第五講：太陽能電池效率極限

1、江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系林梅課件江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系林梅課件 太陽能電池太陽能電池 工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用 作者：馬丁作者：馬丁.格林格林 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 2 第第 四講四講 效率極限效率極限 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 復(fù)習(xí) 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)

2、工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 1 太陽能發(fā)電原理和影響因素太陽能發(fā)電原理和影響因素 1.1 光的吸收與載流子復(fù)合光的吸收與載流子復(fù)合 1.2 光照的影響光照的影響 1.3 光譜響應(yīng)光譜響應(yīng) 1.4 溫度的影響溫度的影響 1.5 寄生電阻的影響寄生電阻的影響 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 1.1 光的吸收與載流子復(fù)合光的吸收與載流子復(fù)合 當(dāng)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

3、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。 光照時電子光照時電子-空穴對的產(chǎn)生空穴對的產(chǎn)生 Eg 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 (禁帶寬禁帶寬) 價帶價帶 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 光子的能量越高，被吸收的位置就越接近半導(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。 光的能量與電子光的能量與電子-空穴對產(chǎn)生的位置間的聯(lián)系空穴對產(chǎn)生的位置間的聯(lián)系 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職

4、業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 Resource Characteristics 地面附近太陽輻射光譜圖地面附近太陽輻射光譜圖 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 The absorption depths of silicon 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 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。 x GNe 物理

5、意義物理意義 相當(dāng)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。 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 在在300K時，對于硅材料，時，對于硅材料，和波長的函數(shù)關(guān)系和波長的函數(shù)關(guān)系 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 1.1 光的吸收與載流子復(fù)合光的吸收與載流子復(fù)合 當(dāng)光源被關(guān)掉后，系統(tǒng)勢必會回到一個平衡狀態(tài) 。在沒有外界能量來源的情況下，電子和空穴會

6、 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。 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 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)。 第一講太

7、陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 1.2 光照的影響光照的影響 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)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；頂電極上的反射與吸收；2-在電池表面的反射；在電池表面的反射；3-可用的吸收；可用的吸收； 4-電池底部的反射（僅對吸收較弱的光線有效）；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；反射后的吸收； 6-背電極處的吸收背電極處的吸收 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西

8、工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 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）動、被收集、外電路流動） 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 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電子空穴對復(fù)合

9、的一些可能模式，以及未復(fù)合的載流子被收集的情況 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 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(dāng)V=0時，那些被收集的載流子將 會產(chǎn)生一定大小的電流。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。 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 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

10、，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?0exp( ) 1 L qV III nkT 1.2 光照的影響光照的影響 0exp( ) 1 qV II nkT 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 光的照射對光的照射對P-N結(jié)電流結(jié)電流-電壓間函數(shù)特性的影響電壓間函數(shù)特性的影響 電壓電流電壓電流 方向？方向？ 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 I V Dark Characteristi

11、c Light Characteristic I V Power Generating Region Power Dissipating Region Power Dissipating Region 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 光照能使電池的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 ： 0exp( ) 1 L qV III nkT 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工

12、程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 The VI characteristic of a solar cell is usually displayed like this: V I V I The coordinate system is flipped around the voltage axis. 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 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： 短路電流短路電流（Isc， Short circuit

13、current ） 當(dāng)電壓為零時電池輸出的最大電流，Isc=IL。Isc與 所接受到的光照強度成正比。 開路電壓開路電壓（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。 0 ln(1) L OC InkT V qI 0exp( ) 1 L qV III nkT 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 I = ISC R = 0 Does it surprise you that the current at short circu

14、it is not infinite? Or that a current can flow with no voltage? Where does the energy originate? Question #1: 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 I = 0 R = Question #2: + _ V = VOC 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 RS , RSH ISC VOC The slopes of thes

15、e lines are characteristic resistances. RSH RS 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 ISC RS RSH RLOAD Equivalent circuit for a solar cell with load. Internal resistances RS and RSH represent power loss mechanisms inside the cell. Cell Cell 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電

16、子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 ISC RS = 0 RSH = RLOAD The ideal solar cell would have no internal losses at all! What would the VI characteristic of THIS cell look like? 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 ISC VOC RSH = RS = 0 The Ideal Solar Cell 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

17、電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 Notice that the area under the rectangle = PMAX for the ideal cell. For this cell, PMAX = VOC ISC ISC VOC The Ideal Solar Cell 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 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)電阻的參數(shù)。

18、填充因子定義為： 所以： I mpmp ocsc V FF V I mpocsc PV I FF 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 ISC , PMAX , VOC (0.5V, 0 mA) V I = 0 mW (0.43 V, 142 mA) V I = 61 mW ISC VOC PMAX (0V, 150 mA) V I = 0 mW Some typical values 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 ISC

