應(yīng)用光伏學(xué) 第3章 太陽(yáng)能電池的特性

第三章：

太陽(yáng)能電池的特性2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)1§3.1理想太陽(yáng)能電池§3.2太陽(yáng)能電池的

參數(shù)§3.3電阻效應(yīng)§3.4其他效應(yīng)§3.5對(duì)太陽(yáng)能電池

的測(cè)量§3.1.1

理想太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能電池是一種能直接把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電的電子器件。入射到電池的太陽(yáng)光通過(guò)同時(shí)產(chǎn)生電流和電壓的形式來(lái)產(chǎn)生電能。

這個(gè)過(guò)程的發(fā)生需要兩個(gè)條件：

首先，被吸收的光要能在材料中把一個(gè)電子激發(fā)到高能級(jí)。第二，處于高能級(jí)的電子能從電池中移動(dòng)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(mǎn)足太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的需求，但實(shí)際上，幾乎所有的光伏電池轉(zhuǎn)化過(guò)程都是使用組成pn結(jié)形式的半導(dǎo)體材料來(lái)完成的。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)2§3.1.1

理想太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的橫截面減反射膜前端接觸電極發(fā)射區(qū)基區(qū)背接觸電極電子空穴對(duì)

太陽(yáng)能電池運(yùn)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產(chǎn)生跨越太陽(yáng)能電池的高電壓能量在電路和外接電阻中消耗2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)8§3.1.1

理想太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)§3.1.2

理想太陽(yáng)能電池

光生電流

在太陽(yáng)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(gè)主要的過(guò)程。

第一個(gè)過(guò)程是吸收入射光子并產(chǎn)生電子空穴對(duì)。電子空穴對(duì)只能由能量大于太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的光子產(chǎn)生。

2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)9

第二個(gè)過(guò)程是pn結(jié)通過(guò)對(duì)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。pn結(jié)是通過(guò)其內(nèi)建電場(chǎng)的作用把載流子分開(kāi)的。

如果用一根導(dǎo)線(xiàn)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。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)10動(dòng)畫(huà)展示了短路情況下的理想電流。如果要阻止復(fù)合并對(duì)電流有貢獻(xiàn)的話(huà)，必須通過(guò)pn結(jié)的收集?！?.1.2

理想太陽(yáng)能電池

光生電流

“收集概率”描述了光照射到電池的某個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的載流子被pn結(jié)收集并參與到電流流動(dòng)的概率。它的大小取決于光生載流子需要運(yùn)動(dòng)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，因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域的電子空穴對(duì)會(huì)被電場(chǎng)迅速地分開(kāi)。2.在遠(yuǎn)離電場(chǎng)的區(qū)域，其收集概率將下降。當(dāng)載流子在與電場(chǎng)的距離大于擴(kuò)散長(zhǎng)度的區(qū)域產(chǎn)生時(shí)，那么它的收集概率是相當(dāng)?shù)偷?。相似的，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(huì)被復(fù)合。

§3.1.3

理想太陽(yáng)能電池

收集概率§3.1.3

理想太陽(yáng)能電池

收集概率前端表面在高復(fù)合率的情況下，其表面的收集概率很低。低擴(kuò)散長(zhǎng)度的太陽(yáng)能電池。電池中距離表面的距離弱鈍化的太陽(yáng)能電池強(qiáng)鈍化的太陽(yáng)能電池在耗散區(qū)的收集概率相同背表面收集概率下面的圖描述了表面鈍化和擴(kuò)散長(zhǎng)度對(duì)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。

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。

下面是硅在光照為AM1.5下光生電流的方程，包括了生成率和收集概率。2023/2/313§3.1.3

理想太陽(yáng)能電池

收集概率2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)14

在AM1.5光譜下硅片中的載流子生成率。注意，電池表面的生成率是最高的，因此電池對(duì)表面特性是很敏感的?！?.1.3

理想太陽(yáng)能電池

收集概率上圖顯示了不同波長(zhǎng)的光在硅材料中的載流子生成率。波長(zhǎng)0.45μm的藍(lán)光擁有高吸收率，為cm-1，也因此它在非?？拷敹吮砻嫣幈晃铡２ㄩL(zhǎng)0.8μm的紅光的吸收率cm-1，因此其吸收長(zhǎng)度更深一些。1.1μm紅外光的吸收率為cm-1，但是它幾乎不被吸收因?yàn)樗哪芰拷咏诠璨牧系慕麕挾??！?.1.3

