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1、太阳能电池工作原理、技术和系统应用,作者：马丁.格林,2,第 四讲效率极限,复习,1 太阳能发电原理和影响因素,1.1 光的吸收与载流子复合1.2 光照的影响 1.3 光谱响应 1.4 温度的影响 1.5 寄生电阻的影响,1.1 光的吸收与载流子复合,当光照射到半导体材料时，拥有比禁带宽（Eg）还小的能量（Eph）的光子与半导体的相互左右极弱，于是顺利地穿透半导体，就如半导体是透明的一样。然而，能量比带隙能量大的光子（EghEg）会与形成共价键的电子相作用，用它自身所具有的能量去破坏共价键，形成可以自有流动的电子-空穴对。,光照时电子-空穴对的产生,光子的能量越高，被吸收的位置就越接近半导体表
2、面，较低能量的光子则在距半导体表面较深处被吸收。,光的能量与电子-空穴对产生的位置间的联系,Resource Characteristics 地面附近太阳辐射光谱图,The absorption depths of silicon,单位体积内电子-空穴对的产生率可用下式表示：N为光子的流量（每秒流过单位面积的光子数量），是吸收系数，x是到表面的距离。,物理意义相当于某波长的光在媒质中传播1/距离时能量减弱到原来能量的1/e。一般用吸收系数的倒数1/来表征该波长的光在材料中的透入深度。,在300K时，对于硅材料，和波长的函数关系,1.1 光的吸收与载流子复合,当光源被关掉后，系统势必会回到一个平
3、衡状态。在没有外界能量来源的情况下，电子和空穴会无规则运动直到他们相遇并复合。任何表面或内部的缺陷、杂质都会促进复合的产生。材料的载流子寿命可以定义为电子空穴对从产生到复合的平均存在时间。对于硅，典型的载流子寿命约为1s。,类似的，载流子的扩散长度就是载流子从产生到复合所能移动的平均距离。对于硅，扩散长度一般是100300m。这两个参数为太阳能电池应用的材料提出参考。如果没有一个使电子定向移动的方法，半导体就无法输出能量。因此，一个功能完善的太阳能电池，通常需要增加一个整流P-N结来实现。,1.2 光照的影响,照射到电池上的光可呈现多种不同的情形。为了使太阳能电池的能量转换效率最大化，必须设计
4、使之得到最大的直接吸收以及反射后的吸收。,1-顶电极上的反射与吸收；2-在电池表面的反射；3-可用的吸收；4-电池底部的反射（仅对吸收较弱的光线有效）；5-反射后的吸收；6-背电极处的吸收,在P-N结电场E的作用下，电子受力向N型一侧移动，空穴受力向P型一侧移动。短路时，在外电路产生光电流。,理想短路情况下P-N结区域电子与空穴的流动（电子、空穴产生、定向移动、被收集、外电路流动）,尽管如此，一部分电子和空穴在被收集之前就已经消失了。,电子空穴对复合的一些可能模式，以及未复合的载流子被收集的情况,总体来说，在P-N结越近的地方产生的电子空穴对越容易被收集。当V=0时，那些被收集的载流子将会产生
5、一定大小的电流。如果电子空穴对在P-N结附近小于一个扩散长度的范围内产生，收集的几率就比较大。,在无光照的情况下，描述二极管电流I和电压V间函数关系的特征曲线（I-V曲线）为：光线的照射对太阳电池的作用，可以认为是在原有的二极管暗电流基础之上叠加了一个电流增量，于是二极管公式变为：,1.2 光照的影响,光的照射对P-N结电流-电压间函数特性的影响,电压电流方向？,I,V,Dark Characteristic Light Characteristic,I,V,Power Generating Region,Power Dissipating Region,Power Dissipating R
6、egion,光照能使电池的I-V曲线向下平移到第四象限，于是二极管的电能可以被获取。为便于讨论，太阳电池的I-V特性曲线通常被上下翻转，将输出曲线置于第一象限，并用下式表示：,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.,用于衡量在一定照射强度、工作温度以及面积条件下，太阳能电池电力输出的两个主要制约参数为：短路电流（Isc，Short circuit current）当
