第3章-太陽能電池的特性-1

第三章：

太陽能電池的特性&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(yīng)&3.4其他效應(yīng)&3.5對太陽能電池的測量2/1/20231UNSW新南威爾士大學(xué)&3.1.1理想太陽能電池

太陽能電池的結(jié)構(gòu)2/1/20232UNSW新南威爾士大學(xué)太陽能電池是一種能直接把太陽光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化的需求，但實際上，幾乎所有的光伏電池轉(zhuǎn)化過程都是使用組成PN結(jié)形式的半導(dǎo)體材料來完成的。&3.1.1理想太陽能電池

太陽能電池的結(jié)構(gòu)2/1/20233UNSW新南威爾士大學(xué)&3.1.1理想太陽能電池

太陽能電池的結(jié)構(gòu)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穿過電池的高電壓的產(chǎn)生能量在電路和外接電阻中消耗2/1/20234UNSW新南威爾士大學(xué)&3.1.2理想太陽能電池

光生電流理想短路情況下電子和空穴在p-n結(jié)的流動。少數(shù)載流子不能穿過半導(dǎo)體和金屬之間的界限，如果要阻止復(fù)合并對電流有貢獻(xiàn)的話，必須通過p-n結(jié)的收集。2/1/20235UNSW新南威爾士大學(xué)&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電子并產(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，電子和空穴是處在亞穩(wěn)定狀態(tài)的，在復(fù)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(fù)合了，光生電子空穴對將消失，也沒有電流和電能產(chǎn)生。第二個過程是，p-n結(jié)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(fù)合。P-n結(jié)是通過其內(nèi)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(dá)p-n結(jié)，將會被內(nèi)建電場移到另一個區(qū)，然后它便成了多數(shù)載流子。2/1/20236UNSW新南威爾士大學(xué)&3.1.3理想太陽能電池

收集概率“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p-n結(jié)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。在耗盡區(qū)的所有光生載流子的收集概率都是相同的，因為在這個區(qū)域的電子空穴對會被電場迅速地分開。在離開耗盡區(qū)，其收集概率將下降。當(dāng)載流子在與電場的距離大于擴(kuò)散長度的區(qū)域產(chǎn)生時，那么它的收集概率是相當(dāng)?shù)偷?。如果載流子是在靠近電池表面這樣的高復(fù)合區(qū)的區(qū)域產(chǎn)生，那么它將會被復(fù)合。前端表面在電池中位置收集概率2/1/20237UNSW新南威爾士大學(xué)

對收集概率的計算，紅線代表發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散長度，藍(lán)線代表基區(qū)的發(fā)射長度2/1/20238UNSW新南威爾士大學(xué)&3.1.3理想太陽能電池

收集概率收集概率與載流子的產(chǎn)生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于那一處的收集概率。下面計算光生電流的方程包括了生成率和收集概率，其材料為硅，光照為1.5AM。2/1/20239UNSW新南威爾士大學(xué)&3.1.3理想太陽能電池

收集概率在1.5光譜下硅的載流子產(chǎn)生率。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。2/1/202310UNSW新南威爾士大學(xué)&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(yīng)。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(lán)光、紅光和紅外光，藍(lán)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，入射光中將沒有藍(lán)光對光生電池做出貢獻(xiàn)。2/1/202311UNSW新南威爾士大學(xué)&3.1.3理想太陽能電池

收集概率不同波長的光在硅材料中的載流子生成率。波長0.45μm的藍(lán)光擁有高吸收率，為105cm-1，也因此它在非常靠近頂端表面處被吸收。波長0.8μm的紅光的吸收率103cm-1，因此其吸收長度更深一些。1.1μm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2/1/202312UNSW新南威爾士大學(xué)&3.1.4理想太陽能電池

量子效率所謂“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)量的比例。量子效率即可以與波長相對應(yīng)又可以與光子能量相對應(yīng)。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。能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以長波長的量子效率為零。量子效率2/1/202313UNSW新南威爾士大學(xué)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(zhì)量光譜中，這些短波的光所包含能量很小。&3.1.4理想太陽能電池

量子效率2/1/202314UNSW新南威爾士大學(xué)&3.1.4理想太陽能電池

量子效率盡管理想的量子效率曲線是矩形的，但是實際上幾乎所有的太陽能電池的都會因為復(fù)合效應(yīng)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(lán)光是在非?？拷砻嫣幈晃盏?，所以頂端表面的高復(fù)合效應(yīng)會強烈地影響藍(lán)光部分量子效率。相似的，綠光能在電池體內(nèi)的大部分被吸收，但是電池內(nèi)過低的擴(kuò)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。

2/1/202315UNSW新南威爾士大學(xué)&3.1.4理想太陽能電池

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。”內(nèi)部“量子效率指的是那些沒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(nèi)部量子效率。2/1/202316UNSW新南威爾士大學(xué)&3.1.5理想太陽能電池