19、VOC Fill Factor In fact, PMAX/(ISC VOC) measures the cells quality as a power source. The quantity is called the “Fill Factor.” Can you see why? 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 補充：最大轉(zhuǎn)換效率為帶隙補充：最大轉(zhuǎn)換效率為帶隙Eg的函數(shù)的函數(shù) 定性結(jié)論：定性結(jié)論： 短路電流隨短路電流隨Eg的增大而減??；的增大而減??； 開路電壓隨開路電壓隨Eg的增大而增大；的增大而增

20、大； 在在Eg為為1.4eV時出現(xiàn)太陽電池的最大轉(zhuǎn)換效率時出現(xiàn)太陽電池的最大轉(zhuǎn)換效率 mpocsc PV I FF 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 1.3 光譜響應(yīng)光譜響應(yīng) 當(dāng)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電子空穴對的產(chǎn)生與超過帶隙部分能量的散失 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)

21、技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 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(dāng)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。 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 光譜響應(yīng)度光譜響應(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 。 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工

22、業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 光譜響應(yīng)度光譜響應(yīng)度 然而，在短波長輻射下，電池?zé)o法利用光子的全部能量然而，在短波長輻射下，電池?zé)o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，長波長輻射下，電池對光線的吸收作用較弱，導(dǎo)致大 部分光子在遠離部分光子在遠離P-N結(jié)的區(qū)域被吸收。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)。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)典型的實際太陽電池的外部量子效率和光譜響應(yīng) 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)

23、技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 恒定的電池溫度下，不同的輻照度對光生電流密度恒定的電池溫度下，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和電壓輸出特性曲線的影響 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 1.4 溫度的影響溫度的影響 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

24、功率的影響如下 1 1 (0.004 0.005) C mm mm dP PdT 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 溫度對太陽電池溫度對太陽電池I-V特性的影響特性的影響 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 1.5 寄生電阻的影響寄生電阻的影響 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。 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子

25、系林梅 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串聯(lián)電阻對太陽電池填充因子的影響 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 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分流電阻對太陽電池填充因子的影響 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 2 太陽電池效率和結(jié)構(gòu)設(shè)計太陽電池

26、效率和結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 太陽電池效率太陽電池效率 2.2 光學(xué)損失光學(xué)損失 2.3 復(fù)合損失復(fù)合損失 2.4 電極設(shè)計電極設(shè)計 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 2.1 太陽電池效率太陽電池效率 在實驗室條件下，采用最先進的技術(shù)，單晶硅太 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(dāng)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

27、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。 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 影響太陽電池效率的因素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，如材料的純度較低，或材料本身的結(jié)構(gòu) 缺陷等。 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工

28、程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 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影響太陽電池效率的因素 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅

29、 2.2 光學(xué)損失光學(xué)損失 太陽電池光學(xué)損失原理太陽電池光學(xué)損失原理 1-正面電極的遮光；正面電極的遮光；2-表面反射；表面反射；3-背電極的反射背電極的反射 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 減少光學(xué)損失方法減少光學(xué)損失方法 （1）將正面電極的面積減少到最小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）在電池表面使用減反膜在電池表面使用減反膜 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。

30、第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 四分之一波長的減反膜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 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 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 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 為了將反射進一步最小化，可

31、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： 102 nn n 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（半導(dǎo)體硅的折射率n2=3.8，空氣的折射率，空氣的折射率n0=1.0，玻璃的折射率，玻璃的折射率n0=1.5） 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 Comparison of surface reflection from a silicon solar cell, w

32、ith and without a typical anti-reflection coating. 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 （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： 1122 sinsinn

33、n 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 Reflection and transmission of light for a textured silicon solar cell 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 金字塔型（金字塔型（pyramid texture）型表面）型表面 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 逆金字塔型表面（逆金字塔型

34、表面（inverted pyramid texture） 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 Scanning electron microscope photograph of a textured silicon surface 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 Scanning electron microscope photograph of a textured multicrystalline silicon su

35、rface 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 V字型溝槽字型溝槽 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 （4）電池背表面的高反射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。 第一

36、講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 Light trapping using a randomised reflector on the rear of the cell 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 （5）將太陽電池制成串疊型電池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。

37、 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 2.3復(fù)合損失復(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： 光伏電池中電子空穴對可能復(fù)合的途徑 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 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，

38、在摻雜較重的 材料中顯著。 通過陷阱復(fù)合當(dāng)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。 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 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)合損失的影響復(fù)合損失的影響 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 2.4 頂電極設(shè)計頂電極設(shè)計 主柵線（busbar）和外部導(dǎo)線直接相連，而副柵 線（fin