7、电压为零时电池输出的最大电流，Isc=IL。Isc与所接受到的光照强度成正比。开路电压（Voc，Open circuit voltage）电流为零时，电池输出的最大电压。Voc的值随辐照强度的增加成对数方式增长。,I=ISC,R=0,Does it surprise you that the current at short circuit is not infinite?Or that a current can flow with no voltage?Where does the energy originate?,Question#1:,I=0,R=,Question#2:,+_,V=
8、VOC,RS,RSH,ISC,VOC,The slopes of these lines are characteristic resistances.,RSH,RS,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,ISC,RS=0,RSH=,RLOAD,The ideal solar cell would have no interna
9、l losses at all!What would the VI characteristic of THIS cell look like?,ISC,VOC,RSH=,RS=0,The Ideal Solar Cell,Notice that the area under the rectangle=PMAX for the ideal cell.For this cell,PMAX=VOC ISC,ISC,VOC,The Ideal Solar Cell,对于I-V曲线上的每一点，都可取该点上电流与电压的乘积，以反映此工作情形下的输出电功率。填充因子（FF，Fill Factor）是衡量
10、电池P-N结的质量以及串联电阻的参数。填充因子定义为：所以：,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,ISC,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?,补充：最大转换效率为带隙Eg
11、的函数,定性结论：短路电流随Eg的增大而减小；开路电压随Eg的增大而增大；在Eg为1.4eV时出现太阳电池的最大转换效率,1.3 光谱响应,当单个光子的能量比半导体材料的禁带宽度大时，太阳电池就会吸收这个光子并产生一个电子空穴对，在这种情况下，太阳能电池对入射光的光子产生响应。光子能量超出禁带宽度的部分以热量形式散失。,电子空穴对的产生与超过带隙部分能量的散失,太阳电池能够响应的最大波长被半导体材料的禁带宽度所限制。当禁带宽度在1.01.6eV时，入射阳光的能量才有可能被最大限度地利用。单独考虑这个因素，就将太阳电池的最大可能转换效率限制在44%以下。,光谱响应度,另一个值得注意的物理量是太阳
12、能电池的光谱响应度，用每瓦特功率入射光所产生的电流强度来表示。理想情况下，光谱响应度随着波长的增加而增加。,光谱响应度,然而，在短波长辐射下，电池无法利用光子的全部能量，长波长辐射下，电池对光线的吸收作用较弱，导致大部分光子在远离P-N结的区域被吸收。半导体材料的有限扩散长度也限制了电池对光的响应。,典型的实际太阳电池的外部量子效率和光谱响应,恒定的电池温度下，不同的辐照度对光生电流密度和电压输出特性曲线的影响,1.4 温度的影响,温度的影响包括：短路电流随温度上升而增加，因为带隙能量下降了，更多的光子具有足够的能量来产生电子空穴对，但是，这是一个比较微弱的影响。对硅电池来说，温度的上升主要致
13、使开路电压和填充因子下降，因而导致了输出电功率下降。对硅电池而言，温度对最大输出功率的影响如下,温度对太阳电池I-V特性的影响,1.5 寄生电阻的影响,太阳能电池通常伴有寄生的串联和分流电阻，此寄生电阻都会导致FF降低。,串联电阻主要来源于半导体材料的体电阻、金属接触电阻、载流子在顶部扩散层的输运等。,串联电阻对太阳电池填充因子的影响,分流电阻是由于P-N结的非理想性和结附近的杂质造成的，它引起结的局部短路，尤其在电池的边缘部分。,分流电阻对太阳电池填充因子的影响,2 太阳电池效率和结构设计,2.1 太阳电池效率2.2 光学损失2.3 复合损失2.4 电极设计,2.1 太阳电池效率,在实验室条
14、件下，采用最先进的技术，单晶硅太阳电池的转换效率可能超过24%，然而，工业上大批量生产电池的效率普遍只有1314%。原因？最重要的是实验室在生产电池时可以把效率当成是最主要的目标，而不考虑费用、工艺的复杂程度或生产效率。从生产角度来看，提高转换效率，对于固定的功率输出需要的组件较少，则相对而言降低了成本。所以，同时提高转换效率和降低硅晶片的成本是全面降低光伏成本的关键。,影响太阳电池效率的因素,影响太阳电池效率的主要因素是半导体材料的选择，由于每种材料能带间隙的大小与其所吸收的光谱各有不同，所以每种材料有其一定的能量转换效率。每种材料只能吸收一定范围内的光谱能量。另外，转换效率还受材料的品质影