理想太陽(yáng)能電池

收集概率歸一化的E-H對(duì)生成率§3.1.3

理想太陽(yáng)能電池

收集概率電池各區(qū)域截流子的收集概率是不一致。例如，表面的收集概率低于其他部分的收集概率。藍(lán)光在硅表面的零點(diǎn)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(huà)，入射光中藍(lán)光將不對(duì)光生電池做出貢獻(xiàn)。收集概率生成率在電池中的距離

所謂“量子效率”，即太陽(yáng)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。

如果某個(gè)特定波長(zhǎng)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(gè)特定波長(zhǎng)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。

下圖將描述理想太陽(yáng)能電池的量子效率曲線(xiàn)。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)17§3.1.4

理想太陽(yáng)能電池

量子效率§3.1.4

理想太陽(yáng)能電池

量子效率總量子效率的減小是由反射效應(yīng)和過(guò)短的擴(kuò)散長(zhǎng)度引起的。理想量子效率曲線(xiàn)能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以長(zhǎng)波長(zhǎng)的量子效率為零。量子效率前端表面復(fù)合導(dǎo)致藍(lán)光響應(yīng)的減小。紅光響應(yīng)的降低是由于背表面反射、對(duì)長(zhǎng)波光的吸收的減少和短擴(kuò)散長(zhǎng)度下圖為硅太陽(yáng)能電池的量子效率。通常，波長(zhǎng)小于350nm的光子的量子效率不予測(cè)量，因?yàn)樵?.5大氣質(zhì)量光譜中，這些短波的光所包含能量很小。

盡管理想的量子效率曲線(xiàn)是矩形的（如上圖），但是實(shí)際上幾乎所有的太陽(yáng)能電池的都會(huì)因?yàn)閺?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(huì)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?，所以頂端表面的高復(fù)合效應(yīng)會(huì)強(qiáng)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，但是電池內(nèi)過(guò)低的擴(kuò)散長(zhǎng)度將影響收集概率并減小光譜中綠光部分的量子效率。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)19§3.1.4

理想太陽(yáng)能電池

量子效率

硅太陽(yáng)能電池中，

“外部”量子效率：包括光的損失，如透射和反射。

“內(nèi)部”量子效率：指的是那些沒(méi)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(guò)測(cè)量電池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲線(xiàn)并得到內(nèi)部量子效率。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)20§3.1.4

理想太陽(yáng)能電池

量子效率

“光譜響應(yīng)”在概念上類(lèi)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(yáng)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(xiàn)。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)21理想的光譜響應(yīng)硅太陽(yáng)能電池的響應(yīng)曲線(xiàn)能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以在長(zhǎng)波長(zhǎng)段的光譜響應(yīng)為零。光譜響應(yīng)§3.1.5

理想太陽(yáng)能電池

光譜響應(yīng)短波長(zhǎng)的光子的能量很高，導(dǎo)致光子與能量的比例下降。因高光子能量的不能完全利用，所以光譜響應(yīng)隨著波長(zhǎng)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，而是只能加熱電池。

在太陽(yáng)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(wú)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?yàn)橹挥袦y(cè)量了光譜響應(yīng)才能計(jì)算出量子效率。公式如下：2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)22§3.1.5

