第五讲太阳能电池效率极限ppt课件.ppt

太阳能电池工作原理 技术和系统应用 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 Egh Eg 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 ResourceCharacteristics 地面附近太阳辐射光谱图 Theabsorptiondepthsofsilicon 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1 s 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100 300 m 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 DarkCharacteristicLightCharacteristic I V PowerGeneratingRegion PowerDissipatingRegion PowerDissipatingRegion 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 TheVIcharacteristicofasolarcellisusuallydisplayedlikethis V I V I Thecoordinatesystemisflippedaroundthevoltageaxis 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 Shortcircuitcurrent 当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 Opencircuitvoltage 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 Doesitsurpriseyouthatthecurrentatshortcircuitisnotinfinite Orthatacurrentcanflowwithnovoltage Wheredoestheenergyoriginate Question 1 I 0 R Question 2 V VOC RS RSH ISC VOC Theslopesoftheselinesarecharacteristicresistances RSH RS ISC RS RSH RLOAD Equivalentcircuitforasolarcellwithload InternalresistancesRSandRSHrepresentpowerlossmechanismsinsidethecell Cell Cell ISC RS 0 RSH RLOAD Theidealsolarcellwouldhavenointernallossesatall WhatwouldtheVIcharacteristicofTHIScelllooklike ISC VOC RSH RS 0 TheIdealSolarCell Noticethattheareaundertherectangle PMAXfortheidealcell Forthiscell PMAX VOC ISC ISC VOC TheIdealSolarCell 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 FillFactor 是衡量电池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 0mA V I 0mW 0 43V 142mA V I 61mW ISC VOC PMAX 0V 150mA V I 0mW Sometypicalvalues ISC VOC FillFactor Infact PMAX ISC VOC measuresthecell squalityasapowersource Thequantityiscalledthe FillFactor Canyouseewhy 补充 最大转换效率为带隙Eg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 0 1 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13 14 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 reflectionloss 表面再结合损失 surfacerecombinationloss 内部再结合损失 bulkrecombinationloss 串联电阻损失 seriesresistanceloss 电压因子损失 voltagefactorloss 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 Comparisonofsurfacereflectionfromasiliconsolarcell withandwithoutatypicalanti reflectioncoating 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 pyramidtexture 及逆金字塔型表面 invertedpyramidtexture 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 Reflectionandtransmissionoflightforatexturedsiliconsolarcell 金字塔型 pyramidtexture 型表面 逆金字塔型表面 invertedpyramidtexture Scanningelectronmicroscopephotographofatexturedsiliconsurface Scanningelectronmicroscopephotographofatexturedmulticrystallinesiliconsurface 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 Lighttrappingusingarandomisedreflectorontherearofthecell 5 将太阳电池制成串叠型电池 tandemcell 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 Useofafourpointprobetomeasurethesheetresistivityofasolarcell 将电极做成手指状 可以减少光线的反射 Resistivecomponentsandcurrentflowsinasolarcell Topcontactdesigninasolarcell Thebusbarsconnectthefingerstogetherandpassthegeneratedcurrenttotheexternalelectricalcontacts Schematicofatopcontactdesignshowingbusbarsandfingers 优化遮光损失与收集损失 Keyfeaturesofatopsurfacecontactingscheme 优化电极的宽高比 Pointsofcontactresistancelossesatinterfacebetweengridlinesandsemiconductor 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 Basicschematicofasiliconsolarcell Thetoplayerisreferredtoastheemitterandthebulkmaterialisreferredtoasthebase 增加入射光的面积 使用点接触式太阳电池 pointcontactcell 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 124eV300K1 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