太阳能光伏发电应用技术3晶体硅太阳能电池基本原理

1、3.1 3.1 太阳的电池的分类太阳的电池的分类太阳电池是将太阳辐射直接转化成电能的一种器件。太阳电池是将太阳辐射直接转化成电能的一种器件。3.1.1 3.1.1 按照基体材料分类：按照基体材料分类： 硅太阳电池硅太阳电池，包括：，包括：单晶硅、多晶硅、非晶硅、微晶硅太阳电池单晶硅、多晶硅、非晶硅、微晶硅太阳电池 1.单晶硅（单晶硅（Single Crystaline-Si)太阳电池太阳电池 性能稳定、转换效率高（性能稳定、转换效率高（17%22%）。成本较高（）。成本较高（1998年后被多晶硅超过）年后被多晶硅超过） 发展方向：超薄、高效发展方向：超薄、高效 2.多晶硅（多晶硅（Polycr

2、ystaline-Si)太阳电池太阳电池 硅锭切片即可，成本低。效率（硅锭切片即可，成本低。效率（16%19%) 。市场占有率高。市场占有率高。 3.非晶硅非晶硅(Amorphous-Si)太阳电池太阳电池 厚度厚度不到不到1微米，不足晶体硅的微米，不足晶体硅的1/10，节约材料，降低了成本，节约材料，降低了成本 制作时能耗小，单片面积大制作时能耗小，单片面积大 吸收系数大、与太阳光谱匹配吸收系数大、与太阳光谱匹配 易于与建筑一体化易于与建筑一体化 效率低（效率低（6%10%）3.1 3.1 太阳的电池的分类太阳的电池的分类3.1 3.1 太阳的电池的分类太阳的电池的分类 4.微晶硅微晶硅(c

3、-Si)太阳电池太阳电池 厚度低厚度低23m,效率效率10%以上。微晶硅与非晶硅叠层效率已达到以上。微晶硅与非晶硅叠层效率已达到14%以上。以上。 努力方向：制备非晶硅含量很少的微晶硅薄膜努力方向：制备非晶硅含量很少的微晶硅薄膜 化合物化合物太阳电池太阳电池，包括：砷化镓电池；硫化镉电池；碲化镉电池；硒铟铜电池，包括：砷化镓电池；硫化镉电池；碲化镉电池；硒铟铜电池等等 1. 单晶化合物太阳电池单晶化合物太阳电池 砷化镓电池，转换效率已超过砷化镓电池，转换效率已超过40%。应用于外层空间。应用于外层空间。 价格昂贵，砷为有毒元素，极少在地面应用。价格昂贵，砷为有毒元素，极少在地面应用。 2. 多

4、晶化合物太阳电池多晶化合物太阳电池 有机半导体太阳电池有机半导体太阳电池 、染料敏化、染料敏化(Dye-sensitized)太阳电池太阳电池3.1 3.1 太阳的电池的分类太阳的电池的分类3.1 3.1 太阳的电池的分类太阳的电池的分类3.1 3.1 太阳的电池的分类太阳的电池的分类3.1 3.1 太阳的电池的分类太阳的电池的分类3.1.2 3.1.2 按照按照结构结构分类分类 1.同质结太阳电池同质结太阳电池 由由同一种半导体材料所形成的同一种半导体材料所形成的P-N结为同质结，由此构成同质结太阳能电池结为同质结，由此构成同质结太阳能电池2.异质结太阳电池异质结太阳电池 由由禁带宽度不同的

5、半导体材料形成的结为异质结。禁带宽度不同的半导体材料形成的结为异质结。3.肖肖特基结太阳电池特基结太阳电池 利用金属利用金属-半导体界面上的肖特基势垒而构成的太阳电池，简称半导体界面上的肖特基势垒而构成的太阳电池，简称MS电池。电池。 目前有金属目前有金属-氧化物氧化物-半导体半导体MOS、金属、金属-绝缘体绝缘体-半导体半导体MIS 等等4.复合复合结太阳电池结太阳电池 有两个或多个有两个或多个P-N结形成的太阳电池，有垂直多结和水平多结之分。效率已高结形成的太阳电池，有垂直多结和水平多结之分。效率已高达达31% 3.1 3.1 太阳的电池的分类太阳的电池的分类3.1.3 按照按照用途分类用

