應(yīng)用光伏學(xué)第3章太陽能電池的特性

1、第三章：第三章：太陽能電池的特性太陽能電池的特性2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)1 3.1 理想太陽能電池理想太陽能電池 3.2 太陽能電池的太陽能電池的 參數(shù)參數(shù) 3.3 電阻效應(yīng)電阻效應(yīng) 3.4 其他效應(yīng)其他效應(yīng) 3.5 對太陽能電池對太陽能電池 的測量的測量 3.1.1 理想太陽能電池理想太陽能電池太陽能電池的結(jié)構(gòu)太陽能電池的結(jié)構(gòu) 太陽能電池是一種能太陽能電池是一種能直接把太陽光轉(zhuǎn)化為電直接把太陽光轉(zhuǎn)化為電的電子器的電子器件。入射到電池的太陽光通過件。入射到電池的太陽光通過同時產(chǎn)生電流和電壓同時產(chǎn)生電流和電壓的形式的形式來產(chǎn)生電能。來產(chǎn)生電能。這個過程的發(fā)生需要這個過程的發(fā)生需要

2、兩個條件：兩個條件： 首先，被吸收的光要能在材料中把一個首先，被吸收的光要能在材料中把一個電子激發(fā)到高電子激發(fā)到高能級。能級。第二，第二，處于高能級的電子處于高能級的電子能從電池中能從電池中移動到外部移動到外部電電路。在外部電路的電子消耗了能量然后回到電池中。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組成 pn結(jié)形式結(jié)形式的半導(dǎo)體材料來完成的。的半導(dǎo)體材料來完成的。2022-3-14UNSW新南威

3、爾士大學(xué)2 3.1.1 理想太陽能電池理想太陽能電池太陽能電池的結(jié)構(gòu)太陽能電池的結(jié)構(gòu)太陽能電池的橫截面太陽能電池的橫截面減反射膜減反射膜前端接觸電極前端接觸電極發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)背接觸電極背接觸電極電子空穴對電子空穴對 太陽能電池運行的基本步驟：太陽能電池運行的基本步驟： 光生載流子的產(chǎn)生光生載流子的產(chǎn)生 光生載流子聚集成電流光生載流子聚集成電流 產(chǎn)生跨越太陽能電池的高電壓產(chǎn)生跨越太陽能電池的高電壓 能量在電路和外接電阻中消耗能量在電路和外接電阻中消耗2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)8 3.1.1 理想太陽能電池理想太陽能電池太陽能電池的結(jié)構(gòu)太陽能電池的結(jié)構(gòu) 3.1.2 理想太陽能電

4、池理想太陽能電池光生電流光生電流 在太陽能電池中產(chǎn)生的電流叫做在太陽能電池中產(chǎn)生的電流叫做“光生電流光生電流”，它的，它的產(chǎn)生包括了產(chǎn)生包括了兩個主要的過程兩個主要的過程。 第一個過程是吸收入射第一個過程是吸收入射光子光子并產(chǎn)生電子空穴對并產(chǎn)生電子空穴對。電。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。產(chǎn)生。 2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)9 第二第二個過程是個過程是pn結(jié)通過對這些光生載流子的結(jié)通過對這些光生載流子的收集收集，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。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

5、。pn結(jié)是通過其內(nèi)建電場的作用把載流子分開的。結(jié)是通過其內(nèi)建電場的作用把載流子分開的。 如果用一根導(dǎo)線把發(fā)射區(qū)跟基區(qū)連接在一起（使電如果用一根導(dǎo)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。池短路），光生載流子將流到外部電路。2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)10動 畫 展 示 了動 畫 展 示 了短 路 情 況 下短 路 情 況 下的理想電流。的理想電流。如 果 要 阻 止如 果 要 阻 止復(fù) 合 并 對 電復(fù) 合 并 對 電流 有 貢 獻(xiàn) 的流 有 貢 獻(xiàn) 的話 ， 必 須 通話 ， 必 須 通過過pn結(jié)的結(jié)的收收集集。 3.1.2 理想太陽能電池理想太陽能電池

6、光生電流光生電流 “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)生的描述了光照射到電池的某個區(qū)域產(chǎn)生的載流子被載流子被pn結(jié)收集并參與到電流流動的概率。結(jié)收集并參與到電流流動的概率。它的它的大小取大小取決于決于光生載流子需要運動的距離和電池的表面特性光生載流子需要運動的距離和電池的表面特性。1. 在耗散區(qū)的所有光生載流子的收集概率都是相同的在耗散區(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。因為在這個區(qū)域的電子空穴對會被電場迅速地分開。 2. 在遠(yuǎn)離電場的區(qū)域，其收集概率將下降在遠(yuǎn)離電場的區(qū)域，其收集概率將下降。當(dāng)載流子在。當(dāng)載流子在與電場的距離大于

7、擴(kuò)散長度的區(qū)域產(chǎn)生時，那么它的收集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?。相似的，概率是相?dāng)?shù)偷?。相似的，如果載流子是在靠近電池表面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。 3.1.3 理想太陽能電池理想太陽能電池收集概率收集概率 3.1.3 理想太陽能電池理想太陽能電池收集概率收集概率前端表面前端表面在高復(fù)合率的情況下，在高復(fù)合率的情況下，其表面的收集概率很低。其表面的收集概率很低。低擴(kuò)散長度的太陽低擴(kuò)散長度的太陽能電池。能電池。電池中距離表面的距離電池中距離表面的距離弱鈍化的太陽弱鈍化的太陽能

8、電池能電池強鈍化的太陽能強鈍化的太陽能電池電池在耗散區(qū)的收集概在耗散區(qū)的收集概率相同率相同背表面背表面收集概率收集概率下面的圖描述了表面鈍化和擴(kuò)散長度對收集概率的影響。下面的圖描述了表面鈍化和擴(kuò)散長度對收集概率的影響。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收集概率。下面是硅在光照為下面是硅在光照為AM1.5下光生電流的方程，包括了生成率和下光生電流的方程，包括了生成率和收集概率。收集概率。 0WLJqG x CP x dx