理想太陽(yáng)能電池

光譜響應(yīng)SR（光譜響應(yīng)）

被收集的光生載流子并不是靠其本身來(lái)產(chǎn)生電能的。為了產(chǎn)生電能，必須同時(shí)產(chǎn)生電壓和電流。

在太陽(yáng)能電池中，電壓是由所謂的“光生伏打效應(yīng)”過(guò)程產(chǎn)生的。

2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)23§3.1.6

理想太陽(yáng)能電池

光伏效應(yīng)耗盡區(qū)：由N指向P的漂移電流

在耗盡區(qū)外：光照產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，由于沒(méi)有內(nèi)建電場(chǎng)的作用，并且多子濃度基本上不受光照效應(yīng)的影響，所以在光照下，少子濃度增加，會(huì)產(chǎn)生的擴(kuò)散電流。P區(qū)內(nèi)：由于耗盡層靠近P區(qū)邊緣的電子濃度較低，所以P區(qū)內(nèi)光照產(chǎn)生的光生電子（少子）會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入耜盡區(qū)，再流入N型區(qū)，光生空穴（多子）留在P區(qū)；N區(qū)內(nèi)：光照產(chǎn)生的光生空穴（少子）會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入耜盡層，進(jìn)而再流入P型區(qū)，光生電子（多子）留在N區(qū)。

這樣便在P-N結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，使N區(qū)儲(chǔ)存了過(guò)剩的電子，P區(qū)有過(guò)剩的空穴，從而形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。耗盡層內(nèi)的漂移電流（N－>P），P區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子擴(kuò)散電流（P－>N）和N區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的空穴擴(kuò)散電流（N－>P）的總和就是所說(shuō)的“光生電流”，也就是短路電流。其流向與PN結(jié)正向偏壓下的電流流向相反?！?.1.6

理想太陽(yáng)能電池

光伏效應(yīng)光生電場(chǎng)除了部分抵消內(nèi)建電場(chǎng)的作用外，還使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，這就是光生伏打效應(yīng)。

因?yàn)閮?nèi)建電場(chǎng)代表著對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散電流的障礙，所以電場(chǎng)減小的同時(shí)也增大擴(kuò)散電流，這就抵消了部分的光電流。穿過(guò)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。

§3.1.6

理想太陽(yáng)能電池

光伏效應(yīng)在電池開(kāi)路的情況下，pn結(jié)的正向偏壓處在新的一點(diǎn)，此時(shí)，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。當(dāng)兩個(gè)電流達(dá)到平衡時(shí)的電壓叫做“開(kāi)路電壓Voc”。

對(duì)晶體硅電池來(lái)說(shuō)，開(kāi)路電壓的典型型為0.5~0.6V。

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(guò)，這個(gè)電流稱(chēng)為短路電流Isc.下面動(dòng)畫(huà)展示了載流子分別在短路和開(kāi)路情況下的流動(dòng)情況。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)30

動(dòng)畫(huà)顯示了太陽(yáng)能電池分別在熱平衡、短路和開(kāi)路下的載流子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。請(qǐng)注意不同情況下，流過(guò)pn結(jié)的電流的不同。1、在熱平衡下（光照為零），擴(kuò)散電流和漂移電流都非常小。2、電池短路時(shí)，pn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。3、在開(kāi)路時(shí)，光生載流子引起正向偏壓，因此增加了擴(kuò)散電流。因?yàn)閿U(kuò)散電流和漂移電流的方向相反，所以開(kāi)路時(shí)電池總電流為零。§3.1.6

理想太陽(yáng)能電池

光伏效應(yīng)§3.2.1

太陽(yáng)能電池的參數(shù)

電池的伏安曲線(xiàn)動(dòng)畫(huà)展示了光對(duì)一個(gè)pn結(jié)的電流電壓特性的影響。沒(méi)有光照時(shí)，太陽(yáng)能電池與普通二極管的電性能沒(méi)什么不同。點(diǎn)擊繼續(xù)太陽(yáng)能電池的伏安曲線(xiàn)是電池二極管在黑暗時(shí)的伏安曲線(xiàn)與光生電流的疊加。光的照射能使伏安曲線(xiàn)移動(dòng)到第四象限，意味著能量來(lái)自電池。§3.2.1

太陽(yáng)能電池的參數(shù)

電池的伏安曲線(xiàn)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?023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)32式中IL為光生電流。第一象限的伏安曲線(xiàn)方程為：

