太阳能电池的特性完整课件

太阳能电池的特性太阳能电池的特性1§3.1.1

理想太阳能电池

太阳能电池的结构

太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电的电子器件。入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电压的形式来产生电能。这个过程的发生需要两个条件，首先，被吸收的光要能在材料中把一个电子激发到高能级，第二，处于高能级的电子能从电池中移动到外部电路。在外部电路的电子消耗了能量然后回到电池中。许多不同的材料和工艺都基本上能满足太阳能转化的需求，但实际上，几乎所有的光伏电池转化过程都是使用组成pn结形式的半导体材料来完成的。2022/12/24UNSW新南威尔士大学2§3.1.1理想太阳能电池

太阳能电池的结构2§3.1.1

理想太阳能电池

太阳能电池的结构太阳能电池的横截面减反射膜前端接触电极发射区基区背接触电极电子空穴对§3.1.1理想太阳能电池

太阳能电池的结构太3

太阳能电池运行的基本步骤：光生载流子的产生光生载流子聚集成电流产生跨越太阳能电池的高电压能量在电路和外接电阻中消耗2022/12/24UNSW新南威尔士大学4§3.1.1

理想太阳能电池

太阳能电池的结构太阳能电池运行的基本步骤：2022/12/17UNS4§3.1.2

理想太阳能电池

光生电流

在太阳能电池中产生的电流叫做“光生电流”，它的产生包括了两个主要的过程。

第一个过程是吸收入射光子并产生电子空穴对。电子空穴对只能由能量大于太阳能电池的禁带宽度的光子产生。然而，电子（在p型材料中）和空穴（在n型材料中）是处在亚稳定状态的，在复合之前其平均生存时间等于少数载流子的寿命。如果载流子被复合了，光生电子空穴对将消失，也产生不了电流或电能了。

2022/12/24UNSW新南威尔士大学5§3.1.2理想太阳能电池

光生电流5§3.1.2

理想太阳能电池

光生电流

第二个过程是pn结通过对这些光生载流子的收集，即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。pn结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光生少数载流子到达pn结，将会被内建电场移到另一个区，然后它便成了多数载流子。如果用一根导线把发射区跟基区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外部电路。§3.1.2理想太阳能电池

光生电流6上述方程显示了电池的开路电压越高，填充因子就越大。四点探针是用来消除测试线中的串联电阻，和探头-电池之间的接触电阻的影响的器材。“填充因子”，通常使用它的简写“FF”，是由开路电压VOC和短路电流ISC共同决定的参数，它决定了太阳能电池的输出效率。1其他效应

温度效应即最大功率近似等于无并联电阻时的功率减去并联电阻所消耗的功率。尽管此方程以与多数太阳能电池的实际情况不太相符的假设为前提的，但这并不妨碍我们从这个方程看出，短路电流很大程度上取决于生成率和扩散长度。4太阳能电池的参数

填充因子入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电压的形式来产生电能。太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电的电子器件。把这个方程带回到求解电流的方程中，并假设温度对其它参数的影响忽略不计，则：能量在电路和外接电阻中消耗在电池开路的情况下，pn结的正向偏压处在新的一点，此时，光生电流大小等于扩散电流大小，且方向相反，即总的电流为零。2022/12/24UNSW新南威尔士大学7动画展示了短路情况下的理想电流。理想短路情况下电子和空穴在pn结的流动。少数载流子不能穿过半导体和金属之间的界限，如果要阻止复合并对电流有贡献的话，必须通过pn结的收集。§3.1.2

理想太阳能电池

光生电流上述方程显示了电池的开路电压越高，填充因子就越大。2022/7

“收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生的载流子被pn结收集并参与到电流流动的概率，它的大小取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。在原来电场的区域，其收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域产生时，那么它的收集概率是相当低的。相似的，如果载流子是在靠近电池表面这样的高复合区的区域产生，那么它将会被复合。下面的图描述了表面钝化和扩散长度对收集概率的影响。§3.1.3