9、 00wxqH edCP x dx 2022-3-1413 3.1.3 理想太陽能電池理想太陽能電池收集概率收集概率2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)14 在在AM1.5光譜下硅片中的載流子生成率。注意，光譜下硅片中的載流子生成率。注意，電池表電池表面面的生成率是的生成率是最高最高的，因此電池對表面特性是很敏感的。的，因此電池對表面特性是很敏感的。 3.1.3 理想太陽能電池理想太陽能電池收集概率收集概率 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(lán)光擁有高吸收率，為的藍(lán)光擁有高吸收率，為 cm-1，也因此它在非常

10、靠近頂端，也因此它在非?？拷敹吮砻嫣幈晃?。波長表面處被吸收。波長0.8m的紅光的吸收率的紅光的吸收率 cm-1，因此其吸收長度，因此其吸收長度更深一些。更深一些。1.1m紅外光的吸收率為紅外光的吸收率為 cm-1，但是它幾乎不被吸收，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。因為它的能量接近于硅材料的禁帶寬度。 3.1.3 理想太陽能電池理想太陽能電池收集概率收集概率歸一化的歸一化的E-H對生成率對生成率510310310 3.1.3 理想太陽能電池理想太陽能電池收集概率收集概率 電池各區(qū)域截流子的收集概率是不一致。例如，電池各區(qū)域截流子的收集概率是不一致。例如，表面的收集概率

11、低于其他部分的收集概率表面的收集概率低于其他部分的收集概率。藍(lán)光在硅。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(lán)光將不對端表面的收集概率非常低的話，入射光中藍(lán)光將不對光生電池做出貢光生電池做出貢獻(xiàn)。獻(xiàn)。收集概率收集概率生成率生成率在電池中的距離在電池中的距離所謂所謂“量子效率量子效率”，即太陽能電池所，即太陽能電池所收集的載流子的數(shù)量收集的載流子的數(shù)量與入射光子的數(shù)量的比例與入射光子的數(shù)量的比例。如果某個如果某個特定波長的所有光子都被吸收特定波長的所有光子都被吸收，并且其，并且其所產(chǎn)生所產(chǎn)生的少數(shù)載

12、流子都能被收集的少數(shù)載流子都能被收集，則這個特定波長的，則這個特定波長的所有光子所有光子的量子效率都是相同的的量子效率都是相同的。而。而能量低于禁帶寬度的光子的能量低于禁帶寬度的光子的量子效率為零量子效率為零。下圖將描述理想太陽能電池的量子效率曲線。下圖將描述理想太陽能電池的量子效率曲線。2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)17 3.1.4 理想太陽能電池理想太陽能電池量子效率量子效率 3.1.4 理想太陽能電池理想太陽能電池量子效率量子效率總量子效率的減小是由反射效應(yīng)和總量子效率的減小是由反射效應(yīng)和過短的擴(kuò)散長度引起的。過短的擴(kuò)散長度引起的。理想量子理想量子效率曲線效率曲線能量低于禁帶寬

13、度的光能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以長波不能被吸收，所以長波長的量子效率為零。長的量子效率為零。量子效率量子效率前端表面復(fù)合導(dǎo)致藍(lán)光響應(yīng)的減小。前端表面復(fù)合導(dǎo)致藍(lán)光響應(yīng)的減小。紅光響應(yīng)的降低是由于背表紅光響應(yīng)的降低是由于背表面反射、對長波光的吸收的面反射、對長波光的吸收的減少和短擴(kuò)散長度減少和短擴(kuò)散長度 下圖為硅太陽能電池的量子效率。通常，波長小于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，因為在的光子的量子效率不予測量，因為在1.5大氣質(zhì)量光譜大氣質(zhì)量光譜中，這些短波的光所包含能量很小。中，這些短波的光所包含能量很小。 盡管理想的量子效率曲線是矩形的

14、（如上圖），但是實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(fù)合效應(yīng)而減小。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。影響影響收集效率的因素同樣影響著量子效率。收集效率的因素同樣影響著量子效率。例如例如:頂端表面鈍化頂端表面鈍化會影響靠近表面的載流子的生成，會影響靠近表面的載流子的生成，藍(lán)光是在非?？拷砻嫣幈晃盏模运{(lán)光是在非常靠近表面處被吸收的，所以頂端表面的高復(fù)合效頂端表面的高復(fù)合效應(yīng)應(yīng)會強烈地影響藍(lán)光部分量子效率。會強烈地影響藍(lán)光部分量子效率。綠光能在電池體內(nèi)的大部分被吸收，但是綠光能在電池體內(nèi)的大部分被吸收，但是電池內(nèi)過低的擴(kuò)散長電

15、池內(nèi)過低的擴(kuò)散長度度將影響收集概率并減小光譜中綠光部分的量子效率。將影響收集概率并減小光譜中綠光部分的量子效率。2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)19 3.1.4 理想太陽能電池理想太陽能電池量子效率量子效率 硅太陽能電池中，硅太陽能電池中，“外部外部”量子效率：量子效率：包括光的損失，如透射和反射。包括光的損失，如透射和反射?！皟?nèi)部內(nèi)部”量子效率：量子效率：指的是那些沒有被反射和透射且能夠產(chǎn)生可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，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?？梢?/p>

16、修正外部量子效率曲線并得到內(nèi)部量子效率。2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)20 3.1.4 理想太陽能電池理想太陽能電池量子效率量子效率所有入射的光子數(shù)產(chǎn)生的電子數(shù)外量子效率量被吸收的入射光子的數(shù)產(chǎn)生的電子數(shù)內(nèi)量子效率 “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，而光光譜響應(yīng)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(yīng)曲線。下圖將描述一光譜響應(yīng)曲線。2022