接下來(lái)的幾節(jié)將討論幾個(gè)用于描述太陽(yáng)能電池特性的重要參數(shù)。短路電流（ISC），開(kāi)路電壓（VOC），填充因子（FF）和轉(zhuǎn)換效率都可以從伏安曲線(xiàn)測(cè)算出來(lái)的重要參數(shù)?！?.2.2

太陽(yáng)能電池的參數(shù)

短路電流

短路電流是指當(dāng)穿過(guò)電池的電壓為零時(shí)流過(guò)電池的電流（或者說(shuō)電池被短路時(shí)的電流）。通常記作ISC。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)33太陽(yáng)能電池的伏安曲線(xiàn)短路電流ISC是電池流出的最大電流，此時(shí)穿過(guò)電池的電壓為零。電池產(chǎn)生的電能短路電流源于光生載流子的產(chǎn)生和收集。對(duì)于電阻阻抗最小的理想太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，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。硅的禁帶寬度約為1.1eV，相應(yīng)的波長(zhǎng)是1.13um。禁帶寬度減小使能夠產(chǎn)生電子－空穴對(duì)的光子數(shù)目增多。

短路電流的大小取決于以下幾個(gè)因素：太陽(yáng)能電池的表面積。要消除太陽(yáng)能電池對(duì)表面積的依賴(lài)，通常需改變短路電流強(qiáng)度（JSC單位為mA/cm2）而不是短路電流。硅在光照為AM1.5下光生電流的方程2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)36§3.2.2

太陽(yáng)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(gè)因素：光子的數(shù)量（即入射光的強(qiáng)度）。電池輸出的短路電流ISC的大小直接取決于光照強(qiáng)度（在入射光強(qiáng)度一節(jié)有討論）。入射光的光譜。測(cè)量太陽(yáng)能電池是通常使用標(biāo)準(zhǔn)的1.5大氣質(zhì)量光譜。電池的光學(xué)特性（吸收和反射）（光學(xué)損耗一節(jié)有討論）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。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)37§3.2.2

太陽(yáng)能電池的參數(shù)

短路電流

在比較相同材料的兩塊太陽(yáng)能電池時(shí)，最重要的參數(shù)是擴(kuò)散長(zhǎng)度和表面鈍化。對(duì)于表面完全鈍化和生成率完全相同的電池來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)度。

從這個(gè)方程看出，短路電流很大程度上取決于生成率和擴(kuò)散長(zhǎng)度。

在AM1.5大氣質(zhì)量光譜下的硅太陽(yáng)能電池，其可能的最大電流為46mA/cm2。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到42mA/cm2，而商業(yè)用太陽(yáng)能電池的短路電流在28到35mA/cm2之間。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)38§3.2.2

太陽(yáng)能電池的參數(shù)

短路電流

開(kāi)路電壓VOC是太陽(yáng)能電池能輸出的最大電壓，此時(shí)輸出電流為零。開(kāi)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(kāi)路電壓如下圖伏安曲線(xiàn)所示。2023/2/339§3.2.3

太陽(yáng)電池的參數(shù)

開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓是太陽(yáng)能電池的最大電壓，即凈電流為零時(shí)的電壓。

上述方程顯示了VOC取決于太陽(yáng)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(kāi)路電壓。

短路電流與入射光強(qiáng)成正比，開(kāi)路電壓與入射光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比。所以增加入射光強(qiáng)，可增大開(kāi)路電壓。

2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)40§3.2.3

太陽(yáng)電池的參數(shù)

開(kāi)路電壓通過(guò)把輸出電流設(shè)置成零，便可得到太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓方程：

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幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以主要影響是飽和電流。飽和電流I0主要取決于電池的復(fù)合效應(yīng)。

當(dāng)，即：少子壽命無(wú)限長(zhǎng)，復(fù)合率趨于零時(shí)，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(yàn)公式： Eg減小－>Isc增大，但Voc減小。

2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)41§3.2.3

太陽(yáng)電池的參數(shù)