理想太阳能电池

收集概率“收集概率”描述了光照射到电池8§3.1.3

理想太阳能电池

收集概率

对收集概率的计算，红线代表发射区的扩散长度，蓝线代表基区的发射长度。前端表面在高复合率的情况下，其表面的收集概率很低。低扩散长度的太阳能电池。电池中距离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表面收集概率§3.1.3理想太阳能电池

收集概率9

收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小。光生电流大小等于电池各处的载流子生成速率乘以该处的收集概率。下面是硅在光照为AM1.5下光生电流的方程，包括了生成率和收集概率。2022/12/2410收集概率生成率在电池中的距离§3.1.3

理想太阳能电池

收集概率收集概率与载流子的生成率决定102022/12/24UNSW新南威尔士大学11

在1.5光谱下硅的生成速率。注意，电池表面的生成率是最高的，因此电池对表面特性是很敏感的。§3.1.3

理想太阳能电池

收集概率2022/12/17UNSW新南威尔士大学1111§3.1.3

理想太阳能电池

收集概率收集概率的不一致产生了光生电流的光谱效应。例如，表面的收集概率低于其他部分的收集概率。比较下图的蓝光、红光和红外光，蓝光在硅表面的零点几微米处几乎被全部吸收。因此，如果顶端表面的收集概率非常低的话，入射光中蓝光将不对光生电池做出贡献。§3.1.3理想太阳能电池

收集概率12上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长0.45μm的蓝光拥有高吸收率，为105cm-1，也因此它在非常靠近顶端表面处被吸收。波长0.8μm的红光的吸收率103cm-1，因此其吸收长度更深一些。1.1μm红外光的吸收率为103cm-1，但是它几乎不被吸收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。§3.1.3

理想太阳能电池

收集概率归一化的E-H对生成率上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子13

所谓“量子效率”，即太阳能电池所收集的载流子的数量与入射光子的数量的比例。量子效率即可以与波长相对应又可以与光子能量相对应。如果某个特定波长的所有光子都被吸收，并且其所产生的少数载流子都能被收集，则这个特定波长的所有光子的量子效率都是相同的。而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。下图将描述理想太阳能电池的量子效率曲线。2022/12/24UNSW新南威尔士大学14§3.1.4

理想太阳能电池

量子效率所谓“量子效率”，即太阳能电池所14§3.1.4

理想太阳能电池

量子效率总量子效率的减小是由反射效应和过短的扩散长度引起的。理想量子效率曲线能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以长波长的量子效率为零。量子效率前端表面复合导致蓝光响应的减小。红光响应的降低是由于背表面反射、对长波光的吸收的减少和短扩散长度下图为硅太阳能电池的量子效率。通常，波长小于350nm的光子的量子效率不予测量，因为在1.5大气质量光谱中，这些短波的光所包含能量很小。§3.1.4理想太阳能电池

量子效率总量子效率15

尽管理想的量子效率曲线是矩形的（如上图），但是实际上几乎所有的太阳能电池的都会因为复合效应而减小。影响收集效率的因素同样影响着量子效率。例如，顶端表面钝化会影响靠近表面的载流子的生成，而又因为蓝光是在非常靠近表面处被吸收的，所以顶端表面的高复合效应会强烈地影响蓝光部分量子效率。相似的，绿光能在电池体内的大部分被吸收，但是电池内过低的扩散长度将影响收集概率并减小光谱中绿光部分的量子效率。硅太阳能电池中，“外部”量子效率包括光的损失，如透射和反射。然而，测量经反射和透射损失后剩下的光的量子效率还是非常有用的。“内部”量子效率指的是那些没有被反射和透射且能够产生可收集的载流子的光的量子效率。通过测量电池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲线并得到内部量子效率。2022/12/24UNSW新南威尔士大学16§3.1.4