15、响而无法达到理论值，如材料的纯度较低，或材料本身的结构缺陷等。,除了材料本身的影响之外，某些损失是由于太阳电池的结构设计引起的，这包括：反射损失（reflection loss）表面再结合损失（surface recombination loss）内部再结合损失（bulk recombination loss）串联电阻损失（series resistance loss）电压因子损失（voltage factor loss）,影响太阳电池效率的因素,2.2 光学损失,太阳电池光学损失原理1-正面电极的遮光；2-表面反射；3-背电极的反射,减少光学损失方法,（1）将正面电极的面积减少到最小 但会导
16、致串联电阻增加（2）在电池表面使用减反膜 特别是使用四分之一厚度的透明减反膜，这层膜将通过干涉作用，理论上将从膜的上表面反射的光和从半导体界面处反射回来的光相互抵消，其两者的相位差为180。,四分之一波长的减反膜,使用四分之一波长的减反膜抵消表面反射示意图,使用四分之一波长的减反膜抵消表面反射示意图,为了将反射进一步最小化，可以将减反膜的折射率设计为膜两边材料（玻璃和半导体，或空气和半导体）的几何平均值：,使用四分之一波长减反膜的太阳电池在不同波长照射下的表面反射率（半导体硅的折射率n2=3.8，空气的折射率n0=1.0，玻璃的折射率n0=1.5）,Comparison of surface
17、reflection from a silicon solar cell,with and without a typical anti-reflection coating.,（3）通过表面制绒也可以减少反射将太阳电池的表面制成凸凹不平的表面，可使得光线受到表面多重反射的作用，而更有效率的进入半导体材料中。常用做法有V字型沟槽、金字塔型（pyramid texture）及逆金字塔型表面（inverted pyramid texture）。,绒化或粗糙化的表面的另一个好处是光可以按照斯涅尔定律倾斜地耦合进硅晶体中：,Reflection and transmission of light fo
18、r a textured silicon solar cell,金字塔型（pyramid texture）型表面,逆金字塔型表面（inverted pyramid texture）,Scanning electron microscope photograph of a textured silicon surface,Scanning electron microscope photograph of a textured multicrystalline silicon surface,V字型沟槽,（4）电池背表面的高反射 减少电池背电极的吸收，使得到达背表面的光线被弹回，再度进入电池而有
19、可能被吸收。如果背面反射体能够完全随机式地打乱反射光的方向，光线可能会因为电池内部的全反射而被捕获在电池内。通过这种陷光方式，最多可以将入射光的路径扩大至约50倍，因而光线被吸收的可能性将显著增加。,Light trapping using a randomised reflector on the rear of the cell,（5）将太阳电池制成串叠型电池（tandem cell）把两个或两个以上的元件堆叠起来，能够吸收较高能量光谱的电池放在上层，吸收较低光谱能量的电池放在下层，通过不同材料的电池将光子的能量层层吸收。,2.3复合损失,太阳电池的效率也会因为电子空穴对在被有效利用之前复
20、合而降低，一些发生复合的可能途径如图所示：,光伏电池中电子空穴对可能复合的途径,复合能够以以下几种机理发生：辐射复合吸收的反过程。电子从高能态返回到较低能态，同时释放出光能。此种机理在半导体激光器和发光二极管中适用，但对硅太阳电池并不显著。俄歇复合“碰撞电离”的反过程，在掺杂较重的材料中显著。通过陷阱复合当半导体中的杂质或表面的界面陷阱在禁带间隙中产生允许的能级时，这个复合就能发生。,典型的实际太阳电池的外部量子效率和光谱响应，阐释了光学和复合损失的影响,2.4 顶电极设计,主栅线（busbar）和外部导线直接相连，而副栅线（finger）是更细小的金属化区域，用来收集电流传输给主栅线。顶电极