開(kāi)路電壓太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓方程：存在一個(gè)最佳的半導(dǎo)體禁帶寬度，可使效率達(dá)到最高。在太陽(yáng)能電池的伏它特性中，習(xí)慣上把光生電流JL的方向作為電流的正方向。伏安特性曲線(xiàn)中，電壓V在0~VOC之間時(shí)，電壓V和電流J的乘積為正值，表明太陽(yáng)能電池產(chǎn)生電能；當(dāng)V<0，電壓V和電流J的乘積為負(fù)值，器件消耗功率。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的硅太陽(yáng)能電池在AM1.5光譜下的最大開(kāi)路電壓能達(dá)到720mV，而商業(yè)用太陽(yáng)能電池通常為600mV。

短路電流和開(kāi)路電壓分別是太陽(yáng)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(diǎn)時(shí)，電池的輸出功率都為零?！疤畛湟蜃印保ǔＪ褂盟暮?jiǎn)寫(xiě)“FF”，是由開(kāi)路電壓VOC和短路電流ISC共同決定的參數(shù)，它決定了太陽(yáng)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(kāi)路VOC和ISC的乘積的比值。2023/2/344§3.2.4

太陽(yáng)能電池的參數(shù)

填充因子§3.2.4

太陽(yáng)能電池的參數(shù)

填充因子輸出電流（紅線(xiàn)）和功率的（藍(lán)線(xiàn)）圖表。同時(shí)標(biāo)明了電場(chǎng)的短路電流（ISC）點(diǎn)、開(kāi)路電壓（VOC）點(diǎn)以及最大功率點(diǎn)（Vmp，Imp）。從圖形上看，F(xiàn)F就是能夠占據(jù)IV曲線(xiàn)區(qū)域最大的面積。小長(zhǎng)方形面積，表征最大功率ImVm，大長(zhǎng)方形面積，表征ISCVOC。FF表征兩個(gè)長(zhǎng)方形面積的接近程度。對(duì)有適當(dāng)效率的電池來(lái)說(shuō)，F(xiàn)F的值在0.7~0.85之間。

要計(jì)算電池的FF可以對(duì)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(shí)的電壓電流值了。即：

d（IV）/dV=0

并給出：

2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)46§3.2.4

太陽(yáng)能電池的參數(shù)

填充因子然而，單從上面的步驟并不能得出一個(gè)簡(jiǎn)單或近似的方程。上面的方程只與VOC和Vmp有關(guān)，所以還需要額外的能求出Imp和FF的方程。1、上述方程顯示了電池的開(kāi)路電壓越高，填充因子就越大。

然而，材料相同的電池的開(kāi)路電壓，它們的變化也相對(duì)較小。例如，(Atonesun)在一個(gè)AM1.0下，實(shí)驗(yàn)室硅太陽(yáng)能電池和典型的商業(yè)硅太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓之差大約為120mV，填充因子分別為0.85和0.83.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，GaAs太陽(yáng)能電池的填充因子能達(dá)到0.89。

2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)47§3.2.4

太陽(yáng)能電池的參數(shù)

填充因子一個(gè)比較常使用的經(jīng)驗(yàn)方程是：規(guī)定

，為規(guī)一化的開(kāi)路電壓

2、上述方程還說(shuō)明了理想因子（也叫n因子）的重要性。理想因子是描述pn結(jié)質(zhì)量和電池的復(fù)合類(lèi)型的測(cè)量量。對(duì)于復(fù)合類(lèi)型那一節(jié)所討論的簡(jiǎn)單的復(fù)合來(lái)說(shuō)，n的值為1。然而對(duì)于其它特別是效應(yīng)很強(qiáng)的復(fù)合類(lèi)型來(lái)說(shuō)，n的值應(yīng)該為2。大的n值不僅會(huì)降低填充因子，還會(huì)因?yàn)楦邚?fù)合效應(yīng)而降低開(kāi)路電壓。

2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)48§3.2.4

太陽(yáng)能電池的參數(shù)

填充因子規(guī)定

，為規(guī)一化的開(kāi)路電壓 3、上述方程中一個(gè)重要的限制是，它求出的只是最大填充因子，然而實(shí)際上因?yàn)殡姵刂屑纳娮璧拇嬖?，填充因子的值可能?huì)更低一些。