光譜響應(yīng)”光譜響應(yīng)“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(yīng)指的是太陽能電池產(chǎn)生的電流大小與入射能量的比例。理想的光譜響應(yīng)在長波長段受到限制，因為半導(dǎo)體不能吸收能量低于禁帶寬度的光子。光譜響應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)致了顯著的能量損失。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(yīng)為零。光譜響應(yīng)2/1/202317UNSW新南威爾士大學(xué)硅太陽能電池的光伏響應(yīng)曲線&3.1.5理想太陽能電池

光譜響應(yīng)2/1/202318UNSW新南威爾士大學(xué)&3.1.6理想太陽能電池

光伏效應(yīng)被收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(yīng)”過程產(chǎn)生的。p-n結(jié)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。

載流子在分別在短路和開路的下的流動情況2/1/202319UNSW新南威爾士大學(xué)被收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(yīng)”過程產(chǎn)生的。pn結(jié)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(jié)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(nèi)建電場方向相反的電場，也因此降低了電池的總電場。因為內(nèi)建電場代表著對前置擴(kuò)散電流的障礙，所以電場減小的同時也增大擴(kuò)散電流。穿過pn結(jié)的電壓將達(dá)到新的平衡。流出電池的電流大小就等于光生電流與擴(kuò)散電流的差。在電池開路的情況下，pn結(jié)的正向偏壓處在新的一點，此時，光生&3.1.6理想太陽能電池

光伏效應(yīng)2/1/202320UNSW新南威爾士大學(xué)&3.1.6理想太陽能電池

光伏效應(yīng)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)。在熱平衡下（光照為零），擴(kuò)散電流和漂移電流都非常小。而電池短路時，p-n結(jié)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(kuò)散電流。擴(kuò)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。2/1/202321UNSW新南威爾士大學(xué)

&3.2.1太陽能電池的參數(shù)

電池的伏安曲線太陽能電池的伏安曲線是電池二極管在無光照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)椋菏街蠭L為光生電流光照對p-n結(jié)的電流電壓特性的影響及計算2/1/202322UNSW新南威爾士大學(xué)

&3.2.1太陽能電池的參數(shù)

電池的伏安曲線接下來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（ISC），開路電壓（VOC），填充因子（FF）和轉(zhuǎn)換效率都可以從伏安曲線測算出來的重要參數(shù)。2/1/202323UNSW新南威爾士大學(xué)

&3.2.2太陽能電池的參數(shù)

短路電流

短路電流是指當(dāng)穿過電池的電壓為零時流過電池的電流，ISC。短路電流源于光生載流子的產(chǎn)生的收集。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的最大電流。2/1/202324UNSW新南威爾士大學(xué)

&3.2.2太陽能電池的參數(shù)

短路電流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密度（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。入射光的光譜。測量太陽能電池是通常使用標(biāo)準(zhǔn)的AM1.5光譜。電池的光學(xué)特性（吸收和反射）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。

在比較材料相同的兩塊太陽能電池時，最重要的參數(shù)是擴(kuò)散長度和表面鈍化。2/1/202325UNSW新南威爾士大學(xué)

&3.2.2太陽能電池的參數(shù)

短路電流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(kuò)散長度?？梢钥闯?，短路電流很大程度上取決于載流子的產(chǎn)生率和擴(kuò)散長度。

在AM1.5下的硅太陽能電池，可能的最大電流為46mA/cm2。實驗室測得的數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)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。2/1/202326UNSW新南威爾士大學(xué)

&3.2.3太陽電池的參數(shù)

開路電壓2/1/202327UNSW新南威爾士大學(xué)開路電壓取決了太陽能電池的飽和電流和光生電流。短路電流的變化很小，所以關(guān)鍵影響在于飽和電流，因為飽和電流的大小可以改變幾個數(shù)量級。飽和電流Io主要取決于電池的復(fù)合效應(yīng)。即可以通過測量開路電壓來算出電池的復(fù)合效應(yīng)。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(dá)到720mV，而商業(yè)用太陽能電池通常為600mV。

&3.2.3太陽電池的參數(shù)

開路電壓太陽能電池的開路電壓方程2/1/202328UNSW新南威爾士大學(xué)

&3.2.4太陽能電池的參數(shù)

填充因子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(dāng)電池輸出狀態(tài)在這兩點時，電池的輸出功率都為零?！疤畛湟蜃印ǔＪ褂盟暮唽憽盕F“，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。FF就是能夠占據(jù)IV曲線區(qū)域最大的面積。2/1/202329UNSW新南威爾士大學(xué)

輸出電流（紅線）和功率的（藍(lán)線）圖表。同時標(biāo)明了電場的短路電流點、開路電壓點以及最大功率點。2/1/202330UNSW新南威爾士大學(xué)

&3.2.4太陽能電池的參數(shù)

填充因子測量填充