17、-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)21理想的光譜響應(yīng)理想的光譜響應(yīng)硅太陽能電池的響應(yīng)曲線硅太陽能電池的響應(yīng)曲線能量低于禁帶寬度的能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以光不能被吸收，所以在長波長段的光譜響在長波長段的光譜響應(yīng)為零。應(yīng)為零。光譜響應(yīng)光譜響應(yīng) 3.1.5 理想太陽能電池理想太陽能電池光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)短波長的光子的短波長的光子的能量很高，導(dǎo)致能量很高，導(dǎo)致光子與能量的比光子與能量的比例下降。因高光例下降。因高光子能量的不能完子能量的不能完全利用，所以光全利用，所以光譜響應(yīng)譜響應(yīng)隨著波長隨著波長減小而下降減小而下降。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，光子的能量中，所有超出

18、禁帶寬度的部分都不能被電池利用，而是只能加熱電池而是只能加熱電池。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。的無法吸收，導(dǎo)致了顯著的能量損失。光譜響應(yīng)是非常重要的量，因為只有測量了光譜響應(yīng)才能計算光譜響應(yīng)是非常重要的量，因為只有測量了光譜響應(yīng)才能計算出量子效率。公式如下：出量子效率。公式如下：2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)22 3.1.5 理想太陽能電池理想太陽能電池光譜響應(yīng)光譜響應(yīng) qQEhc 量量子子效效率率SR（光譜響應(yīng)）（光譜響應(yīng)） 被收集的光生載流子并不是靠其本身來產(chǎn)生電能被

19、收集的光生載流子并不是靠其本身來產(chǎn)生電能的。的。為了產(chǎn)生電能，必須同時產(chǎn)生電壓和電流為了產(chǎn)生電能，必須同時產(chǎn)生電壓和電流。在太陽能電池中，電壓是由所謂的在太陽能電池中，電壓是由所謂的“光生伏打效應(yīng)光生伏打效應(yīng)”過程產(chǎn)生的。過程產(chǎn)生的。2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)23 3.1.6 理想太陽能電池理想太陽能電池光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)耗盡區(qū)：由耗盡區(qū)：由N指向指向P的漂移電流的漂移電流在耗盡區(qū)外：在耗盡區(qū)外：光照產(chǎn)生的電子空穴對，由于沒有內(nèi)光照產(chǎn)生的電子空穴對，由于沒有內(nèi)建電場的作用，并且多子濃度基本上不受光照效應(yīng)的影響，建電場的作用，并且多子濃度基本上不受光照效應(yīng)的影響，所以在所以在光照下，

20、少子濃度增加，會產(chǎn)生的擴(kuò)散電流光照下，少子濃度增加，會產(chǎn)生的擴(kuò)散電流。l P區(qū)內(nèi)：由于耗盡層靠近區(qū)內(nèi)：由于耗盡層靠近P區(qū)邊緣的電子濃度較低，所區(qū)邊緣的電子濃度較低，所以以P區(qū)內(nèi)光照產(chǎn)生的光生電子（少子）會擴(kuò)散進(jìn)入耜盡區(qū)，區(qū)內(nèi)光照產(chǎn)生的光生電子（少子）會擴(kuò)散進(jìn)入耜盡區(qū)，再流入再流入N型區(qū)，光生空穴（多子）留在型區(qū)，光生空穴（多子）留在P區(qū)；區(qū)；l N區(qū)內(nèi)：光照產(chǎn)生的光生空穴（少子）會擴(kuò)散進(jìn)入耜區(qū)內(nèi)：光照產(chǎn)生的光生空穴（少子）會擴(kuò)散進(jìn)入耜盡層，進(jìn)而再流入盡層，進(jìn)而再流入P型區(qū)，光生電子（多子）留在型區(qū)，光生電子（多子）留在N區(qū)。區(qū)。這樣便在這樣便在P-N結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，使結(jié)兩側(cè)形成了

21、正、負(fù)電荷的積累，使N區(qū)儲存了過剩的電子，區(qū)儲存了過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，從而形成區(qū)有過剩的空穴，從而形成與與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。內(nèi)建電場方向相反的光生電場。耗盡層內(nèi)的漂移電流（耗盡層內(nèi)的漂移電流（NP），），P區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子擴(kuò)散電流（電流（PN）和）和N區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的空穴擴(kuò)散電流（區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的空穴擴(kuò)散電流（NP）的總和就是所說的的總和就是所說的“光生電流光生電流” ，也就是，也就是短路電流短路電流。其。其流向與流向與PN結(jié)正向偏壓下的電流流向相反。結(jié)正向偏壓下的電流流向相反。 3.1.6 理想太陽能電池理想太陽能電池光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)l 光生電場除了部分抵消內(nèi)建電場的

22、作用外，還使光生電場除了部分抵消內(nèi)建電場的作用外，還使P區(qū)帶區(qū)帶正電，正電，N區(qū)帶負(fù)電，在區(qū)帶負(fù)電，在N區(qū)和區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生了電動區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生了電動勢，這就是勢，這就是光生伏打效應(yīng)光生伏打效應(yīng)。 因為內(nèi)建電場代表著對多數(shù)載流子擴(kuò)散電流的障礙，因為內(nèi)建電場代表著對多數(shù)載流子擴(kuò)散電流的障礙，所以所以電場減小的同時也增大擴(kuò)散電流，這就抵消了部分的電場減小的同時也增大擴(kuò)散電流，這就抵消了部分的光電流光電流。穿過。穿過pn結(jié)的電壓將達(dá)到新的平衡。結(jié)的電壓將達(dá)到新的平衡。流出電池的電流出電池的電流大小就等于光生電流與擴(kuò)散電流的差。流大小就等于光生電流與擴(kuò)散電流的差。 3.1.6 理想太陽能電

