第3章 太阳能电池的特性.ppt

2020/6/8，1，1，1，第三章：太阳能电池的特性，3.1理想的太阳能电池3.2太阳能电池参数3.3电阻效应3.4其他效应3.5太阳能电池的测量，2020/6/8，2，3.1理想的太阳能电池结构，太阳能电池是能够将太阳光直接转换成电的电子设备。 入射到电池的太阳光以同时产生电流和电压的形式产生电能。 该工艺的发生需要两个条件，首先吸收的光将材料中的一个电子激发成高能级，二是高能级电子从电池转移到外部电路。 外部电路的电子消耗能量后返回电池。 许多不同的材料和工艺基本上可以满足太阳能转换的需求，但实际上大部分太阳能转换工艺都是使用构成pn结的半导体材料完成的。3.1.1理想的太阳能电池结构，太阳能电池横截面，2020/6/8，4， 4、4、太阳能电池运行的基本步骤：光产生载流子的产生电流产生超过太阳能电池的高电压能量，由电路和外接电阻消耗，3.1.1理想的太阳能电池结构，2020/6/8，5，3.1.2理想的太阳能电池光产生电流，太阳能电池产生的电流称为光产生电流，其产生有两个第一个过程是吸收入射光子产生电子空穴对。 电子空穴对只产生能量大于太阳能电池禁带宽度的光子。 但是，电子(p型材料中)和空穴(n型材料中)处于准稳定状态，到再结合的平均生存时间等于少数载流子的寿命。 载流子再结合后，光电子空穴对消失，也不产生电流和电能。 3.1.2理想的太阳能电池光电流，第二个过程是pn结通过收集这些光载流子，即将电子和空穴分散在不同的区域来阻止它们的复合。 pn结在其内置电场的作用下分离载流子。 由于光的作用，少数载流子到达pn结后，由于内置电场，移动到别的区域，成为多数载流子。 发射极区域和基极区域用导线连接后(使电池短路时)，光载流子流入外部电路。 2020/6/8，7，7，动画显示了短路时的理想电流。 理想短路时，电子和空穴流过pn结。 少数载流子不能穿过半导体和金属的边界，为了阻止复合而贡献电流，必须用pn结进行收集。 3.1.2理想的太阳能电池的光电流，“收集概率”记述光照射到电池的某个区域而产生的载流子通过pn结收集，与电流流动相关的概率，其大小取决于光载流子移动的距离和电池的表面特性。 在耗散区收集所有光载流子的概率相同。 这是因为该区域的电子空穴对被电场迅速分离。 在原始电场区域，其收集概率降低。 当在距电场的距离大于扩散长度的区域产生载流子时，其收集概率相当低。 类似地，如果载波发生在靠近高复合区域(如电池表面)的区域中，则其将被复合。 下图显示了表面钝化和扩散长度对收集概率的影响。 3.1.3理想的太阳能电池采集概率，3.1.3理想的太阳能电池采集概率，采集概率的计算，红线表示辐射区的扩散长度，蓝线表示基极区的辐射长度。 前端表面在复合率高的情况下，表面的收集概率低。 一种低扩散长度的太阳能电池。 距电池中表面的距离、弱钝化的太阳能电池、强钝化的太阳能电池在耗散区的收集概率相同，背面、收集概率、2020/6/8、10、收集概率和载流子的生成率决定了电池的光产生电流的大小。 光产生电流的大小等于电池各处的载波生成速度乘以该处的收集概率。 硅光照射到AM1.5时的光电流的方程式如下所示，包含生成率和收集概率。收集概率、生成率、电池距离、3.1.3理想的太阳能电池收集概率、2020/6/8、11、1.5光谱下硅的生成率。 请注意，由于电池表面的生成率最高，因此电池对表面特性敏感。 3.1.3理想的太阳能电池采集概率、3.1.3理想的太阳能电池采集概率、采集概率不一致产生光伏发电电流的光谱效应。 例如，表面的收集概率比其他部分的收集概率低。 比较下图的蓝色光、红色光和红外光，蓝色光几乎被硅表面的零点微米吸收。 因此，当前端表面的收集概率非常低时，入射光中的蓝色光对光生成电池没有贡献。 这些图显示了在硅材料中具有不同波长的光的载流子生成率。 波长0.45m的蓝色光具有高吸收率，为105cm-1，因此在非常接近前端表面的地方被吸收。 波长0.8m的红色光的吸收率为103cm-1，因此吸收长度进一步变深。 1.1m的红外光吸收率为103cm-1，但难以吸收是因为能量接近硅材料的禁带宽度。 3.1.3理想的太阳能电池收集概率、归一化的E-H对生成率、2020/6/8、14所谓的“量子效率”是太阳能电池收集的载波数与入射光子数的比例。 量子效率可以与波长对应，也可以与光子能量对应。 