6、途分类：1.空间空间太阳电池太阳电池 3.1 3.1 太阳的电池的分类太阳的电池的分类2.地面太阳电池地面太阳电池3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理 通常应用的太阳能电池是一种将光能转化为电能的半导体器件。基本构造通常应用的太阳能电池是一种将光能转化为电能的半导体器件。基本构造是由半导体的是由半导体的P-N结组成。结组成。3.2.1 半导体半导体 自然界中具有大量能自由移动的带电粒子，容易自然界中具有大量能自由移动的带电粒子，容易导电的物质称为导电的物质称为导体导体，金属一般，金属一般都是导体都是导体。例如铜的电导率。例如铜的电导率10106 6/(/(cm)cm)有的物质几

7、乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。例如石英的电。例如石英的电导率导率1010-16-16/(/(cmcm) )另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等镓和一些硫化物、氧化物等。其电导率在。其电导率在1010-4-4-10-104 4 / /( (cmcm) )现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。是

8、四个。GeSi3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理硅原子的外层硅原子的外层 电子壳层中有电子壳层中有4 4个电子。在太阳辐照时，会摆脱原子核的束缚而成个电子。在太阳辐照时，会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。电子带负电；空穴带正电。为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。电子带负电；空穴带正电。在在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。硅的硅的共价键结构共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除去价表示除去价电子后的原子电子后的原子3.2 3.2 太阳电池的工作原理

9、太阳电池的工作原理3.2.2 能带结构能带结构EnergyAtomic DistanceSPSPEgEvEcSPSi4+EnergyIsolated AtomSemiconductor Crystal3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理费米能级费米能级：在低温下，晶体：在低温下，晶体的某一个能级以下的所有可的某一个能级以下的所有可能状态都将被能状态都将被2 2个电子占据。个电子占据。随着温度的随着温度的升高，一些电子升高，一些电子得到超过费米能级的能量，得到超过费米能级的能量，考虑到泡利不相容原理，任考虑到泡利不相容原理，任何给定能级的占有概率为：何给定能级的占有概率为： /1

10、1FE EkTf Ee3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理3.2.3 本征半导体、掺杂半导体本征半导体、掺杂半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体本征半导体。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。 在在绝对绝对0 0度（度（T=0KT=0K）和没有外界激发时）和没有外界激发时, ,价电子完全被共价键束缚着，本征半价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力为），它的导电能力为

11、0 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。 在在常温下，由常温下，由于热激发，使一些于热激发，使一些价电子获得足够的价电子获得足够的能量而脱离共价键能量而脱离共价键的束缚，成为的束缚，成为自由自由电子电子，同时共价键，同时共价键上留下一个空位，上留下一个空位，称为称为空穴空穴。+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。使自由电子

12、浓度大大增加的杂质半导体称为使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N N型半导体型半导体（电子半导体），使（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P P型半导体型半导体（空穴半导体）。（空穴半导体）。3.2.4 P3.2.4 P型和型和N N型半导体型半导体1.N1.N型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形

13、成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为一个电子，称为施主原子施主原子。N N型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？掺杂掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为度。自由电子称为多数载流子多数载流子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载

14、流子少数载流子（少子少子）。）。3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理2.P2.P型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚

15、电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴P P型半导体型半导体硼原子3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理3.2.5 P-N结结杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +N N型半导体型半导体3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和型半导体和N型半导体，经过载流

16、子的扩散，在型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了它们的交界面处就形成了PN结。结。P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E E漂移运动漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理扩散的结果是使空间电荷区逐扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +扩散运动扩散运动内电场内电场E EPNPN结处载流