23、池理想太陽能電池光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)l 在電池開路的情況下，在電池開路的情況下，pn結(jié)的正向偏壓處在新的一點，結(jié)的正向偏壓處在新的一點，此時，光生電流大小等于擴(kuò)散電流大小，且方向相反，即此時，光生電流大小等于擴(kuò)散電流大小，且方向相反，即總的電流為零?？偟碾娏鳛榱?。當(dāng)兩個電流達(dá)到平衡時的電壓叫做當(dāng)兩個電流達(dá)到平衡時的電壓叫做“開路開路電壓電壓Voc”。l 對晶體硅電池來說，開路電壓的典型型為對晶體硅電池來說，開路電壓的典型型為0.50.6V。l 如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過，這個電流稱為比的光電流流過，這個電流稱為短路

24、電流短路電流 Isc.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。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。2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)30 動畫顯示了太陽能電池分別在熱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，流過態(tài)。請注意不同情況下，流過pn結(jié)的結(jié)的電流的不同。電流的不同。1、在熱平衡下（光照為零），擴(kuò)散電、在熱平衡下（光照為零），擴(kuò)散電流和漂移電流都非常小。流和漂移電流都非常小。2、電池短路時，、電池短路時，pn結(jié)兩邊的少數(shù)載流結(jié)兩邊的少數(shù)載流子濃度以及由少數(shù)載流子決定大小的子濃度以

25、及由少數(shù)載流子決定大小的漂移電流都將增加。漂移電流都將增加。3、在開路時，光生載流子引起正向偏、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。因為擴(kuò)散壓，因此增加了擴(kuò)散電流。因為擴(kuò)散電流和漂移電流的方向相反，所以開電流和漂移電流的方向相反，所以開路時電池總電流為零。路時電池總電流為零。 3.1.6 理想太陽能電池理想太陽能電池光伏效應(yīng)光伏效應(yīng) 3.2.1 太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù) 電池的伏安曲線電池的伏安曲線動畫展示了光對一個動畫展示了光對一個pn結(jié)的結(jié)的電流電壓特性的影響。電流電壓特性的影響。沒有光照時，太陽能電池與普沒有光照時，太陽能電池與普通二極管的電性能沒什么不同。通二

26、極管的電性能沒什么不同。 點擊繼續(xù)點擊繼續(xù)太陽能電池的伏安曲線是電池二極管在黑暗時的伏安曲線與太陽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，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。意味著能量來自電池。 3.2.1 太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù) 電池的伏安曲線電池的伏安曲線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)椋河霉庹丈潆姵夭⒓由隙O管的暗電流，則二極管的方程變?yōu)椋?022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)32式中式中IL為光生電流。為光生電流。第一象限的伏安曲線方程為：第一象限的伏安曲線方

27、程為： 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（要參數(shù)。短路電流（ISC），開路電壓（），開路電壓（VOC），填充因子），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)。）和轉(zhuǎn)換效率都可以從伏安曲線測算出來的重要參數(shù)。) 1(0nkTqVLeIIIILnkTqVIeII) 1(0 3.2.2 太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù)短路電流短路電流 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（或者說電池被短路時的電流）。通常記作（或者說電池被短路時的電流）。通常

28、記作ISC。2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)33太陽能電池的伏安曲線太陽能電池的伏安曲線短路電流短路電流ISC是電池流出的最是電池流出的最大電流，此時穿過電池的電大電流，此時穿過電池的電壓為零。壓為零。電池產(chǎn)生的電能 短路電流源于光短路電流源于光生載流子的產(chǎn)生和收生載流子的產(chǎn)生和收集。對于電阻阻抗最集。對于電阻阻抗最小的小的理想太陽能電池理想太陽能電池來說，來說，短路電流就等短路電流就等于光生電流于光生電流。因此短。因此短路電流是電池能輸出路電流是電池能輸出的最大電流。的最大電流。硅的禁帶寬度約為硅的禁帶寬度約為1.1eV，相應(yīng)的波長是，相應(yīng)的波長是1.13um。禁帶寬度減小使能禁帶寬

29、度減小使能夠產(chǎn)生電子空穴夠產(chǎn)生電子空穴對的光子數(shù)目增多。對的光子數(shù)目增多。 短路電流的大小取決于以下幾個因素：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太陽能電池的表面積。要消除太陽能電池對表面積的依賴，。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（通常需改變短路電流強度（JSC單位為單位為mA/cm2）而不是短路）而不是短路電流。電流。硅在光照為硅在光照為AM1.5下光生電流的方程下光生電流的方程2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)36 3.2.2 太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù)短路電流短路電流 0WLJqG x CP x dx 00wxqH edCP x dx

30、 短路電流的大小取決于以下幾個因素：短路電流的大小取決于以下幾個因素： 光子的數(shù)量（即入射光的強度）光子的數(shù)量（即入射光的強度）。電池輸出的短路電流。電池輸出的短路電流ISC的的大小直接取決于光照強度（在入射光強度一節(jié)有討論）。大小直接取決于光照強度（在入射光強度一節(jié)有討論）。 入射光的光譜入射光的光譜。測量太陽能電池是通常使用標(biāo)準(zhǔn)的。測量太陽能電池是通常使用標(biāo)準(zhǔn)的1.5大氣質(zhì)大氣質(zhì)量光譜。量光譜。 電池的光學(xué)特性電池的光學(xué)特性（吸收和反射）（光學(xué)損耗一節(jié)有討論）（吸收和反射）（光學(xué)損耗一節(jié)有討論） 電池的收集概率電池的收集概率，主要取決于電池表面鈍化和基區(qū)的少數(shù)載，主要取決于電池表面鈍化和基

31、區(qū)的少數(shù)載流子壽命。流子壽命。 2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)37 3.2.2 太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù)短路電流短路電流 wxLscdxxCPdeHqJJ0)(0)()(在比較在比較相同材料相同材料的兩塊太陽能電池時，的兩塊太陽能電池時，最重要的參數(shù)是擴(kuò)散長最重要的參數(shù)是擴(kuò)散長度和表面鈍化度和表面鈍化。對于表面完全鈍化和生成率完全相同的電池來。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：說，短路電流方程近似于： JSC=qG(Ln+Lp) 式中式中G代表生成率，而代表生成率，而Ln和和Lp分別為電子和空穴的擴(kuò)散長度。分別為電子和空穴的擴(kuò)散長度。 從這個方程