39、ger）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) 部電阻和電池遮蔽而產(chǎn)生的損失。 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 太陽電池中電子從產(chǎn)生點到外部電極的流動示意圖太陽電池中電子從產(chǎn)生點到外部電極的流動示意圖 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 Use of a four point probe to measure the sheet resistivity of a sol

40、ar cell 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 將電極做成手指狀，可以減少光線的反射將電極做成手指狀，可以減少光線的反射 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 Resistive components and current flows in a solar cell. 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 Top contact design

41、in a solar cell. The busbars connect the fingers together and pass the generated current to the external electrical contacts. 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 Schematic of a top contact design showing busbars and fingers 優(yōu)化遮光損失與收集損失優(yōu)化遮光損失與收集損失 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)

42、工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 Key features of a top surface contacting scheme 優(yōu)化電極的寬高比優(yōu)化電極的寬高比 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 Points of contact resistance losses at interface between grid lines and semiconductor 降低電極的接觸電阻降低電極的接觸電阻 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子

43、系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 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)電阻。中，以增加接觸面積，減少串聯(lián)電阻。 激光刻槽激光刻槽-埋柵太陽能電池埋柵太陽能電池 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 Basic schematic of a silicon solar cell. The top layer is referred to as the emitter and the bulk mater

44、ial is referred to as the base 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 增加入射光的面積增加入射光的面積 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將正負電極全部放在背面的點接觸太陽電池 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 一個自身能量高于帶寬的光子產(chǎn)生一對或多對一個自身能量高于帶

45、寬的光子產(chǎn)生一對或多對 電子空穴對。電子空穴對。 能量閥值：能量閥值：1.124eV 300K 1.052eV 單聲子輔助吸收單聲子輔助吸收 0.987eV 雙聲子輔助吸收雙聲子輔助吸收 自由載流子吸收自由載流子吸收 晶格吸收晶格吸收 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 最大光生電流（純硅）最大光生電流（純硅）51.5mA/cm2，受自由載，受自由載 流子吸收的限制，要得到這樣的電流，硅片的厚流子吸收的限制，要得到這樣的電流，硅片的厚 度需幾米厚。度需幾米厚。 對于正常厚度的太陽電池（對于正常厚度的太陽電池（1

46、mm），光的有），光的有 限吸收對電流的限制遠遠大于自由載流子吸收對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。電流的影響。 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 兩個本征的復(fù)合原理：輻射復(fù)合，俄竭復(fù)合。兩個本征的復(fù)合原理：輻射復(fù)合，俄竭復(fù)合。 n+ P WB 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 俄竭復(fù)合：低注入俄竭復(fù)合：低注入n=1 高注入高注入 輻射復(fù)合：低注入和高注入輻射復(fù)合：低注入和高注入 n=1 缺陷復(fù)合：低

47、注入缺陷復(fù)合：低注入n=1 高注入高注入n=2 最大最大FF極限：高注入薄電池極限：高注入薄電池 )/( ) 1/()72. 0( qnKTVv vvLnvFF OCoc ocococ 3/2n 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 VOC和和ISC 隨電池厚度的變化趨勢相反，所以對于轉(zhuǎn)換效隨電池厚度的變化趨勢相反，所以對于轉(zhuǎn)換效 率存在著一個最佳的厚度值：率存在著一個最佳的厚度值：80m, 28.8%。 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

48、電子系林梅 1、表面反射損失、表面反射損失 10% 2、表面電極遮光損失、表面電極遮光損失 515% 3、不能充分吸收光的能量、不能充分吸收光的能量 4、體內(nèi)復(fù)合、體內(nèi)復(fù)合 5、表面復(fù)合、表面復(fù)合 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 電池內(nèi)的復(fù)合過程（表面、體內(nèi)、電池內(nèi)的復(fù)合過程（表面、體內(nèi)、p-n結(jié)區(qū)）決定結(jié)區(qū)）決定 了了VOC的大小的大小 ) 1() 1( )()( : 2/ 02 / 01 11 2 KTqvKTqv eoho i eIeII ppnn nnp U 結(jié)區(qū)復(fù)合 第一講太陽能電池和太陽光第一講

49、太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 SC OC CH I V R CHSs RRr/ CHSHsh RRr/ shoc oc s r FF v v FFFF rFFFF 0 0 0 )7 . 0( 1 )1 ( Suns/Voc 準準I-V曲線，曲線， 準轉(zhuǎn)換效率（準轉(zhuǎn)換效率（Rs=0) Rs:Voc處的斜率處的斜率 Rsh:Isc處的斜率處的斜率 Rsh Rs 第一講太陽能電池和太陽光第一講太陽能電池和太陽光 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系林梅 為什么太陽電池的顏色是深藍色的？為什么太陽電池的顏色是深藍色的？ 為什么需做絨面？為什么需做絨面？ 為什么要控制好方塊電阻？為什么要控制好方