17、子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区越强，而漂移使空间电荷区变薄。变薄。3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理漂移运动漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +扩散运动扩散运动内电场内电场E EPNPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂移这所以扩散和漂移这一对相反的运动最一对相反的运动最终达到平衡，相当终达到平衡，相当于两个区之间没有于两个区之间没有电荷运动，空间电电荷运动，空间电荷区的厚度固定不荷区的厚

18、度固定不变。变。3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理空间电荷区N型区P型区电位VV03.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理1 1、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2 2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴、中的空穴、N N中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动）向对方运动（扩散运动扩散运动）。）。3 3、P P中的电子和中的电子和N N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流），数量有限，因此由它们形成的电流很小。很小。请注意请注意接触电势差为：接触电势差为：dlnlnnPpnnp

19、kTkTVqnqp3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理3.2.6 3.2.6 光生伏特效应光生伏特效应当太阳光（或其他光）照射到太阳电池上时，电池吸收光能，能量大于禁带宽度的当太阳光（或其他光）照射到太阳电池上时，电池吸收光能，能量大于禁带宽度的光子，穿过减反射膜进入硅中，激发出光生电子光子，穿过减反射膜进入硅中，激发出光生电子孔穴对，并立即被内建电场分离，孔穴对，并立即被内建电场分离，光生电子被送进光生电子被送进n n区，光生孔穴则被推进区，光生孔穴则被推进p p区，这样在内建电场的作用下，光生电子区，这样在内建电场的作用下

20、，光生电子- -孔穴对被分离，在光电池两端出现异号电荷的积累，即产生了孔穴对被分离，在光电池两端出现异号电荷的积累，即产生了“光生电压光生电压”，这就，这就是是“光生伏打效应光生伏打效应”（简称光（简称光伏，伏， 18391839年年 1919岁的法国岁的法国贝克勒尔发现）贝克勒尔发现）。在内建电。在内建电场的两侧引出电极并接上负载，在负载中就有场的两侧引出电极并接上负载，在负载中就有“光生电流光生电流”流过，从而获得功率输流过，从而获得功率输出。出。3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理3.2.7 太阳电池的基本工作原理太阳电池的基本工作原理3.2 3.2 太阳电池的工作原理太

21、阳电池的工作原理3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理光电转换的物理过程：光电转换的物理过程：1.1.光子被吸收，使光子被吸收，使P-NP-N结的两边产结的两边产生电子生电子- -空穴对。空穴对。2.2.在离开在离开P-NP-N结一个扩散长度以内结一个扩散长度以内产生的电子产生的电子- -空穴通过扩散达到空空穴通过扩散达到空间电荷区。间电荷区。3.3.电子、空穴被分离，电子、空穴被分离，P P侧的电子侧的电子从高电位滑落至从高电位滑落至N N侧，空穴向相反侧，空穴向相反的方向运动。的方向运动。4.4.若若P-NP-N结是开路的，则在结两端结是开路的，则在结两端积累的电子和空穴产生

22、开路电压，积累的电子和空穴产生开路电压，若有负载接入，则会在电路中产若有负载接入，则会在电路中产生传导电流。生传导电流。3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理3.2.8 晶体硅太阳电池的结构晶体硅太阳电池的结构太阳电池一般制成太阳电池一般制成p p+ +/n/n型结构或型结构或n n+ +/p/p型结构，其中第一型结构，其中第一个符号，即个符号，即p p+ +和和n n+ +表示太阳电池正面表示太阳电池正面光照半导体材料的光照半导体材料的导电类型；第二个导电类型；第二个符号，即符号，即n n和和 p p表表示太阳电池背面衬示太阳电池背面衬底半导体材料的导底半导体材料的导电类型。电