32、看出，從這個方程看出，短路電流很大程度上取決于生成率和擴(kuò)散短路電流很大程度上取決于生成率和擴(kuò)散長度。長度。 在在AM1.5大氣質(zhì)量光譜下的硅太陽能電池，其可能的最大電流大氣質(zhì)量光譜下的硅太陽能電池，其可能的最大電流為為46mA/cm2。實驗室測得的數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到。實驗室測得的數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到42mA/cm2，而商業(yè)，而商業(yè)用太陽能電池的短路電流在用太陽能電池的短路電流在28到到35mA/cm2之間。之間。2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)38 3.2.2 太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù)短路電流短路電流 開路電壓開路電壓VOC是太陽能電池能輸出的最大電壓是太陽能電池能輸出的最大電壓，此時輸，此

33、時輸出電流為零。開路電壓的大小相當(dāng)于光生電流在電池兩邊加出電流為零。開路電壓的大小相當(dāng)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。的正向偏壓。開路電壓如下圖伏安曲線所示。2022-3-1439 3.2.3 太陽電池的參數(shù)太陽電池的參數(shù)開路電壓開路電壓開路電壓是太陽能電池的開路電壓是太陽能電池的最大電壓，即凈電流為零最大電壓，即凈電流為零時的電壓。時的電壓。 上述方程顯示了上述方程顯示了VOC取決于太陽能電池的飽和暗電流和光取決于太陽能電池的飽和暗電流和光生電流。增加光生電流、減少飽和暗電流可提高開路電壓。生電流。增加光生電流、減少飽和暗電流可提高開路電壓。 短路電流與入射光強

34、成正比，開路電壓與入射光強的對短路電流與入射光強成正比，開路電壓與入射光強的對數(shù)成正比。所以增加入射光強，可增大開路電壓。數(shù)成正比。所以增加入射光強，可增大開路電壓。2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)40 3.2.3 太陽電池的參數(shù)太陽電池的參數(shù)開路電壓開路電壓01LOCInkTVlnqI 通過把輸出電流設(shè)置成零，便可得到通過把輸出電流設(shè)置成零，便可得到太陽能電池的開路太陽能電池的開路電壓方程：電壓方程：但由于短路電流的變化很小，而飽和暗電流的大小可以改變但由于短路電流的變化很小，而飽和暗電流的大小可以改變幾個數(shù)量級，所以幾個數(shù)量級，所以主要影響是飽和電流主要影響是飽和電流。飽和電流飽和

35、電流I0主要取決主要取決于電池的復(fù)合效應(yīng)。于電池的復(fù)合效應(yīng)。 當(dāng)當(dāng) ，即：少子壽命無，即：少子壽命無 限長，復(fù)合率趨于零時，限長，復(fù)合率趨于零時，飽和暗電流將趨于零。飽和暗電流將趨于零。最小暗飽和電流與禁帶寬度之間關(guān)系的經(jīng)驗公式：最小暗飽和電流與禁帶寬度之間關(guān)系的經(jīng)驗公式：Eg減小減小Isc增大，但增大，但Voc減小。減小。2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)41 3.2.3 太陽電池的參數(shù)太陽電池的參數(shù)開路電壓開路電壓01LOCInkTVlnqI太陽能電池的開路電壓方程：太陽能電池的開路電壓方程：0, s250/)exp(105 . 1cmAkTEIg存在一個最佳的半導(dǎo)體禁帶寬度，可使效

36、率達(dá)到最高。存在一個最佳的半導(dǎo)體禁帶寬度，可使效率達(dá)到最高。 在太陽能電池的伏它特性中，習(xí)慣上把在太陽能電池的伏它特性中，習(xí)慣上把光生電流光生電流JL的方向的方向作為電流的正方向。作為電流的正方向。 伏安特性曲線中，電壓伏安特性曲線中，電壓V在在0VOC之間時，電壓之間時，電壓V和電流和電流J的的乘積為正值，表明太陽能電池產(chǎn)生電能；當(dāng)乘積為正值，表明太陽能電池產(chǎn)生電能；當(dāng)V0，電壓，電壓V和電流和電流J的乘積為負(fù)值，器件消耗功率。的乘積為負(fù)值，器件消耗功率。實驗室測得的硅太陽能實驗室測得的硅太陽能電池在電池在AM1.5光譜下的光譜下的最大開路電壓能達(dá)到最大開路電壓能達(dá)到720mV，而商業(yè)用太陽

37、，而商業(yè)用太陽能電池通常為能電池通常為600mV。 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。功率都為零。 “填充因子填充因子”，通常使用它的簡寫，通常使用它的簡寫“FF”，是由開路電壓，是由開路電壓VOC和短和短路電流路電流ISC共同決定的參數(shù)，它共同決定的參數(shù)，它決定決定了太陽能電池的了太陽能電池的輸出效率輸出效率。填充因子填充因子被定義為電池的最大輸出功率與開路被定義為電池的最大輸出功率與開路VOC和和ISC的乘

38、積的乘積的比值的比值。2022-3-1444 3.2.4 太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù)填充因子填充因子OCSCmmVIVIFF 3.2.4 太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù)填充因子填充因子輸出電流（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（電流（ISC）點、開路電壓（）點、開路電壓（VOC）點以及最大功率點（）點以及最大功率點（Vmp，Imp）。）。從圖形上看，從圖形上看，F(xiàn)F就是就是能能夠占據(jù)夠占據(jù)IV曲線區(qū)域最大曲線區(qū)域最大的面積的面積。小長方形面積，表征最大小長方形面積，表征最大功率功率ImVm，大長方形面積，大長

