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1、第五章效率的极限、损失和测量,南京理工大学 材料科学与工程学院,1,内容,5.2 温度的影响,5.4 效率测量,5.3 效率损失,5.1 效率的极限,2,5.1 效率的极限,3,能量转换效率:,为获得较高的转换效率，需要增加Voc、Isc和FF。,令,当voc10时有,Voc的函数,为获得理想转换效率的极限，讨论Voc、Isc的理想极限。,5.1.1 短路电流Isc,式中，N0表示表面光通量，表示单位面积单位时间通过的光子数，单位为m-2s-1。,理想情况下:,求Isc的极限，就是求IL的极限,G为产生率。,假设到达电池表面的每一个能量大于材料禁带宽度的光子， 会产生一个电子-空穴对，那么G为
2、：,光子的通量,将光通量对波长进行积分，可以得到G。,积分范围：短波长长波长（硅的Eg=1.1eV，=1.13m）,G是在理想情况下得到的，因此得到的结果为理想极限。,禁带宽度与电流密度的关系,禁带宽度Eg减小 ，具有产生电子空穴对能量的光子增加，电流密度增加，短路电流Isc增加。,6,5.1.2 开路电压和效率,开路电压：,为提高Voc，需降低I0:,目前还没有明确得到限制Voc的基本因素。,获得Voc上限的方法,可将上式中的每个参数赋予合适的值。,对于硅， Voc最大值约为700mV，相应的FF为0.84。,饱和电流密度I0最小值与禁带宽度Eg的关系为：,禁带宽度Eg减小 ， I0增加，
3、Voc减小。,禁带宽度Eg减小,Voc减小,获得Voc上限的方法,10,必然存在一个最佳的Eg， 可令达到最大。,禁带宽度Eg减小,Isc增加,Voc减小,35%以下,最高效率在数值上较低的原因：,1. 光子能量Eph大于Eg时，多余的能量以热能形式释放，使得最高效率限制在44%。,2. 载流子被相当于禁带宽度的电势差所分离，pn结电池得到的输出电压也仅是这个电势差的一部分。,5.4 黑体电池的效率极限,黑体太阳能电池吸收所有入射的阳光。,同时以辐射复合的形式释放能量大于禁带宽度的光子。,I0与复合率有关。,从而得到I0的最小值。,此时， Voc为850mV，效率极限超过了30%。,5.2 温
4、度的影响,太阳能电池对温度非常敏感。温度T的升高使得半导体的禁带宽度Eg降低，相当于材料中的电子能量提高，这影响了大多数的半导体材料参数。,温度,Isc,Voc,光吸收增加,FF,温度对开路电压的影响,短路电流Isc和开路电压Voc的关系：,n结两边的I0的方程为,式中A与温度无关，包含了其余与温度有关的参数，它的数值一般在14之间，Eg0为半导体材料在绝对零度时的禁带宽度。,随着温度T的增加，Voc减小。,温度对开路电压的影响,15,太阳能电池的温度敏感性取决于开路电压的大小，即电池的开路电压越大，受温度的影响就越小。,对于硅Si，当Vg0=1.2V，=3，Voc=0.6V时，,温度对短路电
5、流的影响,16,当温度升高时，禁带宽度Eg减小，将有更多的光子有能力激发电子-空穴对，短路电流Isc会轻微上升。硅太阳能电池中短路电流受温度影响程度：,同时填充因子FF受温度的影响为,温度对最大输出功率Pm的影响为,太阳能电池在较低温度下工作时，效率较高,5.3 效率损失,17,由于各种损失机制的存在，实际太阳能电池的转换效率达不到理想极限。,5.3.1 短路电流损失,短路电流Isc的损失：,1.“光学”性质的损失,a.裸露硅表面的反射较大，可通过镀膜来降低；,b.金属栅线会遮掉10%15%的光；,c.若电池厚度不够，将有一部分透射出电池。,2.半导体体内和表面的复合损失,只有pn结附近的电子
6、-空穴对会对Isc有贡献，远距离处的在到达电极之前就已经复合。,N型掺杂层较薄,与IL在数值上相等,5.3.2 开路电压损失,19,决定Voc的主要过程是半导体中的复合，复合率越低，Voc越高。,限制Voc的一个重要因素是耗尽区中经由陷阱的复合。,在推导pn结暗特性时，忽略了耗尽区的复合：,开路电压损失,如果考虑耗尽区的复合，那么在无光照时，pn结的IV关系为：,或者写成：,式中：,相当于增加了I0,Voc降低,5.3.3 填充因子FF损失,21,1.耗尽区的复合,2.寄生的串联电阻和分流电阻,1. 耗尽区的复合,22,耗尽区的复合将会降低填充因子FF。对于非理想二极管，n1，则voc变为,同
7、样的，当voc10时，有：,2. 寄生的串联电阻和分流电阻,23,太阳能电池组件本身存在寄生的串联电阻Rs和分流电阻Rsh。,串联电阻Rs 的产生：制造电池的半导体材料本身、半导体与金属的接触间存在电阻。例如：半导体材料的体电阻、电极和互联金属的电阻、电极和半导体之间的接触电阻。,分流（并联）电阻Rsh 的产生：pn结漏电。包括：电池边缘的漏电、晶体缺陷和沉淀物引起的内部漏电。,寄生电阻对电池的最主要影响是减小了填充因子FF。,串联电阻 (Series Resistance),24,串联电阻Rs不会影响开路电压Voc，但当Rs值较高时，Isc将降低。,在串联电阻作用下，太阳能电池的最大输出功率
8、为：,式中：,假设Rs没有改变Isc ，则填充因子FF为：,提高输出功率需要减小rs。,随着串联电阻Rs的增加，FF减小。,分流电阻（Shunt Resistance ）,26,分流（并联）电阻Rsh减小了流经pn结的电流。 Rsh值较高时， Voc降低。,在分流电阻作用下，最大功率近似为：,提高输出功率需要增加Rsh。,式中：,填充因子FF为：,27,随着分流电阻Rsh的减小，FF减小。,串联电阻和分流电阻共同作用,28,当串联电阻和分流电阻都很重要时，填充因子为：,式中FF0为：,FF0为无寄生电阻时的理想填充因子。,5.4 效率测量,29,方法一：利用功率计测量入射光的功率Pin，电池最大输出功率Pm。,问题：1. 电池性能与阳光光谱有关；,2. 功率计存在误差。,方法二：以标定过的参考电池为基准，测量待测电池的性能。,条件：1. 两块电池的光谱响应一致；,2. 测试光源的光谱成分与标准光源光谱成分接近。,同种半导体材料，相似生产工艺；,光源,四点接触法，消除测试线中的串联电阻，和探头-电池之间的接触电阻,温度,电流与电压的测量：,AM1.5，自然阳光（模拟）,25或 28,也可用于光谱响应测量。,