23、类型。3.2 3.2 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理下图为在下图为在p p型半导体材料上扩散磷元素，形成型半导体材料上扩散磷元素，形成n n+ +/p/p型结构的太阳电池。上表面为负极；型结构的太阳电池。上表面为负极；下表面为正极。下表面为正极。3.3 3.3 太阳能电池的电学特性太阳能电池的电学特性3.3.1 标准测试条件标准测试条件 光源辐照度：光源辐照度：1000W/m1000W/m2 2 ； 测试温度：测试温度： 25252 20 0C C ； AM1.5AM1.5地面太阳光地面太阳光谱辐照度分布。谱辐照度分布。 AM1.5 AM1.5太阳光谱分布太阳光谱分布3.3 3.3 太阳

24、能电池的电学特性太阳能电池的电学特性3.3.2 太阳电池等效电路太阳电池等效电路左图为理想的太阳能电池等效电路左图为理想的太阳能电池等效电路相当于一个电流为相当于一个电流为I Iphph的恒流源与一正向二极管并的恒流源与一正向二极管并联，流过二极管的正向电流称为暗电流联，流过二极管的正向电流称为暗电流I ID D. .左下图为左下图为实际实际的太阳能电池等效电路的太阳能电池等效电路R Rshsh为旁路电阻（电池表面的漏电流，位错和晶粒间为旁路电阻（电池表面的漏电流，位错和晶粒间和晶体缺陷形成的桥路产生的漏电流），和晶体缺陷形成的桥路产生的漏电流），R Rs s为串联为串联电阻（各种接触面的电阻

25、）电阻（各种接触面的电阻）()/shsshIUIRRphDshIIII可得：可得：(1/)/sshphshDIRRIURIphIDIURIphIDIURIshRshIsR通常，暗电流为注入电流、复合电流以及隧道电流之和，一般可忽略隧道电流。通常，暗电流为注入电流、复合电流以及隧道电流之和，一般可忽略隧道电流。加在加在P-NP-N结上的电压结上的电压jsUUIR3.3 3.3 太阳能电池的电学特性太阳能电池的电学特性暗电流暗电流I ID D是注入电流和复合电流之和，可以简化为单指数形式：是注入电流和复合电流之和，可以简化为单指数形式： 其中其中：I Io o为为太阳电池在无光照时的饱和电流太阳电

26、池在无光照时的饱和电流；A A0 0为结构因子，它反映了为结构因子，它反映了p-np-n结的结结的结构完整性对性能的影响构完整性对性能的影响；k k是玻尔兹曼常数。是玻尔兹曼常数。0/()01jqUA kTDII e由此得出：由此得出：0(U)/0(1)sqIRA kTsphDshphshUIRIIIIII eR这就是光照情况下太阳电池的电流与电压的关系。画成图形，即为这就是光照情况下太阳电池的电流与电压的关系。画成图形，即为( (I-V)I-V)特性曲线。特性曲线。在理想情况下在理想情况下：R Rshsh ，R Rs s0 0。由此。由此得到：得到： 0/01jqUA kTphDphIIII

27、I e在负载短路时，在负载短路时，即即U Uj j=0=0( (忽略忽略串联电阻串联电阻) )，便得到短路电流，其值恰好与光电流相等，便得到短路电流，其值恰好与光电流相等shphII在负载在负载R R时时, ,输出电流输出电流0,0,便得到便得到开路电压开路电压U Uococ其值由下式确定其值由下式确定：00(/ )ln(/1)ocphUA kT qII3.3 3.3 太阳能电池的电学特性太阳能电池的电学特性无光照时，无光照时，P-N结上电结上电流流-电压关系如图中电压关系如图中a所所示。示。有有光照时，产生光电流光照时，产生光电流Iph，使曲线，使曲线a沿电流轴沿电流轴方向位移方向位移Iph

28、，得到曲线，得到曲线b。为方便起见，变换。为方便起见，变换坐标方向得到曲线坐标方向得到曲线c，c为在光照情况下，太阳为在光照情况下，太阳电池的电流电池的电流-电压关系曲电压关系曲线，也称为伏安特性曲线，也称为伏安特性曲线。线。3.3 3.3 太阳能电池的电学特性太阳能电池的电学特性3.3.3 太阳电池的主要技术参数太阳电池的主要技术参数1. 伏安特性曲线伏安特性曲线受光照的太阳电池，在一定的温度和辐照度以及不同的外电路负载下，流入负载的受光照的太阳电池，在一定的温度和辐照度以及不同的外电路负载下，流入负载的电流电流I I和电池端电压和电池端电压V V的关系曲线的关系曲线。测量时，连接一可变电阻