21、的设计目标是优化电流收集来减少由于内部电阻和电池遮蔽而产生的损失。,太阳电池中电子从产生点到外部电极的流动示意图,Use of a four point probe to measure the sheet resistivity of a solar cell,将电极做成手指状，可以减少光线的反射,Resistive components and current flows in a solar cell.,Top contact design in a solar cell.The busbars connect the fingers together and pass the gene
22、rated current to the external electrical contacts.,Schematic of a top contact design showing busbars and fingers,优化遮光损失与收集损失,Key features of a top surface contacting scheme,优化电极的宽高比,Points of contact resistance losses at interface between grid lines and semiconductor,降低电极的接触电阻,在做法上着重金属电极构造的最优化，例如将金属
23、电极埋入基板中，以增加接触面积，减少串联电阻。,激光刻槽-埋栅太阳能电池,Basic schematic of a silicon solar cell.The top layer is referred to as the emitter and the bulk material is referred to as the base,增加入射光的面积,使用点接触式太阳电池（point contact cell），将正负电极全部放在背面，这样可增加太阳电池正面的入射光面积。,将正负电极全部放在背面的点接触太阳电池,光生电流极限,一个自身能量高于带宽的光子产生一对或多对电子空穴对。能量阀值：1
24、.124eV 300K 1.052eV 单声子辅助吸收 0.987eV 双声子辅助吸收 自由载流子吸收 晶格吸收,光生电流极限,最大光生电流（纯硅）51.5mA/cm2，受自由载流子吸收的限制，要得到这样的电流，硅片的厚度需几米厚。对于正常厚度的太阳电池（1mm），光的有限吸收对电流的限制远远大于自由载流子吸收对电流的影响。,开路电压的极限,两个本征的复合原理：辐射复合，俄竭复合。,填充因子极限,俄竭复合：低注入n=1 高注入辐射复合：低注入和高注入 n=1缺陷复合：低注入n=1 高注入n=2最大FF极限：高注入薄电池,转换效率极限,VOC和ISC 随电池厚度的变化趋势相反，所以对于转换效率存
25、在着一个最佳的厚度值：80m,28.8%。,Isc的损失,1、表面反射损失 10%2、表面电极遮光损失 515%3、不能充分吸收光的能量4、体内复合5、表面复合,VOC的损失,电池内的复合过程（表面、体内、p-n结区）决定了VOC的大小,FF的损失,Suns/Voc 准I-V曲线，准转换效率（Rs=0)Rs:Voc处的斜率Rsh:Isc处的斜率,Rsh,Rs,太阳电池设计原理,为什么太阳电池的颜色是深蓝色的？为什么需做绒面？为什么要控制好方块电阻？为什么要在电池背面印刷Al浆？正面电极栅线间的间距是如何决定的？为什么有时Rs很大，且通过烧结条件不能改善？,太阳电池设计原理,需要考虑的因素：少数
26、载流子的收集几率 p-n结的深度 n-型发射结的横向电阻 衬底的掺杂 Al背场 n-型发射结的限制 电极的设计 光学的优化设计,太阳电池设计原理,少数载流子的收集几率,太阳电池设计原理,p-n结的深度决定了少子收集的有效性。n-型发射结的掺杂浓度（方块电阻）决定了正面电极栅线间的距离。,太阳电池的设计原理,衬底掺底浓度对Voc,Isc的影响,太阳电池设计原理,Al背场增加电池背面区域的收集几率，因此增加Isc，减少暗电流（I0）。因此增加Voc,当WpLe时，,前表面电极设计,n-型发射结横电流电阻,栅线电阻栅线遮光接触电阻,前表面电极设计,主栅的宽度：主栅线电阻造成的功率损耗=由主栅线遮光造成的功率损耗,光学减反射膜的设计,光学减反射膜的设计,材料 折射率MgF2SiO2Al2O3Si3N4 1.9TiO2 2.3Ta2O5,