因此，測(cè)量填充因子最常用的方法還是測(cè)量伏安曲線(xiàn)，即最大功率除以開(kāi)路電壓與短路電流的乘積。

FF=VmpImp/（VOCISC

）2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)49§3.2.4

太陽(yáng)能電池的參數(shù)

填充因子FF是衡量太陽(yáng)能電池輸出特性好壞的重要指標(biāo)。在一定光譜輻照度下，F(xiàn)F越大，曲線(xiàn)愈方，輸出功率也越高。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)50發(fā)電效率是人們?cè)诒容^兩塊電池好壞時(shí)最常使用參數(shù)。效率定義為電池輸出的電能與射入電池的光能的比例。

除了反映太陽(yáng)能電池的性能之外，效率還決定于入射光的光譜和光強(qiáng)以及電池本身的溫度。所以在比較兩塊電池的性能時(shí)，必須嚴(yán)格控制其所處的環(huán)境。（1）測(cè)量陸地太陽(yáng)能電池的條件是光照AM1.5和溫度25°C。（2）空間太陽(yáng)能電池的光照則為AM0。§3.2.5

太陽(yáng)能電池的參數(shù)

效率2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)51計(jì)算電池效率的方程：Pmax=VOCISC

FF,

η=Pmax/Pin

=VOCISC

FF/Pin§3.2.5

太陽(yáng)能電池的參數(shù)

效率直線(xiàn)斜率的倒數(shù)就是特征電阻。

太陽(yáng)能電池的特征電阻就是指電池在輸出最大功率時(shí)的輸出電阻。此參數(shù)在分析電池特性，特別是研究寄生電阻損失機(jī)制時(shí)非常重要。2023/2/352圖上的公式還可代之以：

RCH=VOC/ISC§3.3.1

電阻效應(yīng)

太陽(yáng)能電池的特征電阻

電池的電阻效應(yīng)以在電阻上消耗能量的形式降低了電池的效率。其中最常見(jiàn)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，寄生電阻對(duì)電池的最主要影響是減小填充因子。在太陽(yáng)能電池中，電阻的單位是Ωcm2。由歐姆定律可以求出單位面積的阻值，R（Ωcm2）=V/J?！?.3.2

電阻效應(yīng)

寄生電阻效應(yīng)電池等效電路

太陽(yáng)能電池中，引起串聯(lián)電阻的因素有：制造電池的半導(dǎo)體材料的體電阻、電極和互聯(lián)金屬的電阻，以及電極和半導(dǎo)體之間的接觸電阻。2023/2/354§3.3.3

電阻效應(yīng)

串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻對(duì)電池的主要影響是減小填充因子，此外，當(dāng)阻值過(guò)大時(shí)還會(huì)減小短路電流。但對(duì)開(kāi)路電壓無(wú)影響。下畫(huà)描述了串聯(lián)電阻對(duì)伏安曲線(xiàn)的影響。與特性電阻RCH相比，如果RS很小，則對(duì)FF就幾乎沒(méi)有影響。

串聯(lián)電阻并不會(huì)影響到電池的開(kāi)路電壓，因?yàn)榇藭r(shí)電池的總電流為零，所以串聯(lián)電阻也為零。然而，在接近開(kāi)路電壓處，伏安曲線(xiàn)會(huì)受到串聯(lián)電阻的強(qiáng)烈影響。

一種直接估計(jì)電池的串聯(lián)電阻的方法是找出伏安曲線(xiàn)在開(kāi)路電壓處的斜率。2023/2/355§3.3.3

電阻效應(yīng)

串聯(lián)電阻計(jì)算太陽(yáng)能電池的最大功率的方程如下：2023/2/356§3.3.3

電阻效應(yīng)

串聯(lián)電阻若定義為規(guī)一化（

normalized）串聯(lián)電阻，

假設(shè)開(kāi)路電壓和短路電流沒(méi)有受到串聯(lián)電阻的影響，則可以算出串聯(lián)電阻對(duì)填充因子的影響：在上述方程中，把沒(méi)有受串聯(lián)電阻影響的填充因子FF用符號(hào)FF0表示，而FF’則用FFs代替。則方程改為：