理想太阳能电池

量子效率尽管理想的量子效率曲线是矩形的16

“光谱响应”在概念上类似于量子效率。量子效率描述的是电池产生的光生电子数量与入射到电池的光子数量的比，而光谱响应指的是太阳能电池产生的电流大小与入射能量的比例。下图将描述一光谱响应曲线。2022/12/24UNSW新南威尔士大学17理想的光谱响应硅太阳能电池的响应曲线。能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以在长波长段的光谱响应为零。光谱响应§3.1.5

理想太阳能电池

光谱响应“光谱响应”在概念上类似于量子效17理想的光谱响应在长波长段受到限制，因为半导体不能吸收能量低于禁带宽度的光子。这种限制在量子效率曲线中同样起作用。然而，不同于量子效率的矩形曲线，光谱响应曲线在随着波长减小而下降。因为这些短波长的光子的能量很高，导致光子与能量的比例下降。光子的能量中，所有超出禁带宽度的部分都不能被电池利用，而是只能加热电池。在太阳能电池中，高光子能量的不能完全利用以及低光子能量的无法吸收，导致了显著的能量损失。光谱响应是非常重要的量，因为只有测量了光谱响应才能计算出量子效率。公式如下：2022/12/24UNSW新南威尔士大学18§3.1.5

理想太阳能电池

光谱响应SR（光谱响应）理想的光谱响应在长波长段受到18

被收集的光生载流子并不是靠其本身来产生电能的。为了产生电能，必须同时产生电压和电流。在太阳能电池中，电压是由所谓的“光生伏打效应”过程产生的。pn结对光生载流子的收集引起了电子穿过电场移向n型区，而空穴则移向p型区。在电池短路的情况下，将不会出现电荷的聚集，因为载流子都参与了光生电流的流动。然而，如果光生载流子被阻止流出电池，那pn结对光生载流子的收集将引起n型区的电子数目增多，p型区的空穴数目增多。这样，电荷的分开将在电池两边产生一个与内建电场方向相反的电场，也因此降低了电池的总电场。2022/12/24UNSW新南威尔士大学19§3.1.6

理想太阳能电池

光伏效应被收集的光生载流子并不是靠其本身19§3.1.6

理想太阳能电池

光伏效应因为内建电场代表着对前置扩散电流的障碍，所以电场减小的同时也增大扩散电流。穿过pn结的电压将达到新的平衡。流出电池的电流大小就等于光生电流与扩散电流的差。在电池开路的情况下，pn结的正向偏压处在新的一点，此时，光生电流大小等于扩散电流大小，且方向相反，即总的电流为零。当两个电流达到平衡时的电压叫做“开路电压”。§3.1.6理想太阳能电池

光伏效应20下面动画展示了载流子分别在短路和开路情况下的流动情况。2022/12/24UNSW新南威尔士大学21

动画显示了太阳能电池分别在热平衡、短路和开路下的载流子运动状态。请注意不同情况下，流过pn结的电流的不同。在热平衡下（光照为零），扩散电流和漂移电流都非常小。而电池短路时，pn结两边的少数载流子浓度以及由少数载流子决定大小的漂移电流都将增加。在开路时，光生载流子引起正向偏压，因此增加了扩散电流。因为扩散电流和漂移电流的方向相反，所以开路时电池总电流为零。§3.1.6

理想太阳能电池

光伏效应下面动画展示了载流子分别在短路和开路情况下的流动情况。20221§3.2.1

太阳能电池的参数

电池的伏安曲线

太阳能电池的伏安曲线是电池二极管在黑暗时的伏安曲线与光生电流的叠加。光的照射能使伏安曲线移动到第四象限，意味着能量来自电池。用光照射电池并加上二极管的暗电流，则二极管的方程变为：2022/12/24UNSW新南威尔士大学22式中IL为光生电流。第一象限的伏安曲线方程为：§3.2.1太阳能电池的参数