39、方形面積，表征表征ISCVOC。FF表征兩個長方形面積表征兩個長方形面積的接近程度。的接近程度。對有適當(dāng)效率的電池來說，對有適當(dāng)效率的電池來說，F(xiàn)F的值在的值在0.70.85之間。之間。要計算電池的要計算電池的FF可以對電池的功率進(jìn)行求導(dǎo)，令其值為零，可以對電池的功率進(jìn)行求導(dǎo)，令其值為零，便可找出功率最大時的電壓電流值了。即：便可找出功率最大時的電壓電流值了。即： d（IV）/dV=0 并給出：并給出： 1mpmpOCqVnkTVVlnqnkT 2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)46 3.2.4 太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù)填充因子填充因子然而，單從上面的步驟并不能得出一個簡單或近似

40、的方程。然而，單從上面的步驟并不能得出一個簡單或近似的方程。上面的方程只與上面的方程只與VOC和和Vmp有關(guān)，所以還需要額外的能求出有關(guān)，所以還需要額外的能求出Imp和和FF的方程。的方程。 1、上述方程顯示了、上述方程顯示了電池的開路電壓越高，填充因子就越大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。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，例如，(At one sun)在一個在一個AM1.0下，實驗室硅太陽能電池和典下，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型的商業(yè)硅太陽能電池的開路電壓之差大約為120

41、mV，填充因，填充因子分別為子分別為0.85和和0.83.然而，不同材料的電池的填充因子的差別然而，不同材料的電池的填充因子的差別則可能非常大。例如，則可能非常大。例如，GaAs太陽能電池的填充因子能達(dá)到太陽能電池的填充因子能達(dá)到0.89。 2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)47 3.2.4 太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù)填充因子填充因子一個比較常使用的一個比較常使用的經(jīng)驗方程經(jīng)驗方程是：是：規(guī)定 ，為規(guī)一化的開路電壓 2、上述方程還說明了、上述方程還說明了理想因子理想因子（也叫（也叫n因子）的重要性。理因子）的重要性。理想因子是描述想因子是描述pn結(jié)質(zhì)量和電池的復(fù)合類型的測量量。對于

42、復(fù)結(jié)質(zhì)量和電池的復(fù)合類型的測量量。對于復(fù)合類型那一節(jié)所討論的簡單的復(fù)合來說，合類型那一節(jié)所討論的簡單的復(fù)合來說，n的值為的值為1。然而對。然而對于其它特別是效應(yīng)很強的復(fù)合類型來說，于其它特別是效應(yīng)很強的復(fù)合類型來說，n的值應(yīng)該為的值應(yīng)該為2。大大的的n值不僅會降低填充因子，還會因為高復(fù)合效應(yīng)而降低開路值不僅會降低填充因子，還會因為高復(fù)合效應(yīng)而降低開路電壓。電壓。 2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)48 3.2.4 太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù)填充因子填充因子規(guī)定 ，為規(guī)一化的開路電壓3、上述方程中一個重要的限制是，它求出的只是、上述方程中一個重要的限制是，它求出的只是最大最大填充因填

43、充因子，然而實際上因為電池中子，然而實際上因為電池中寄生電阻寄生電阻的存在，填充因子的值的存在，填充因子的值可能會更低一些?？赡軙鸵恍?。因此，因此，測量填充因子最常用的方法還是測量伏安曲線測量填充因子最常用的方法還是測量伏安曲線，即最，即最大功率除以開路電壓與短路電流的乘積。大功率除以開路電壓與短路電流的乘積。 FF=VmpImp/（VOCISC ）2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)49 3.2.4 太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù)填充因子填充因子FF是衡量太陽能電池輸出特性好壞的重要指標(biāo)是衡量太陽能電池輸出特性好壞的重要指標(biāo)。在一定光譜。在一定光譜輻照輻照 度下，度下，F(xiàn)F越大，曲

44、線愈方，輸出功率也越高。越大，曲線愈方，輸出功率也越高。2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)50 發(fā)電效率是人們在比較兩塊電池發(fā)電效率是人們在比較兩塊電池好壞時最常使用參數(shù)。好壞時最常使用參數(shù)。效率定義為效率定義為電池電池輸出的電能與射入電池的光能的比例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，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效率還決定于入射光的光譜和光強以及電池本身的溫度電池本身的溫度。所以在比較兩塊電池。所以在比較兩塊電池的性能時，必須嚴(yán)格控制其所處的環(huán)境。的性能時，必須嚴(yán)格控制其所處的環(huán)境。（1）測量陸地太陽能電池的條件是光）測量

45、陸地太陽能電池的條件是光照照AM1.5和溫度和溫度25C。（2）空間太陽能電池的光照則為）空間太陽能電池的光照則為AM0。 3.2.5 太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù) 效效 率率2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)51計算電池效率的方程：計算電池效率的方程：Pmax= VOCISC FF , =Pmax/Pin = VOCISC FF /Pin 3.2.5 太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù) 效效 率率直線斜率的倒數(shù)就是直線斜率的倒數(shù)就是特征電阻。特征電阻。 太陽能電池的太陽能電池的特征電阻特征電阻就是指電池在輸出最大功率時的輸就是指電池在輸出最大功率時的輸出電阻。此參數(shù)在分析電池特性，特

46、別是研究出電阻。此參數(shù)在分析電池特性，特別是研究寄生電阻損失機寄生電阻損失機制制時非常重要。時非常重要。2022-3-1452圖上的公式還可圖上的公式還可代之以：代之以： RCH=VOC/ISC 3.3.1 電阻效應(yīng)電阻效應(yīng) 太陽能電池的太陽能電池的特征電阻特征電阻 電池的電池的電阻效應(yīng)電阻效應(yīng)以在電阻上消耗能量的形式以在電阻上消耗能量的形式降低降低了電池的了電池的效率效率。其中。其中最常見的寄生電阻為串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻最常見的寄生電阻為串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻。53 在大多數(shù)情況下，在大多數(shù)情況下，寄生電阻對電池的最主要影響是減小填寄生電阻對電池的最主要影響是減小填充因子充因子。在太陽能電池中，電