当吸收了特定波长的所有光子并且收集了产生的少数载波时，对于特定波长的所有光子的量化效率是相同的。 能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。 下图显示了理想的太阳能电池量子效率曲线。 3.1.4理想太阳能电池的量子效率，3.1.4理想太阳能电池的量子效率，下图为硅太阳能电池的量子效率。 通常，不能测量波长小于350nm的光子的量化效率。 因为在1.5大气质谱中，这些短波的光所含能量很小。 同时，2020/6/8，16，理想的量化效率曲线是矩形的(如上图所示)，但实际上大部分的太阳能电池都会因复合效应而衰减。 影响收集效率的因素也影响量子效率。 例如，前端表面的钝化影响接近表面的载波的生成，蓝色光在非常接近表面的位置被吸收，因此前端表面的高复合效果强烈地影响蓝色光的部分量子化效率。 类似地，绿色光被电池中的大部分所吸收，但是如果电池中的漫射长度太低，则会影响采集概率，并且绿色光谱中的绿色光部分的量化效率降低。 在硅太阳能电池中，“外部”量子效率包括光损失(透射和反射等)。 然而，测量经过反射和透射损耗剩馀的光的量子效率是非常有用的。 所谓“内部”量子效率，是指既不反射也不透射，产生可收集的载波的光的量子效率。 通过测量电池的反射和透射率，可修正外部量子效率曲线，获得内部量子效率。 3.1.4理想的太阳能电池量子效率，2020/6/8和17，“光谱响应”在概念上类似于量子效率。 量子效率表示电池产生的光电子数量与射入电池的光子数量之比，光谱响应表示太阳能电池产生的电流大小与射入能量之比。 下图显示了光谱响应曲线。 理想的光谱响应，硅太阳能电池的响应曲线。 由于不吸收能量小于禁带宽度的光，长波段中的光谱响应为零。 频谱响应、3.1.5理想太阳能电池频谱响应、2020/6/8、UNSW新南威尔士大学、18、理想频谱响应受限于波长带。 半导体不能吸收能量低于禁带宽度的光子。 这种限制也适用于量子效率曲线。 然而，与量化效率的矩形曲线不同，光谱响应曲线随着波长的减小而减小。 由于这些短波长的光子的能量高，光子和能量的比例下降。 光子的能量中，超过禁带宽度的部分都不能用于电池，只能加热电池。太阳能电池不能完全利用高光子能和吸收低光子能，导致显着的能量损失。 这是因为频谱响应是非常重要的量，只有通过测量频谱响应来计算量化效率。 式子如下：3.1.5理想的太阳能电池光谱响应，SR (光谱响应)，2020/6/8，19，所收集的光载波本身不产生电能。 为了产生电能，必须同时产生电压和电流。 在太阳能电池中，电压发生在所谓的“光伏效应”过程中。 基于pn结的光载流子的收集是电子通过电场向n型区域移动，空穴向p型区域移动。 电池短路时，载流子与光电流的流动有关，因此不会发生电荷凝聚。 但是，当光载流子阻止从电池中流出时，通过pn结进行的光载流子的收集中，n型区域的电子数变多，p型区域的空穴数变多。 这样，电荷的分离在电池的两侧产生与内置电场相反方向的电场，降低电池的总电场。 3.1.6理想的太阳能电池光效应，3.1.6理想的太阳能电池光效应，内置电场表示对前置扩散电流的阻碍，因此，在电场减小的同时扩散电流也增大。 通过pn结的电压将达到新的平衡。 流出电池的电流大小等于光产生电流和扩散电流之差。 电池开路时，pn结的正向偏压处于新的点。 此时，光产生电流的大小与扩散电流的大小相等，反方向即总电流为零。 两个电流达到平衡时的电压称为“开路电压”。 另外，2020/6/8、21，下面的动画表示载波短路和开放时的流程。 动画显示了太阳能电池在热平衡、短路、开路下的载体运动状态。 请注意不同情况下pn结中流过的电流的差异。 在热平衡下(光为零)，扩散电流和漂移电流都非常小。 电池短路后，由pn结两侧的少数载流子浓度和少数载流子决定的大小的漂移电流增加。 在开路时，由于光载波产生正向偏置，因此扩散电流增加。 由于扩散电流和漂移电流的方向相反，所以开路时电池的总电流为零。 3.1.6理想的太阳能电池光伏效应，2020/6/8，UNSW新南威尔士大学，22，3.1.6太阳能电池参数电池电压-电流曲线，太阳能电池电压-电流曲线是电池二极管暗时电压-电流曲线和光电流的叠加。 光照意味着伏安图移动到第四象限，能量来自电池。 如果将光照射到电池上并加上二极管的暗电流，则二极管的方程式为：式中IL为光电流。 