电池的伏安22§3.2.1

太阳能电池的参数

电池的伏安曲线动画展示了光对一个pn结的电流电压特性的影响。没有光照时，太阳能电池与普通二极管的电性能没什么不同。点击继续

接下来的几节将讨论几个用于描述太阳能电池特性的重要参数。短路电流（ISC），开路电压（VOC），填充因子（FF）和转换效率都可以从伏安曲线测算出来的重要参数。§3.2.1太阳能电池的参数

电池的伏安23§3.2.2

太阳能电池的参数

短路电流

短路电流是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流（或者说电池被短路时的电流）。通常记作ISC。2022/12/24UNSW新南威尔士大学24太阳能电池的伏安曲线短路电流ISC是电池流出的最大电流，此时穿过电池的电压为零。电池产生的电能短路电流源于光生载流子的产生和收集。对于电阻阻抗最小的理想太阳能电池来说，短路电流就等于光生电流。因此短路电流是电池能输出的最大电流。§3.2.2太阳能电池的参数

短路电流24

短路电流的大小取决于以下几个因素：太阳能电池的表面积。要消除太阳能电池对表面积的依赖，通常需改变短路电流强度（JSC单位为mA/cm2）而不是短路电流。光子的数量（即入射光的强度）。电池输出的短路电流ISC的大小直接取决于光照强度（在入射光强度一节有讨论）。入射光的光谱。测量太阳能电池是通常使用标准的1.5大气质量光谱。电池的光学特性（吸收和反射）（光学损耗一节已讨论过）电池的收集概率，主要取决于电池表面钝化和基区的少数载流子寿命。2022/12/24UNSW新南威尔士大学25§3.2.2

太阳能电池的参数

短路电流短路电流的大小取决于以下几个因素：2022/12/1725在比较相同材料的两块太阳能电池时，最重要的参数是扩散长度和表面钝化。对于表面完全钝化和生成率完全相同的电池来说，短路电流方程近似于：

JSC=qG(Ln+Lp)

式中G代表生成率，而Ln和Lp分别为电子和空穴的扩散长度。尽管此方程以与多数太阳能电池的实际情况不太相符的假设为前提的，但这并不妨碍我们从这个方程看出，短路电流很大程度上取决于生成率和扩散长度。在AM1.5大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电流为46mA/cm2。实验室测得的数据已经达到42mA/cm2，而商业用太阳能电池的短路电流在28到35mA/cm2之间。2022/12/24UNSW新南威尔士大学26§3.2.2

太阳能电池的参数

短路电流在比较相同材料的两块太阳能电池时26

开路电压VOC是太阳能电池能输出的最大电压，此时输出电流为零。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的正向偏压。开路电压如下图伏安曲线所示。2022/12/2427§3.2.3

太阳电池的参数

开路电压开路电压是太阳能电池的最大电压，即净电流为零时的电压。开路电压VOC是太阳能电27

上述方程显示了VOC取决于太阳能电池的饱和电流和光生电流。由于短路电流的变化很小，而饱和电流的大小可以改变几个数量级，所以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应。即可以通过测量开路电压来算出电池的复合效应。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能达到720mV，而商业用太阳能电池通常为600mV。2022/12/24UNSW新南威尔士大学28§3.2.3

太阳电池的参数

开路电压通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路电压方程：上述方程显示了VOC取决于太阳28

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。“填充因子”，通常使用它的简写“FF”，是由开路电压VOC和短路电流ISC共同决定的参数，它决定了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功率与开路VOC和ISC的乘积的比值。从图形上看，FF就是能够占据IV曲线区域最大的面积。如下图所示。2022/12/2429§3.2.4

太阳能电池的参数

填充因子短路电流和开路电压分别是太阳能电29§3.2.4

太阳能电池的参数

填充因子

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（ISC）点、开路电压（VOC）点以及最大功率点（Vmp，Imp），点击图片可以看到当电池的填充因子变小时曲线是如何变化的。§3.2.4太阳能电池的参数

