太陽能電池的等效電路和轉(zhuǎn)化效率理論上限ppt課件

1、三、太陽能電池的等效電路三、太陽能電池的等效電路等效電路是描述太陽能電池的最一般方法。1、理想、理想pn結(jié)太陽能電池的等效電路結(jié)太陽能電池的等效電路 理想pn結(jié)太陽能電池可以用一恒定電流源Iph光生電流及一理想二極管的并聯(lián)來表示。其等效電路如左圖所示。其電流電壓關(guān)系滿足我們上一節(jié)所介紹的方程。I = IF-IL = Isexp(qV/kT)-1-IL2、pn結(jié)太陽能電池的實(shí)際等效電路結(jié)太陽能電池的實(shí)際等效電路 實(shí)際上，pn結(jié)太陽能電池存在著Rs和Rsh的影響。其中， Rs是由材料體電阻、薄層電阻、電極接觸電阻及電極本身傳導(dǎo)電流的電阻所構(gòu)成的總串聯(lián)電阻。 Rsh是在pn結(jié)形成的不完全的部分所導(dǎo)致

2、的漏電流，稱為旁路電阻或漏電電阻。這樣構(gòu)成的等效電路如右圖所示。 下面我們來分析一下串聯(lián)電阻Rs和漏電電阻Rsh對光電池效率的影響。 根據(jù)圖示的電路，對同一個太陽能電池，當(dāng)入射光強(qiáng)度較弱時，IL較小，二極管電流和漏電流大小相差不多，此時，Rsh的影響較大。I = IL-Isexp(qV/kT)-1-V/Rsh漏 電 電 阻對光電池輸出特性的影響可用右圖表示?？梢钥闯觯╇婋娮鑂sh對光電流的影響較小，而對開路電壓的影響較大。入射光功率一定100 mW/cm2)，并假設(shè)Voc=0.51V，Jsc = 30 mA/cm2，Rs=0。 當(dāng)光照較強(qiáng)時，二極管電流遠(yuǎn)大于漏電電流，此時，Rsh對光電池的影

3、響較小，而相反的，Rs的影響就變大起來。I = IL-Isexpq(V+RsI)/kT-1 右圖給出了Rs對光電池輸出特性的影響?？梢钥闯龉怆姵氐妮敵鎏匦噪S著 Rs有著較大的變化，并且Rs對開路電壓的影響幾乎沒有，但對短路電流卻有很大的影響。入射光功率一定100 mW/cm2)，并假設(shè)Voc=0.51V，Jsc = 30 mA/cm2，Rsh=。四、太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限四、太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限1、太陽能電池的理論效率、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：= VocIscFFPin S 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

4、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。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：max = 1.24(m)/Eg(eV) 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，百分之百地被收集起來。在上述理想的假設(shè)下，最大短路電流值顯然僅與材料帶隙Eg有關(guān)，其計(jì)算結(jié)果如圖所示。在 AMO和AM1.5光照射下的最大短路電流值。開路電壓Voc的考慮：開路電壓Voc的最大值，在理想情況下有

5、下式?jīng)Q定：Voc = kTqln(ILIs+1) 式中IL是光生電流，在理想情況即為上圖所對應(yīng)的最大短路電流。 Is是二極管反向飽和電流，其滿足：Is = Aq(Dn/LnNA+Dp/LpND)ni2ni2= NcNvexp(-Eg/kT) 顯然， Is取決于Eg、Ln、Lp、NA、ND和絕對溫度T的大小，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例如對硅單晶片選用0.2歐姆厘米的材料，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。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(yàn)公式表示：FF =Uo

6、c-ln(Uoc+0.72)Uoc+1Uoc = Voc(kT/q)1/2 這樣，當(dāng)開路電壓Voc的最大值確定后，就可計(jì)算得到FF的最大值。 綜合上述結(jié)果，可得到作為帶隙Eg的函數(shù)的最大轉(zhuǎn)換效率，其結(jié)果示于下圖中。2、影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的一些因素、影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的一些因素 我們前面介紹了太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的理論值，這些理論值都是在理想情況下得到的。而太陽能電池在光電能量轉(zhuǎn)換過程中，由于存在各種附加的能量損失，實(shí)際效率比上述的理論極限效率低。下面以pn結(jié)硅電池為例，介紹一些影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素。光生電流的光學(xué)損失： 太陽能電池的效率損失中，有三種是屬于光學(xué)損失，其主要影響是降

7、低了光生電流值。反射損失：從空氣或真空垂直入射到半導(dǎo)體材料的光的反射。以硅為例，在感興趣的太陽光譜中，超過30%的光能被裸露的硅表面發(fā)射掉了。柵指電極遮光損失c：定義為柵指電極遮光面積在太陽能總面積中所占的百分比見下圖）。對一般電池來說，c約為4%-15%。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。如圖為對硅和砷化鎵的計(jì)算結(jié)果。光生少子的收集幾率： 在太陽能電池內(nèi)，由于存在少子的復(fù)合，所產(chǎn)生的每一個光生少數(shù)載流子不可能百分之百地被收集起來。定義光激發(fā)少子中對太陽能電池的短路電流有貢獻(xiàn)的百分?jǐn)?shù)為收集幾率。該參數(shù)決定于電池內(nèi)個區(qū)域的復(fù)合機(jī)理，也與電池結(jié)構(gòu)與空間位置有關(guān)。影響開路電壓的實(shí)際因素： 決定開路電壓Voc大小的主要物理過程是半導(dǎo)體的復(fù)合。半導(dǎo)體復(fù)合率越高，少子擴(kuò)散長度越短， Voc也就越低。體復(fù)合和表面復(fù)合都是重要的。 在p-Si襯底中，影響非平衡少子總復(fù)合率的三種復(fù)合機(jī)理是：復(fù)合中心復(fù)合、俄歇復(fù)合及直接輻射復(fù)合。總復(fù)合率主要取決三種復(fù)合中復(fù)合率最大的一個。例如：對于高質(zhì)量的硅單晶，當(dāng)摻雜濃度高于 1017cm-3時，則俄歇復(fù)合產(chǎn)生影響，使少子壽命降低。 通常，電池表面還存在表面復(fù)合，表面復(fù)合也會降低Voc值。（