47、阻的單位是在太陽能電池中，電阻的單位是cm2 2。由歐姆定律可以求出單。由歐姆定律可以求出單位面積的阻值，位面積的阻值，R（ cm2 2 ）= =V/J。 3.3.2 電阻效應(yīng)電阻效應(yīng) 寄生電阻效應(yīng)寄生電阻效應(yīng)電池等效電路電池等效電路 太陽能電池中，引起串聯(lián)電阻的因素有：制造電池的太陽能電池中，引起串聯(lián)電阻的因素有：制造電池的半導(dǎo)半導(dǎo)體材料的體電阻體材料的體電阻、電極和互聯(lián)金屬的電阻電極和互聯(lián)金屬的電阻，以及電極和半導(dǎo)體，以及電極和半導(dǎo)體之間的之間的接觸電阻接觸電阻。2022-3-1454 3.3.3 電阻效應(yīng)電阻效應(yīng)串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻對電池的主要影響是減串聯(lián)電阻對電池的主要影響是減小填

48、充因子小填充因子，此外，此外，當(dāng)阻值過大當(dāng)阻值過大時還會減小短路電流時還會減小短路電流。但。但對開路對開路電壓無影響。電壓無影響。下畫描述了串聯(lián)電阻對伏安曲線下畫描述了串聯(lián)電阻對伏安曲線的影響。的影響。與特性電阻與特性電阻RCH相比，如果相比，如果RS很很小，則對小，則對FF就幾乎沒有影響。就幾乎沒有影響。 串聯(lián)電阻并不會影響到電串聯(lián)電阻并不會影響到電池的開路電壓池的開路電壓，因為此時電池的，因為此時電池的總電流為零，所以串聯(lián)電阻也為總電流為零，所以串聯(lián)電阻也為零。然而，在接近開路電壓處，零。然而，在接近開路電壓處，伏安曲線會受到串聯(lián)電阻的強烈伏安曲線會受到串聯(lián)電阻的強烈影響。影響。一種一種直

49、接估計電池的串聯(lián)電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阻的方法是找出伏安曲線在開路電壓處的斜率電壓處的斜率。2022-3-1455 3.3.3 電阻效應(yīng)電阻效應(yīng)串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻計算太陽能電池的最大功率的方程計算太陽能電池的最大功率的方程如下：如下：2111mmpmpmpmpsmpSCmpOCpmpsmpsSmpmpCHIIVPVIIR =VVIRPRRPPR2022-3-1456 3.3.3 電阻效應(yīng)電阻效應(yīng)串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻 1mpmpSPPr SSCHrR / R 若定義若定義 為規(guī)一化（為規(guī)一化（ normalized）串聯(lián)電阻，）串聯(lián)電阻， 假設(shè)開路電壓和短路電流沒有受到串聯(lián)

50、電阻的影響，則可假設(shè)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：以算出串聯(lián)電阻對填充因子的影響： 在上述方程中，把沒有受串聯(lián)電阻影響的填充因子在上述方程中，把沒有受串聯(lián)電阻影響的填充因子FF用符用符號號FF0表示，而表示，而FF則用則用FFs代替。則方程改為：代替。則方程改為： 而下面而下面以實驗為基礎(chǔ)的方程能更加精確以實驗為基礎(chǔ)的方程能更加精確地表示地表示FF0與與FFS之間的關(guān)系：之間的關(guān)系： FFs=FF0（1-1.1rs）+r2s/5.4 此式在此式在rs10時有效。時有效。2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)57 3.3.3 電阻效應(yīng)電阻效應(yīng)串聯(lián)

51、電阻串聯(lián)電阻 111mpmpsOCSCOCSCss PPrVIFFVIFFr FFFFr 01ssFFFFr 并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻RSH通常是由于制造缺陷引起的通常是由于制造缺陷引起的。它的主要來源。它的主要來源為：為：PN結(jié)漏電，包括繞過電池邊緣的漏電及由于結(jié)區(qū)存在晶體結(jié)漏電，包括繞過電池邊緣的漏電及由于結(jié)區(qū)存在晶體缺陷和外來雜質(zhì)的沉淀物所引起的內(nèi)部漏電。缺陷和外來雜質(zhì)的沉淀物所引起的內(nèi)部漏電。2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)58 3.3.4 電阻效應(yīng)電阻效應(yīng)并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻對電池的主要影響是減并聯(lián)電阻對電池的主要影響是減小填充因子小填充因子，此外，此外，當(dāng)阻值過小當(dāng)阻值過小時還

52、會減小開路電壓時還會減小開路電壓。但。但對短路對短路電流無影響。電流無影響。下畫描述了并聯(lián)電阻對伏安曲線下畫描述了并聯(lián)電阻對伏安曲線的影響。的影響。與特性電阻與特性電阻RCH相比，如果相比，如果RSH很很大，則對大，則對FF就幾乎沒有影響。就幾乎沒有影響。2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)59通過測量伏安曲線在接近短通過測量伏安曲線在接近短路電流處的斜率可以估算出路電流處的斜率可以估算出電池內(nèi)并聯(lián)電阻的值。電池內(nèi)并聯(lián)電阻的值。 3.3.4 電阻效應(yīng)電阻效應(yīng)并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻以分流的形式造成功率損失。在光強很低的情況并聯(lián)電阻以分流的形式造成功率損失。在光強很低的情況下，并聯(lián)電阻對電池

53、的影響最大，因為此時電池的電流很下，并聯(lián)電阻對電池的影響最大，因為此時電池的電流很小。小。 計算并聯(lián)電阻對填充因子的影響與計算串聯(lián)電阻對填充因計算并聯(lián)電阻對填充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：阻時的功率減去并聯(lián)電阻所消耗的功率。方程如下： 211111mpmpmpmpmpmpmpshmpshOCmpSCshCHmpmpshVVP VIVIRIRV PIRRP PR2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)60 這里把這里把rsh=Rsh/RCH