填充因子30

FF是对伏安曲线的矩形面积的测量，则电压高的太阳能电池，其FF值也可能比较大，因为伏安曲线中剩余部分的面积会更小。要计算电池的FF可以对电池的功率进行求导，令其值为零，便可找出功率最大时的电压电流值了。即：

d（IV）/dV=0

并给出：

2022/12/24UNSW新南威尔士大学31§3.2.4

太阳能电池的参数

填充因子FF是对伏安曲线的矩形面积的测量31

上述方程显示了电池的开路电压越高，填充因子就越大。然而，材料相同的电池的开路电压，它们的变化也相对较小。例如，(Atonesun)在一个AM1.0下，实验室硅太阳能电池和典型的商业硅太阳能电池的开路电压之差大约为120mV，填充因子分别为0.85和0.83.然而，不同材料的电池的填充因子的差别则可能非常大。例如，GaAs太阳能电池的填充因子能达到0.89。

2022/12/24UNSW新南威尔士大学32§3.2.4

太阳能电池的参数

填充因子

然而，单从上面的步骤并不能得出一个简单或近似的方程。上面的方程只与VOC和Vmp，所以还需要额外的能求出Imp和FF的方程。一个比较常使用的经验方程是：上述方程显示了电池的开路电压越高，32上述方程还说明了理想因子（也叫n因子）的重要性。理想因子是描述pn结质量和电池的复合类型的测量量。对于复合类型那一节所讨论的简单的复合来说，n的值为1。然而对于其它特别是效应很强的复合类型来说，n的值应该为2。大的n值不仅会降低填充因子，还会因为高复合效应而降低开路电压。上述方程中一个重要的限制是，它求出的只是最大填充因子，然而实际上因为电池中寄生电阻的存在，填充因子的值可能会更低一些。因此，测量填充因子最常用的方法还是测量伏安曲线，即最大功率除以开路电压与短路电流的乘积。

FF=VmpImp/（VOCISC

）2022/12/24UNSW新南威尔士大学33§3.2.4

太阳能电池的参数

填充因子上述方程还说明了理想因子（也叫n因332022/12/24UNSW新南威尔士大学34发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。效率定义为电池输出的电能与射入电池的光能的比例。除了反映太阳能电池的性能之外，效率还决定于入射光的光谱和光强以及电池本身的温度。所以在比较两块电池的性能时，必须严格控制其所处的环境。测量陆地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度25°C。而空间太阳能电池的光照则为AM0。近几年的太阳能电池最高效率表将在太阳能电池效率测量结果一节中给出。下式为计算发电效率的方程：Pmax=VOCISC

FF,η=Pmax/Pin

=VOCISC

FF/Pin§3.2.5

太阳能电池的参数

效率2022/12/17UNSW新南威尔士大学3434直线斜率的倒数就是特征电阻。

太阳能电池的特征电阻就是指电池在输出最大功率时的输出电阻。如果外接负载的电阻大小等于电池本身的输出电阻，那么电池输出的功率达到最大，即工作在最大功率点。此参数在分析电池特性，特别是研究寄生电阻损失机制时非常重要。2022/12/2435图上的公式还可代之以：

RCH=VOC/ISC§3.3.1

电阻效应

太阳能电池的特征电阻直线斜率的倒数就是特征电阻。太阳35

电池的电阻效应以在电阻上消耗能量的形式降低了电池的发电效率。其中最常见的寄生电阻为串联电阻和并联电阻。从下面的电池等效电路便可看出串联和并联电阻。36在大多数情况下，当串联电阻和并联电阻处在典型值的时候，寄生电阻对电池的最主要影响便是减小填充因子。串联电阻和并联电阻的阻值以及它们对电池最大功率点的影响都决定于电池的几何结构。在太阳能电池中，电阻的单位是Ωcm2。由欧姆定律可以求出单位面积的阻值，R（Ωcm2）=V/J。§3.3.2

