太阳能电池基本参数的影响因素分析

太阳能电池基本参数的影响因素分析 1 短路电流 Isc 2 开路电压 Voc 3 最大工作电压 Vm 4 最大工作电流 Im 5 填充系数 FF 6 转换效率 7 串联电阻 Rs 8 并联电阻 Rsh Rsh ID Isc v I RL Rs 第一 第一 一个理想的光伏电池一个理想的光伏电池 因串联的 Rs 很小 并联电阻的 Rsh 很大 所以进行理想电 路计算时 他们都可忽略不计 所以负载电流满足式 1 I IL ID IL Is exp qV kT 1 1 短路电流 Isc IL IL 光生电流 ID 暗电流 IS 反响饱和电流 Rs 串联电阻 Rsh 并联电阻 所以根据上式 就会得到右图 L S IkT Vln 1 qI I 1 L oc S IkT VIn qI 第二 第二 但在实际过程中但在实际过程中 就要将串联电阻和并联电阻考虑进去 Isc 的方程如下 当负载被短路时 V 0 并且此时流经二极管的暗电流 ID非常小 可以忽略 上式可变为 第三第三 由此可知 短路电流总小于光生电流 由此可知 短路电流总小于光生电流I IL L且且 IscIsc 的大小也与的大小也与 RsRs 和和 RshRsh 有关 有关 1 1 短路电流短路电流 IscIsc 当 V 0 时 Isc IL IL为光生电流 正比于光伏电池的面积和入射光的辐照度 1cm2 光伏电池的 IL值均为 16 30mA 环境温度的升高 IL值也会略有上升 一般来讲温度每升高 1 IL值上升 78 A 2 开路电压开路电压 Voc 开路时 当 I 0 时 Voc kT qln IL IS 1 太阳能电池的光伏电压与入射光辐照 度的对数成正比 与环境温度成反比 与电池面积的大小无关 温度每上升 1 UOC 值约下降 2 3mV 该值一般用高内阻的直流毫伏计测量 同时也与 暗电流有关 而对太阳能电池而言 暗电流不仅仅包括反向饱和电流 还包括 薄层漏电流和体漏电流 由于杂质或缺陷引起的载流子的复合而产生的微小电 流 漏电流 太阳能电池片可以分 3 层 即薄层 即 N 区 耗尽层 即 PN 结 体区 即 P 区 对电池片而言 始终是有一些有害的杂质和缺陷的 有些是材 料本身就有的 也有的是工艺中形成的 这些有害的杂质和缺陷可以起到复合 中心的作用 可以虏获空穴和电子 使它们复合 复合的过程始终伴随着载流 子的定向移动 必然会有微小的电流产生 这些电流对测试所得的暗电流的值 是有贡献的 由薄层贡献的部分称之为薄层漏电流 由体区贡献的部分称之为 体漏电流 3 填充系数填充系数 FF FF 是一个重要参数 反映太阳能电池的质量 太阳电池的串联电阻越小 并联 电阻越大 填充系数越大 反映到太阳电池的电流 电压特性曲线上是曲线接近 sh 1 S q VIR S kT SCLDPLS VIR IIIIIIe R 1 S L SCLSCSC Ssh sh R I IIII RR R mm ocsc V I FF V I m I mmscoc ininin PVFFI V PPP 正方形 此时太阳电池可以实现很高的转换效率 4 转换效率转换效率 根据上式可得 填充系数越大 即转换效率越大 因此 影响 的主要 因素为串联电阻和并联电阻综上所述 影响 Voc Isc Vm Im FF 和 的主要因素就是串联电阻和并联电阻 m I mmscoc ininin PVFFI V PPP 二 串联电阻二 串联电阻 Rs 和并联电阻和并联电阻 Rsh 1 串联电阻串联电阻 Rs 一般小于 1 主要包括金属电极与半导体材料的接触电阻 