54、定義為定義為規(guī)一化的并聯(lián)電阻。規(guī)一化的并聯(lián)電阻。 3.3.4 電阻效應(yīng)電阻效應(yīng)并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻 我們假設(shè)開路電壓和短路電流都沒有受并聯(lián)電阻的影響，我們假設(shè)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：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，我們用同樣，對沒有被并聯(lián)電阻影響的填充因子，我們用FF0表示，表示，而而FF則改用則改用FFsh表示：表示： FFsh=FF0（1-1/rsh） 下面將列出下面將列出更加精確的更加精確的以實驗為基礎(chǔ)以實驗為基礎(chǔ)的方程的方程 61此方程在此方程在rsh0.4時有效時有效 3.3.4 電阻效應(yīng)電

55、阻效應(yīng)并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻 111111mpmpshOCSCOCSCshsh PP/ rVIFFVIFF/ r FFFF/ r 當(dāng)并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻當(dāng)并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻同時存在同時存在時，太陽能電池的電流與時，太陽能電池的電流與電壓的關(guān)系為：電壓的關(guān)系為： 62 而電池的等效電路圖為：而電池的等效電路圖為： 3.3.5 電阻效應(yīng)電阻效應(yīng)串、并聯(lián)電阻的共同影響串、并聯(lián)電阻的共同影響式中式中IL為光生電流。）為光生電流。）（第一象限的伏安曲線方程為：（第一象限的伏安曲線方程為：SHSnkTIRVqLRIRVeIIIS) 1()(0) 1(0nkTqVLeIIII 上式中上式中FFs=FF0（1-1.1

56、rs）+r2s/5.4 則將上面的方程結(jié)合后得到則將上面的方程結(jié)合后得到FF：2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)64 3.3.5 電阻效應(yīng)電阻效應(yīng)串、并聯(lián)電阻的共同影響串、并聯(lián)電阻的共同影響結(jié)合串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的影響，總的方程為結(jié)合串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的影響，總的方程為： 像所有其它半導(dǎo)體器件一樣，像所有其它半導(dǎo)體器件一樣，太陽能電池對溫度非常敏太陽能電池對溫度非常敏感感。溫度的升高降低了半導(dǎo)體的禁帶寬度溫度的升高降低了半導(dǎo)體的禁帶寬度，因此影響了大多，因此影響了大多數(shù)的半導(dǎo)體材料參數(shù)。數(shù)的半導(dǎo)體材料參數(shù)。可以把半導(dǎo)體的禁帶寬度隨溫度的升高而下降看成是材可以把半導(dǎo)體的禁帶寬度隨溫度的升高

57、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。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(dǎo)體禁帶寬度的共價鍵模型中，價鍵能量的降低意味著在半導(dǎo)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。禁帶寬度的下降。 2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)65 3.4.1 其他效應(yīng)其他效應(yīng)溫度效應(yīng)溫度效應(yīng) 3.4.1 其他效應(yīng)其他效應(yīng)溫度效應(yīng)溫度效應(yīng) 在太陽能電池中，在太陽能電池中，受溫度影響最大的參數(shù)是開受溫度影響最大的參數(shù)是開路電壓路電壓。溫度的改變對伏安曲線的影響如下圖所示。溫度的改變對伏安曲線的影響如下圖所示。 短路電流短路電流ISC提高幅提高幅

58、度很小度很小溫 度 較 高溫 度 較 高的電池的電池開路電壓開路電壓Voc下降幅度大下降幅度大1、開路電壓隨溫度的升高而、開路電壓隨溫度的升高而減??；減??；2、短路電流隨溫度的升高略、短路電流隨溫度的升高略有增加。有增加。 1、開路電壓隨著溫度而減小是因為開路電壓隨著溫度而減小是因為I0對溫度的依賴對溫度的依賴。關(guān)于。關(guān)于pn結(jié)兩邊的結(jié)兩邊的I0的方程如下：的方程如下： 式中，式中，q為一個電子的電荷量；為一個電子的電荷量；D為硅材料中少數(shù)載流為硅材料中少數(shù)載流子的擴(kuò)散率；子的擴(kuò)散率；L為少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度；為少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度；ND為摻雜率；為摻雜率；ni為硅的本征載流子濃度。為硅的本征

59、載流子濃度。 在上述方程中，許多參數(shù)都會在上述方程中，許多參數(shù)都會受溫度影響受溫度影響，其中影響，其中影響最大的是本征載流子濃度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本征載流子濃度決定于禁帶寬度度（禁帶寬度越低本征載流子濃度越高）（禁帶寬度越低本征載流子濃度越高）以及載流子所擁有以及載流子所擁有的能量的能量（載流子能量越高濃度越高）。（載流子能量越高濃度越高）。20iDDnIqALN 2022-3-14UNSW新南威爾士大學(xué)67 3.4.1 其他效應(yīng)其他效應(yīng)溫度效應(yīng)溫度效應(yīng) 3.4.1 其他效應(yīng)其他效應(yīng)溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)關(guān)于本征載流子的方程為：關(guān)于本征載流子的方程為： 00332

60、32224GGE-E*kkiehTTknm meBeTTh 式中，式中，T表示溫度，表示溫度，h和和k都是常數(shù)，都是常數(shù)，me和和mh分別是電子分別是電子和空穴的有效質(zhì)量；和空穴的有效質(zhì)量；EG0為禁帶寬度，為禁帶寬度，B是也是一個常數(shù)，但是也是一個常數(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，基本不受溫度影響。把這個方程帶回到求解電流的方程中，并假設(shè)溫度對其它參數(shù)的影響忽略不計，則：并假設(shè)溫度對其它參數(shù)的影響忽略不計，則：030GG0E-EkTkTDDIqABT eBT eLN 00G0-SCOCSCSCG0SCqVkTIkTkTVlnlnIlnqIqkTkTlnIlnqqqV