第13讲 太阳能电池性能测试

1、LOGO 第13讲 太阳能电池测试技术 中南大学物理与电子学院 先进材料超微结构与超快过程研究所 2015-6-16 主主 讲讲：周聪华周聪华 Company Logo 内容提要 u一、太阳能电池技术背景 u二、太阳能电池工作原理 u三、太阳能电池类型 u四、参考文献与课后习题 一、太阳能电池技术背景 世界能源结构 1.1 能源危机 化石能源（煤、石油、天然气）86.5% 2012年 一、太阳能电池技术背景 中国与全球能源结构对比 1.1 能源危机 我国以煤炭为主 一、太阳能电池技术背景1.1 能源危机 化石能源储量有限，尽管储量还没有探明 100年后，怎么办。 一、太阳能电池技术背景1.2

2、环境污染 电煤燃烧: SO2,NO2 酸雨：建筑腐蚀、 皮肤伤害 一、太阳能电池技术背景1.2 环境污染 优：PM2.5 0 1873年，Mr. Willoughby Smith在英国“Societyof Telegraph Engineers（电报工程师学会）“第12次常规会议中报告， 在Se固体中观察到光伏效应 会议简介 主席宣布好消息：有两位会员分别捐款100英镑 1.5 发展历程一、太阳能电池技术背景 Smith, Willoughby, The action of light on selenium (1873). Company Logo 1873年，Mr. Willoughby

3、Smith在英国“Societyof Telegraph Engineers（电报工程师学会）“第12次常规会议中报告， 在Se固体中观察到光伏效应 1.5 发展历程一、太阳能电池技术背景 Se: L/5cm10cm w/0.1cm0.15cm PtPt 测试电阻随光照的变化 Willoughby 描述电阻随光照变化的情况 1.5 发展历程一、太阳能电池技术背景 Smith, Willoughby, The action of light on selenium (1873). 挪开盖板后，由于光线的引入， 导电率增加了15%-100%。 如果用彩色玻璃遮挡光线，由于进光 量的改变，电阻也会变

4、化。 1876年， Adams, W. G. Day, R. E. 在Se 晶体中 观察到光伏效应 1.5 发展历程一、太阳能电池技术背景 W.G. Adams, M.A., et al, The action of light on selenium (1876). /stable/109173?seq=1#page_scan_tab_contents Company Logo Se: L/5cm10cm w/0.1cm0.15cm Pt Pt 光照是否产生电流 1876年， Adams, W. G. Day, R. E. 在Se 晶体中 观察到光伏效应

5、 1.5 发展历程一、太阳能电池技术背景 第一次在固体中 看到光伏效应 Company Logo D. M. Chapin, C. S. Fuller, and G. L. Pearson, A New Silicon pn Junction Photocell for Converting Solar Radiation into Electrical Power, Journal of Applied Physics 255, 676(1954) 1.5 发展历程一、太阳能电池技术背景 Efficiency=6% (AM1.5) Max= 22% 1.2 eV 贝尔实验室，第一块基 于PN

6、结的晶硅电池 自由电子空穴 A U I N P 1.5 发展历程一、太阳能电池技术背景 Jianhua Zhao, M. A. Green, Applied Physics Letters 73,1991-1993(1998) Efficiency=24.4%(AM1.5) Pre-estimated Max of 22% 25% of newly estimated Max Area4cm2 1.5 发展历程一、太阳能电池技术背景 Panosonic, http:/ data.dir/2014/04/en140410-4/en140410-4.html(2014) Efficiency=25

7、.6% (AM1.5) Area143.7cm2 Advantages: Passivation on Si base surface by amorphous Si, retarding surface recombination, increasing device performance Company Logo 1.5 发展历程一、太阳能电池技术背景 /ncpv/images/efficiency_chart.jpg Perovskite solar cell 2.1 太阳光谱二、太阳能电池工作原理 AM1.5 AM1.5G Lawrence, L.

8、 Kazmerski, Renewable and Sustainable Energy Reviews,1,71(1997) 太阳光谱 大气质量常数 AM (air mass) 2.1 太阳光谱二、太阳能电池工作原理 Lawrence, L. Kazmerski, Renewable and Sustainable Energy Reviews,1,71(1997) Ef Ek Eg 价带顶HOMO 导带底LUMO 2.2 光吸收二、太阳能电池工作原理 二、太阳能电池工作原理 P区N区 内建场 暗态下，多子扩散， 形成内建场 + + 光照下，少子扩散+飘移 形成光生电压、电流 P区N区 内建

9、场 + + + 2.3 电荷分离 二、太阳能电池工作原理 P区N区 暗态下，PN 结形成之前能带图 P区N区 内建场，Vbi 暗态下，PN 结形成后 N区 2.3 电荷分离 二、太阳能电池工作原理 N区 内建场 光照下，少子运动引起能带移动 P区N区 + 电子-空穴移动: 削弱内建场，降低Vbi 电子向N区移动: 提高Efn 空穴向P区移动: 降低Efp 2.3 电荷分离 二、太阳能电池工作原理 N区 P区N区 + 开路时：Voc=(Efn-Efp) /q Voc 电子-空穴移动: 短路时：短路电流 2.3 电荷分离 二、太阳能电池工作原理2.4 伏安特性 + 光照下，少子扩散+飘移 形成光生

10、电压、电流 P区N区 内建场 + + + 等效电路 恒电流源二极管 寄生并联 电阻 寄生串联 电阻 二、太阳能电池工作原理2.4 伏安特性 等效电路 暗态下： 0 (e1) qV nkT d II 理想情况Rs0，Rsh无穷大 光照下： 0 (e1) phd qV nkT ph III II Company Logo 数字源表 +- 未知电学器件 数字源表 伏安特性扫描装置 普通金属界面、 PN结、 太阳能电池 1，双电极/四电极（并联降低接触电阻） 2，电极在给出电压的同时，读取电流 3，扫描方式：全自动 4，测量电流范围：nAA 二、太阳能电池工作原理2.4 伏安特性 Company Lo

11、go O I V 暗态下， 正偏电流 二、太阳能电池工作原理2.4 伏安特性 光照下， 正偏电流 0 (e1) qV nkT ph III Company Logo O I V Voc 二、太阳能电池工作原理2.5 性能参数 Isc max scoc inin IV IVFF Eff PP max out PIV max scoc IV FF IV Company Logo 三、太阳能电池类型3.1 硅电池 M.A. Green, Solar cell efficiency tables (Version 45) Progress in Photovoltaics, 23,1-9(2015) 马丁格林教授： 2004年世界能源技术奖 Company Logo 三、太阳能电池类型3.1 单结电池 晶硅电池 III-V化合 物电池 非晶硅 电池 染料敏化太 阳能电池 有机太阳能 电池 Company Logo 三、太阳能电池类型 钙钛矿太 阳能电池 3.1 单结电池 Company Logo 三、太阳能电池类型3.2 多结电池 多结电池，聚光条件下工作 Company Logo 三、太阳能电池类型3.3 发展方向 稳定工作 成本低廉 柔性、便携 便于集成 光电转换 效率高 Company Logo 需要你！ Company