半导体材料的体电阻和电极电阻三部分 2 并联电阻并联电阻 Rsh一般为几千欧姆 主要是电池边缘漏电 电池表面污浊或耗 尽区内的复合电流引起的 这几种电流构成了漏电流 而且并联电阻越大 漏 电流也就越小 3 前段工艺对前段工艺对 Rs 和和 Rsh 的影响的影响 3 1CVD P 层 P 层如果太厚 造成了 P 层对光的吸收增加 从而减少了 i 层对光的吸收 而且由于空穴的扩散速率较低 使得空穴的寿命降低 但是 P 层太薄 在界面 层产生的电子 空穴对还没有扩散出去就会由于复合而消失 不利于载流子的收 集 增加能量损失 Buffer 层 当缓冲层厚度较薄时 晶格失配问题得到初步改善 从而减少了载流子在 界面的复合 因而随着沉积时间的增加 电池的开路电压增加 填充因子也得 到 较大的改善 电池效率增加 但是 随着沉积时间继续增长 由于没有掺硼 掺碳的缓冲层电阻升高 较厚的缓冲层虽然解决了晶格失配的问题 但是高阻 层成为主要矛盾 所以随着掺碳缓冲层厚度的继续增加 填充因子下降 电池 性能变差 在其他条件不变的情况下 沉积 时间越长 膜的厚度越大 i 层层 该层是产生光生载流子的主要区域 膜厚越薄 复合中心较少 则并联电 阻越小 同时空间电荷区变窄 使得光生电流减小 效率降低 膜厚增加 虽 然增加对光的吸收 但缺陷越多 复合中心也就越多 大大降低了载流子的寿 命 从而使得电池效率降低 同时使得光致衰减更加严重 N 层 膜层太薄 在界面层产生的电子 空穴对还没有扩散出去就会由于复合而 消失 增加能量损失 膜层过厚 虽然内建电场增加 但是方块电阻增加 即 增加了 Rs 同时 在总膜厚不变的情况下 增加了 N 层厚度 i 层的厚度也就 相对减少 不利于光生载流子的产生 使得电池效率降低 3 2 PVD 主要考量的是薄层电阻 即方块电阻 它是太阳能电池串联电阻的一个组成部 分 它的大小主要跟膜厚成反比 但是膜厚不能无限地增大 还要考虑其他因 素的影响 ZnO 为了减少接触电阻 背电极与 n 层之间必须形成良好的欧姆接触 尽量减少对 载流子的阻挡作用 这就要求 ZnO 的电阻要尽可能地小 根据方块电阻的定义 增加膜厚 可以降低电阻 但是 ZnO 薄膜是太厚会影响到透过率 因此在特定 的膜厚条件下 会有电阻和透过率的最佳值 从该图可以看出 在衬底温度达到某个 值时 电阻值最小 透过率也较大 同时 在 n 层和金属 Ag 之间加入 ZnO 会阻止 Ag 向 n 层扩散 阻止 Ag 的 漏电 增加电池的并联电阻 从而增 加电池效率 Ag 根据实际分析 发现 ZnO Ag 和 Ti 是并 联在一起的 所以他们的电阻由最小的电 阻决定 而 Ag 的电阻最小 降低方块电 阻的关键就是降低 Ag 的电阻 根据上述 分析 降低电阻 就要增加膜厚 可是增 加膜厚就会增加成本 并且当膜厚增大到 一定值后 它的电阻就不会降低的很多 这一点由 Ag 材料本身的性能决定 3 3 Laser 线宽 划线宽度越宽 死区增大 导致电池的有效面积越小 使得 Ioc 减少 划线宽度越窄 电阻增大 同时线条的完整性就受到影响 对设备的要求也极 高 划线深度 P1 如果太浅 就代表有 TCO 残留在 glass 上 电流就会直接从 TCO 薄膜流过 将 电池短路 这样就将少了串联电池的个数 从而减少电 池效率 如果太深 理论上无影响 P2 如果太深 切到 TCO 薄膜 使得 TCO 薄膜变薄 从而增大了导电极 的电阻 也就增加了 Rs Isc 也随之减少 如果切得较浅 即没有将 a Si 切断 仍有 a Si 残留在 TCO 膜层上 就会增加 TCO 与金属层的接触阻 抗 也就是增加了