电阻效应

寄生电阻效应电池的电阻效应以在36

太阳能电池中，引起串联电阻的因素有三种：第一，穿过电池发射区和基区的电流流动；第二，金属电极与硅之间的接触电阻；第三便是顶部和背部的金属电阻。串联电阻对电池的主要影响是减小填充因子，此外，当阻值过大时还会减小短路电流。下面动画描述了串联电阻对伏安曲线的影响。2022/12/2437串联电阻对FF的影响。此电池的表面积为1cm2

。§3.3.3

电阻效应

串联电阻太阳能电池中，引起串联电阻的因素37如果载流子被复合了，光生电子空穴对将消失，也产生不了电流或电能了。在太阳能电池中，电阻的单位是Ωcm2。短路电流的大小取决于以下几个因素：通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路电压方程：5大气质量光谱中，这些短波的光所包含能量很小。如果光生少数载流子到达pn结，将会被内建电场移到另一个区，然后它便成了多数载流子。开路电压VOC是太阳能电池能输出的最大电压，此时输出电流为零。UNSW新南威尔士大学4太阳能电池的参数

填充因子硅太阳能电池中，“外部”量子效率包括光的损失，如透射和反射。式中，T表示温度，h和k都是常数，me和mh分别是电子和空穴的有效质量；没有光照时，太阳能电池与普通二极管的电性能没什么不同。5电阻效应

串、并联电阻的共同影响1μm红外光的吸收率为103cm-1，但是它几乎不被吸收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。能量在电路和外接电阻中消耗4理想太阳能电池

量子效率2eV，取γ=3，则开路电压的变化为大约2.并联电阻RSH造成的显著的功率损失通常是由于制造缺陷引起的，而不是糟糕的电池设计。

串联电阻并不会影响到电池的开路电压，因为此时电池的总电流为零，所以串联电阻也为零。然而，在接近开路电压处，伏安曲线会受到串联电阻的强烈影响。一种直接估计电池的串联电阻的方法是找出伏安曲线在开路电压处的斜率。

计算太阳能电池的最大功率的方程如下：2022/12/24UNSW新南威尔士大学38§3.3.3

电阻效应

串联电阻若定义为标准（normalized）串联电阻，如果载流子被复合了，光生电子空穴对将消失，也产生不了电流或电38

我们假设开路电压和短路电流没有受到串联电阻的影响，则可以算出串联电阻对填充因子的影响：在上述方程中，我们把没有受串联电阻影响的填充因子用符号FF0表示，而FF‘则用FFs代替。则方程改为：

而下面以实验为基础的方程能更加精确地表示FF0与FFS之间的关系：FFs=FF0[（1-1.1rs）+r2s/5.4]此式在rs<0.4及VOC>10时有效。2022/12/24UNSW新南威尔士大学39§3.3.3

电阻效应

串联电阻我们假设开路电压和短路电流没有受到39

并联电阻RSH造成的显著的功率损失通常是由于制造缺陷引起的，而不是糟糕的电池设计。小的并联电阻以分流的形式造成功率损失。此电流转移不仅减小了流经pn结的电流大小，同时还减小了电池的电压。在光强很低的情况下，并联电阻对电池的影响最大，因为此时电池的电流很小。下面的动画将展示小并联电阻对电池的影响：2022/12/24UNSW新南威尔士大学40此电池的表面积为1cm2。通过测量伏安曲线在接近短路电流处的斜率可以估算出电池内并联电阻的值。§3.3.4