第一象限伏安方程为：3.2.1太阳能电池参数电池伏安方程，动态显示光对pn结电流电压特性的影响。 没有光的情况下，太阳能电池和通常的二极管的电气性能没什么变化。 单击继续，然后在下一节中考虑一些重要参数来描述太阳能电池的特性。 短路电流(ISC )、开路电压(VOC )、填充因子(FF )和转换效率可通过伏安图推算出的重要参数。 2020/6/8、24、3.2.2太阳能电池的参数短路电流、短路电流是通过电池的电压为零时流过电池的电流(或电池短路时的电流)。 通常记为ISC。 太阳能电池的电压-电流曲线、短路电流ISC是从电池流出的最大电流，此时通过电池的电压为零。 电池产生的电能、短路电流来源于光生载流子的产生和收集。 在电阻阻抗最小的理想太阳能电池中，短路电流等于光产生电流。 因此，短路电流是电池能够输出的最大电流。 2020/6/8、25、短路电流的大小取决于太阳能电池的表面积。 为了消除对太阳能电池表面积的依赖，需要改变短路电流强度(JSC单位为mA/cm2)，而不是短路电流。 光子的数量(入射光的强度)。电池输出的短路电流ISC的大小直接取决于光的强度(在入射光的强度一项中进行了研究)。 入射光谱。 测量太阳能电池是通常使用的标准1.5大气质量谱。 电池的光学特性(吸收和反射)(在光学损耗项目中研究)电池的收集概率主要取决于电池表面的钝化和基区的少数载流子寿命。 3.2.2太阳能电池参数短路电流，2020/6/8，26，同材料两个太阳能电池比较时，最重要的参数是扩散长度和表面钝化。 在表面完全钝化和生成率完全相同的电池中，短路电流方程式为JSC=qG(Ln Lp )式，g表示生成率，Ln和Lp分别为电子和空穴的扩散长度。 这个方程式是以和很多太阳能电池的实际情况不太一致的假设为前提，但是根据这个方程式，短路电流在很大程度上依赖于生成率和扩散长度。 硅太阳能电池在AM1.5大气质谱中的最大可能电流为46mA/cm2。 实验室测量的数据达到42mA/cm2，商用太阳能电池的短路电流在2835ma/cm2之间。 3.2.2太阳能电池的参数短路电流、2020/6/8、27、开路电压VOC是太阳能电池能够输出的最大电压，此时输出电流为零。 开路电压的大小相当于电池两侧施加光电流的正向偏置电压。 开路电压如下图的伏安图所示。 3.2.3太阳能电池的参数开路电压、开路电压为太阳能电池的最大电压，即净电流为零时的电压。 2020/6/8，28，上述方程表明VOC依赖于太阳能电池的饱和电流和光产生电流。 短路电流的变化很小，但饱和电流的大小可以改变一些水平，因此主要影响是饱和电流。 饱和电流I0主要取决于电池的复合效果。 即，可以通过测量开路电压来计算电池的复合效果。 实验室测得的硅太阳能电池在AM1.5光谱下的最大开路电压可达720mV，商用太阳能电池通常为600mV。 3.2.3太阳能电池的参数开路电压，通过使输出电流为零，太阳能电池的开路电压方程式：2020/6/8，29，短路电流和开路电压分别是太阳能电池能够输出的最大电流和最大电压。 但是，当电池的输出状态处于这2点时，电池的输出功率为零。 “填充因子”通常使用其简称“FF”，是由开路电压VOC和短路电流ISC决定的参数，决定太阳能电池的输出效率。 填充因子被定义为电池的最大输出与开放VOC和ISC的乘积之比。 从图表来看，FF是可以占据IV曲线区域的最大面积。 如下图所示。 3.2.4太阳能电池的参数填充因子，3.2.4太阳能电池的参数填充因子，输出电流(红线)和电力(蓝线)图表。 同时显示了电场的短路电流(ISC )点、开路电压(VOC )点以及最大功率点(Vmp，Imp )，点击照片可知电池的填充因子变小时曲线会发生怎样的变化。 2020/6/8，UNSW新南威尔士大学，31，FF测定电压-电流曲线的矩形面积，由于电压-电流曲线的剩馀部分的面积变小，电压高的太阳能电池的FF值也有可能变大。 要计算电池的FF，可以求出电池的功率，将其值设为零，就可以找到最大功率时的电压电流值。 也就是说，给出d(IV)/dV=0，给出3.2.4太阳能电池的参数填充因子，2020/6/8，32，上述方程表示电池的开路电压越高填充因子越大。 但是，相同材料电池的开路电压，其变化也比较小。 例如，在AM1.0下，实验室硅太阳能电池与典型商业硅太阳能电池的开路电压差约为120mV，填充率分别为0.85和0.83。 但