而下面以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的方程能更加精確地表示FF0與FFS之間的關(guān)系：FFs=FF0[（1-1.1rs）+r2s/5.4]此式在rs<0.4及vOC>10時(shí)有效。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)57§3.3.3

電阻效應(yīng)

串聯(lián)電阻

并聯(lián)電阻RSH通常是由于制造缺陷引起的。它的主要來(lái)源為：PN結(jié)漏電，包括繞過(guò)電池邊緣的漏電及由于結(jié)區(qū)存在晶體缺陷和外來(lái)雜質(zhì)的沉淀物所引起的內(nèi)部漏電。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)58§3.3.4

電阻效應(yīng)

并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻對(duì)電池的主要影響是減小填充因子，此外，當(dāng)阻值過(guò)小時(shí)還會(huì)減小開(kāi)路電壓。但對(duì)短路電流無(wú)影響。下畫(huà)描述了并聯(lián)電阻對(duì)伏安曲線(xiàn)的影響。與特性電阻RCH相比，如果RSH很大，則對(duì)FF就幾乎沒(méi)有影響。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)59通過(guò)測(cè)量伏安曲線(xiàn)在接近短路電流處的斜率可以估算出電池內(nèi)并聯(lián)電阻的值?！?.3.4

電阻效應(yīng)

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(qiáng)很低的情況下，并聯(lián)電阻對(duì)電池的影響最大，因?yàn)榇藭r(shí)電池的電流很小。

計(jì)算并聯(lián)電阻對(duì)填充因子的影響與計(jì)算串聯(lián)電阻對(duì)填充因子的影響時(shí)所使用的方法相似。即最大功率近似等于無(wú)并聯(lián)電阻時(shí)的功率減去并聯(lián)電阻所消耗的功率。方程如下：

2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)60這里把rsh=Rsh/RCH定義為規(guī)一化的并聯(lián)電阻。§3.3.4

電阻效應(yīng)

并聯(lián)電阻

我們假設(shè)開(kāi)路電壓和短路電流都沒(méi)有受并聯(lián)電阻的影響，則可計(jì)算出并聯(lián)電阻對(duì)填充因子的影響：

同樣，對(duì)沒(méi)有被并聯(lián)電阻影響的填充因子，我們用FF0表示，而FF’則改用FFsh表示：

FFsh=FF0（1-1/rsh）下面將列出更加精確的以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的方程

61此方程在rsh>0.4時(shí)有效§3.3.4

電阻效應(yīng)

并聯(lián)電阻

當(dāng)并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻同時(shí)存在時(shí)，太陽(yáng)能電池的電流與電壓的關(guān)系為：

62

而電池的等效電路圖為：§3.3.5

電阻效應(yīng)

串、并聯(lián)電阻的共同影響式中IL為光生電流。）（第一象限的伏安曲線(xiàn)方程為：

上式中FFs=FF0[（1-1.1rs）+r2s/5.4]

則將上面的方程結(jié)合后得到FF：2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)64§3.3.5

電阻效應(yīng)

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：

像所有其它半導(dǎo)體器件一樣，太陽(yáng)能電池對(duì)溫度非常敏感。溫度的升高降低了半導(dǎo)體的禁帶寬度，因此影響了大多數(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料中的電子能量的提高。因此破壞共價(jià)鍵所需的能量更低。在半導(dǎo)體禁帶寬度的共價(jià)鍵模型中，價(jià)鍵能量的降低意味著禁帶寬度的下降。

2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)65§3.4.1

其他效應(yīng)

溫度效應(yīng)§3.4.1

其他效應(yīng)