29、，改变电阻值，测量电流和电压。测量时，连接一可变电阻，改变电阻值，测量电流和电压。不同辐照度下电池的不同辐照度下电池的I-VI-V特性曲线特性曲线3.3 3.3 太阳能电池的电学特性太阳能电池的电学特性2.最大功率点最大功率点在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的点，又称最佳工作点。在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的点，又称最佳工作点。最大功率点最大功率点1/mRmaxmmmPI UPR Rm m为最佳负载电阻为最佳负载电阻/()0(1)qUAkTphPUIU II e在最大功率点，有在最大功率点，有d/d0mPU 011mqUphmAkTIqUeAkTI0()/1/phmmmIIqU

30、AkTIqUAkT01 (/)lnln 11/phmmocmIIqUAkTAkTUUqqUAkTqAkT3.3 3.3 太阳能电池的电学特性太阳能电池的电学特性整理后得整理后得ln 1mmmmphocqUAkTAkTPI UIUqAkTq不同辐照强度太阳电池不同辐照强度太阳电池的的I-VI-V曲线曲线 太阳电池标太阳电池标注的功率，注的功率，是指在标准是指在标准工作条件下工作条件下最大功率点最大功率点所对应的功所对应的功率。率。3.3 3.3 太阳能电池的电学特性太阳能电池的电学特性3. 开路电压开路电压在一定的温度和辐照度条件下，光伏发电器在空载在一定的温度和辐照度条件下，光伏发电器在空载(

31、 (开路开路) )情况下的端电压，通常情况下的端电压，通常用用U Uococ来表示来表示。对于一般对于一般的太阳电池，可近似认为接近于理想的太阳电池，即太阳电池的串联电阻值的太阳电池，可近似认为接近于理想的太阳电池，即太阳电池的串联电阻值为零，旁路电阻为无穷大。当开路时，有：为零，旁路电阻为无穷大。当开路时，有：00=ln1lnphphocIIAkTAkTUqIqI太阳电池的开路电压与电池面积大小无关，通常单晶硅太阳电池的开路电压约为太阳电池的开路电压与电池面积大小无关，通常单晶硅太阳电池的开路电压约为450-450-600mV600mV，最高可，最高可达达700mV700mV左右。左右。太阳

32、电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。太阳电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。4.4.短路电流短路电流在一定的温度和辐照条件下在一定的温度和辐照条件下，太阳电池在，太阳电池在端电压为零时的输出电流，通常用端电压为零时的输出电流，通常用Isc来表来表示示。当。当U=0U=0时，时， Isc = Iph ，Isc与与太阳电池的面积大小有关，面积越大太阳电池的面积大小有关，面积越大， Isc越越大。一般大。一般1cm1cm2 2的的太阳电池太阳电池Isc值值约约为为3538mA。 Isc 与与入射光的辐照度成正比入射光的辐照度成正比。Isc随随温度上升略温度上升略有增加有增加。3.3

33、3.3 太阳能电池的电学特性太阳能电池的电学特性5. 填充因子（曲线因子）填充因子（曲线因子）太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比，通常用太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比，通常用FFFF( (或或CFCF) )表示：表示： 1ln 1mmmscscococI UqUAkTAkTEFI UqUAkTqU 短路电流和开路电压分别是太阳能电池能输出的最大电流和最大电压。然而，短路电流和开路电压分别是太阳能电池能输出的最大电流和最大电压。然而，当电池输出状态在这两点时，电池的输出功率都为零。当电池输出状态在这两点时，电池的输出功率都为零。“填充因子填充因子”，通常使用，通常使用

