效率的損失決定光生伏特大小的因素，是在耗盡區(qū)兩邊所堆積的光生非平衡載流子的多少，而非子的多少和復(fù)合速度有關(guān)系。復(fù)合率越大，開壓越小。2、開路電壓損失2022/10/17183.填充因子損失

9、當(dāng)考慮串聯(lián)電阻Rs時：特征電阻:歸一化串聯(lián)電阻:填充因子近似為:當(dāng)考慮并聯(lián)電阻Rsh時：歸一化并聯(lián)電阻:歸一化的開路電壓:填充因子近似為:二、效率的損失2022/10/1719例題解：2022/10/1720例題解：2022/10/1721例題解：2022/10/1722例題解：2022/10/1723例題解：2022/10/1724提高太陽能電池效率的途經(jīng) 在硅太陽能電池的制造歷史中已經(jīng)采用過許多措施來提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，并且隨著能源的不斷消耗，高效太陽能的研究正熱火朝天地進(jìn)行。主要針對： 1.降低光電子的表面復(fù)合，如降低表面態(tài)等； 2.降低入射光的表面反射，用多種太陽光減反射技術(shù)

10、，如沉積 減反層、硅片表面織構(gòu)技術(shù)、局部背表面場技術(shù)，最大限度 地減少太陽光在硅表面的反射； 3.電極低接觸電阻和集成受光技術(shù)，如激光刻槽埋柵技術(shù)和表 面濃度擴(kuò)散技術(shù)，使電極接觸電阻低和增加硅表面受光面積。 4.降低P-N結(jié)的結(jié)深和漏電； 5.采用高效廉價光電轉(zhuǎn)換材料；2022/10/1725作業(yè) 1.（a）一個太陽電池受到光強(qiáng)為20mW/cm2，波長為700nm的單色光的均勻照射。如果電池材料的禁帶寬度為1.4eV，問相應(yīng)的入射光的光子通量及電池所輸出的短路電流的上限是多少？（b）如果禁帶寬度是2.0eV，那么相應(yīng)的短路電流上限是多少？2.當(dāng)電流受到表1.1中AM1.5入射光照射時，某電池可得到最大短路電流密度為40 。如果300K時電池的最大開路電壓為0.5V，問在此溫度下電池效率的上限是多少？3 一電池受到光強(qiáng)為100mW/cm2的單色光均勻照射。300K時電池的最小飽和電流密度是10-21 。如果單色光的波長為：（a）450nm, (b)900nm,試分別計算此溫度下電池將光轉(zhuǎn)換為電能的效率極限，假設(shè)在每一種情況下電子能量都大于材料禁帶寬度。（c）解釋所計算得出的效率之間的