溫度效應(yīng)在太陽(yáng)能電池中，受溫度影響最大的參數(shù)是開(kāi)路電壓。溫度的改變對(duì)伏安曲線(xiàn)的影響如下圖所示。

短路電流ISC提高幅度很小溫度較高的電池開(kāi)路電壓Voc下降幅度大1、開(kāi)路電壓隨溫度的升高而減小；2、短路電流隨溫度的升高略有增加。

1、開(kāi)路電壓隨著溫度而減小是因?yàn)镮0對(duì)溫度的依賴(lài)。關(guān)于pn結(jié)兩邊的I0的方程如下：式中，q為一個(gè)電子的電荷量；D為硅材料中少數(shù)載流子的擴(kuò)散率；L為少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度；ND為摻雜率；ni為硅的本征載流子濃度。在上述方程中，許多參數(shù)都會(huì)受溫度影響，其中影響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度（禁帶寬度越低本征載流子濃度越高）以及載流子所擁有的能量（載流子能量越高濃度越高）。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)67§3.4.1

其他效應(yīng)

溫度效應(yīng)§3.4.1

其他效應(yīng)

溫度效應(yīng)關(guān)于本征載流子的方程為：式中，T表示溫度，h和k都是常數(shù)，me和mh分別是電子和空穴的有效質(zhì)量；EG0為禁帶寬度，B是也是一個(gè)常數(shù)，但基本不受溫度影響。把這個(gè)方程帶回到求解電流的方程中，并假設(shè)溫度對(duì)其它參數(shù)的影響忽略不計(jì)，則：2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)69式中B’為一個(gè)不受溫度影響的常數(shù)。常數(shù)γ，被用來(lái)代替數(shù)字3以把其它參數(shù)可能受溫度的影響包括進(jìn)去。對(duì)于溫度接近于室溫的硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，溫度每升高10°C，I0將升高將近一倍。把上述方程代入到VOC的方程中，便可計(jì)算出I0對(duì)開(kāi)路電壓的影響?！?.4.1

其他效應(yīng)

溫度效應(yīng)其中，VG0=EG0/q。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)70

此方程顯示，隨著溫度升高，太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓線(xiàn)性的減小。即電池的電壓越大，受溫度的影響就越小。對(duì)于硅，EG0為1.2eV，取γ=3，則開(kāi)路電壓的變化為大約2.2mV/°C。§3.4.1

其他效應(yīng)

溫度效應(yīng)我們假設(shè)dVOC/dT不受dISC/dT的影響，則§3.4.1

其他效應(yīng)

溫度效應(yīng)3、同時(shí)，硅電池的填充因子FF受溫度的影響為：

2、當(dāng)溫度升高時(shí)，短路電流ISC會(huì)輕微地上升，因?yàn)楫?dāng)禁帶寬度EG減小時(shí)，將有更多的光子有能力激發(fā)電子空穴對(duì)。然而，這種影響是很小的，下面的方程說(shuō)明硅太陽(yáng)能電池中短路電流受溫度影響程度：而溫度對(duì)最大輸出功率Pm的影響為：2023/2/372南極洲，正在測(cè)量太陽(yáng)能電池的效率。太陽(yáng)能電池喜歡陽(yáng)光明媚寒冷天氣?！?.4.1

其他效應(yīng)

溫度效應(yīng)

改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度將改變所有太陽(yáng)能電池的參數(shù)，包括短路電流、開(kāi)路電壓、填充因子FF、轉(zhuǎn)換效率以及并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻對(duì)電池的影響。

通常用多少個(gè)太陽(yáng)來(lái)形容光強(qiáng)，比如一個(gè)太陽(yáng)就相當(dāng)于AM1.5大氣質(zhì)量下的標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)，即1KW/m2。如果太陽(yáng)能電池在功率為10KW/m2的光照下工作，也可以說(shuō)是在10個(gè)太陽(yáng)下工作，或10X。

被設(shè)計(jì)在一個(gè)太陽(yáng)下工作的電池板叫“平板電池”，而那些使用聚光器的電池叫“聚光太陽(yáng)能電池”。2023/2/3UNSW新南威爾士大學(xué)73§3.4.2

其他效應(yīng)

光強(qiáng)效應(yīng)§3.4.2

其他效應(yīng)

光強(qiáng)效應(yīng)聚光對(duì)太陽(yáng)能電池的伏安特性的影響。短路電流ISC隨著聚光呈線(xiàn)性上