34、它的简写它的简写“FFFF”，是由开路电压，是由开路电压V VOCOC和短路电流和短路电流I ISCSC共同决定的参数，它共同决定的参数，它决定决定了太了太阳能电池的阳能电池的输出效率输出效率。填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路。填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路V VOCOC和和I ISCSC的的乘积的比值。从图形上看，乘积的比值。从图形上看，FFFF就是能够占据就是能够占据IVIV曲线区域最大的面积曲线区域最大的面积。 太阳电池的串联电阻越小，旁路电阻越大，则填充因子越大，该电池的伏安太阳电池的串联电阻越小，旁路电阻越大，则填充因子越大，该电池的伏安特性曲线所包围的面积也越大，

35、表示伏安特性曲线越接近正方形，意味着该太阳特性曲线所包围的面积也越大，表示伏安特性曲线越接近正方形，意味着该太阳电池的最大输出功率越接近于所能达到的极限输出功率，因此性能越好。电池的最大输出功率越接近于所能达到的极限输出功率，因此性能越好。3.3 3.3 太阳能电池的电学特性太阳能电池的电学特性输出输出电流（红线）和功率的（蓝线）图表。同时标明了电场的短路电流（电流（红线）和功率的（蓝线）图表。同时标明了电场的短路电流（ISC）点、）点、开路电压（开路电压（VOC）点以及最大功率点（）点以及最大功率点（Vmp，Imp ）3.3 3.3 太阳能电池的电学特性太阳能电池的电学特性6. 太阳电池的转

36、换效率太阳电池的转换效率太阳电池太阳电池的的最大输出功率最大输出功率与入射到该太阳电池上的全部辐射功率的百分比。与入射到该太阳电池上的全部辐射功率的百分比。/mmtinU IAP例：某一面积为例：某一面积为100100平方厘米的太阳电池，测得其最大功率为平方厘米的太阳电池，测得其最大功率为1.5W1.5W，则该电池的，则该电池的转换效率是多少？转换效率是多少？解：解：4/1.5/(100 10 ) 100015%mmtinU IAP 世界主要太阳电池新记录世界主要太阳电池新记录电池种类电池种类转换效率转换效率(%)研制单位研制单位备注备注单晶硅电池单晶硅电池24.70.5澳大利亚新南威尔士大学

37、澳大利亚新南威尔士大学4 cm2面积面积GaAs多结电池多结电池34.71.7Spectro lab333倍聚光倍聚光多晶硅电池多晶硅电池20.30.5德国弗朗霍夫研究所德国弗朗霍夫研究所1.002 cm2面积面积InGaP/GaAs30.81.0日本能源公司日本能源公司4 cm2面积面积非晶硅电池非晶硅电池12.80.7美国美国USSC公司公司 0.27 cm2面积面积CIGS电池电池19.50.6美国可再生能源实验室美国可再生能源实验室0.41 cm2面积面积CdTe电池电池16.50.5美国可再生能源实验室美国可再生能源实验室1.032 cm2面积面积多晶硅薄膜电池多晶硅薄膜电池16.6

38、0.4德国斯图加特大学德国斯图加特大学4.017 cm2面积面积纳米硅电池纳米硅电池10.10.2日本钟渊公司日本钟渊公司2微米膜微米膜(玻璃衬底玻璃衬底)氧化钛有机纳米电池氧化钛有机纳米电池11.00.5EPFL0.25 cm2面积面积GaInP/GaAs/Ge44Solar Junction175 倍聚光倍聚光背接触聚光硅电池背接触聚光硅电池26.80.8美国美国SunPower公司公司96倍聚光倍聚光3.3 3.3 太阳能电池的电学特性太阳能电池的电学特性7.7.电流电流温度系数温度系数 在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化1 10 0C

39、C ，太阳电池短路电流的变化，太阳电池短路电流的变化值，通常用值，通常用表示。表示。0(1)scIIT 对一般的晶体硅太阳电池对一般的晶体硅太阳电池 ，表明温度升高，短路电流会略，表明温度升高，短路电流会略有上升。有上升。(0.060.1)%/C 8.8.电压电压温度系数温度系数 在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化1 10 0C C ，太阳电池开路电压的，太阳电池开路电压的变化值，通常用变化值，通常用表示表示。0(1)ocUUT 对一般的晶体硅太阳电池对一般的晶体硅太阳电池 ，表明温度升高，开路电压会略，表明温度升高，开路电压会略有下降。有下降

40、。(0.30.4)%/C 3.3 3.3 太阳能电池的电学特性太阳能电池的电学特性9. 功率温度系数功率温度系数在规定的实验条件在规定的实验条件下，温度每变化下，温度每变化1度，太阳能电池输出功率的变化值称为功率度，太阳能电池输出功率的变化值称为功率温度系数。温度系数。2max0000(1)(1)1 ()scocPI UI UTTI UTT 忽略平方项，得到：忽略平方项，得到：max001 ()1PPTPT 3.3 3.3 太阳能电池的电学特性太阳能电池的电学特性10. 太阳辐照度的影响太阳辐照度的影响3.3 3.3 太阳能电池的电学特性太阳能电池的电学特性3.3.4 影响太阳电池转换效率的因

41、素影响太阳电池转换效率的因素1. 禁带禁带亮度亮度UOC随随Eg的增大而增大，但另一方面的增大而增大，但另一方面，ISC随随Eg的增大而减小。结果是可期望在某一的增大而减小。结果是可期望在某一个确定的个确定的Eg随处出现太阳电池效率的峰值随处出现太阳电池效率的峰值2. 温度温度随温度的增加，效率随温度的增加，效率下降。下降。ISC对温度对温度T很敏感，温度还很敏感，温度还对对UOC起主要作用。起主要作用。对于对于Si，温度每增加，温度每增加1C，UOC下降室温值的下降室温值的0.4%， 也也因而降低约同样的百分数。因而降低约同样的百分数。例如，一个硅电池在例如，一个硅电池在20C时的效率为时的

42、效率为20%，当温度升到，当温度升到120C时，效率仅为时，效率仅为12。又又如如GaAs电池，温度每升高电池，温度每升高1C，UOC降低降低1.7mv 或降低或降低0.2%。3. 少子复合寿命少子复合寿命希望载流子的复合寿命越长越好，这主要是因为这样做希望载流子的复合寿命越长越好，这主要是因为这样做ISC大。在间接带隙半导体大。在间接带隙半导体材料如材料如Si中，离结中，离结100mm处也产生相当多的载流子，所以希望它们的寿命能大于处也产生相当多的载流子，所以希望它们的寿命能大于1ms。在直接带隙材料，如。在直接带隙材料，如GaAs中中，只要，只要10ns的复合寿命就已足够长了。长寿命的复合

43、寿命就已足够长了。长寿命也会减小暗电流并也会减小暗电流并增大增大UOC。达到。达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中，长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中，要避免形成复合中心。在加工过程中，适当而且经常进行工艺处理，可以使复合要避免形成复合中心。在加工过程中，适当而且经常进行工艺处理，可以使复合中心移走，因而延长寿命。中心移走，因而延长寿命。3.3 3.3 太阳能电池的电学特性太阳能电池的电学特性4. 光强光强 将将太阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。太阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。设想光强被浓缩了设想光强被浓缩了X倍，单位电池面积的输入功率和倍，单位电池面积的输入功率和JSC都将增加都将增加X倍，倍，同时同时UOC也随也随着增加着增加(kT/q)lnX倍。因而输出功率的增加将大大超过倍。因而输出功率的增加将大大超过X倍，而且聚光的结果也使转换倍，而且聚光的结果也使转换效率提高了效率提高了。5. 掺杂浓度及剖面分布掺杂浓度及剖面分布 对对UOC有明显的影响的另一因素是掺杂浓度。虽然有明显的影响的另一因素是掺杂浓度。虽然Nd和和Na出现出现在在Uoc定义的对数定义的对数项中，它们的数量级也是很容易改变的。掺