电阻效应

并联电阻并联电阻RSH造成的显著的功率40

计算并联电阻对填充因子的影响与计算串联电阻对填充因子的影响时所使用的方法相似。即最大功率近似等于无并联电阻时的功率减去并联电阻所消耗的功率。方程如下：

2022/12/24UNSW新南威尔士大学41这里把rsh=Rsh/RCH定义为标准并联电阻。§3.3.4

电阻效应

并联电阻计算并联电阻对填充因子的影响41

我们假设开路电压和短路电流都没有受并联电阻的影响，则可计算出并联电阻对填充因子的影响：同样，对没有被并联电阻影响的填充因子，我们用FF0表示，而FF’则改用FFsh表示：

FFsh=FF0（1-1/rsh）下面将列出更加精确的以实验为基础的方程

42此方程在rsh>0.4时有效§3.3.4

电阻效应

并联电阻我们假设开路电压和短路电流42

当并联电阻和串联电阻同时存在时，太阳能电池的电流与电压的关系为：

43

而电池的等效电路图为：§3.3.5

电阻效应

串、并联电阻的共同影响式中IL为光生电流。）（第一象限的伏安曲线方程为：当并联电阻和串联电阻同时存在时，43

上式中FFs=FF0[（1-1.1rs）+r2s/5.4]

则将上面的方程结合后得到FF：2022/12/24UNSW新南威尔士大学44§3.3.5

电阻效应

串、并联电阻的共同影响结合串联电阻和并联电阻的影响，总的方程为：上式中FFs=FF0[（1-1.1rs44

像所有其它半导体器件一样，太阳能电池对温度非常敏感。温度的升高降低了半导体的禁带宽度，因此影响了大多数的半导体材料参数。可以把半导体的禁带宽度随温度的升高而下降看成是材料中的电子能量的提高。因此破坏共价键所需的能量更低。在半导体禁带宽度的共价键模型中，价键能量的降低意味着禁带宽度的下降。

2022/12/24UNSW新南威尔士大学45§3.4.1

其他效应

温度效应像所有其它半导体器件一样，太阳能45§3.4.1

其他效应

温度效应在太阳能电池中，受温度影响最大的参数是开路电压。温度的改变对伏安曲线的影响如下图所示。

短路电流ISC提高幅度很小温度较高的电池开路电压Voc下降幅度大§3.4.1其他效应

温度效应46

开路电压随着温度而减小是因为I0对温度的依赖。关于pn结两边的I0的方程如下：式中，q为一个电子的电荷量；D为硅材料中少数载流子的扩散率；L为少数载流子的扩散长度；ND为掺杂率；ni为硅的本征载流子浓度。在上述方程中，许多参数都会受温度影响，其中影响最大的是本征载流子浓度ni。本征载流子浓度决定于禁带宽度（禁带宽度越低本征载流子浓度越高）以及载流子所拥有的能量（载流子能量越高浓度越高）。2022/12/24UNSW新南威尔士大学47§3.4.1

其他效应

温度效应开路电压随着温度而减小是因为I47§3.4.1

其他效应

温度效应关于本征载流子的方程为：式中，T表示温度，h和k都是常数，me和mh分别是电子和空穴的有效质量；EG0为禁带宽度，B是也是一个常数，但基本不受温度影响。把这个方程带回到求解电流的方程中，并假设温度对其它参数的影响忽略不计，则：§3.4.1其他效应

温度效应关于本征载流子482022/12/24UNSW新南威尔士大学49式中B’为一个不受温度影响的常数。常数γ，被用来代替数字3以把其它参数可能受温度的影响包括进去。对于温度接近于室温的硅太阳能电池来说，温度每升高10°C，I0将升高将近一倍。把上述方程代入到VOC的方程中，便可计算出I0对开路电压的影响。§3.4.1

其他效应

温度效应其中，VG0=EG0/q。2022/12/17UNSW新南威尔士大学49492022/12/24UNSW新南威尔士大学50

此方程显示，太阳能电池的温度敏感性取决于开路电压的大小，即电池的电压越大，受温度的影响就越小。对于硅，EG0为1.2eV，取γ=3，则开路电压的变化为大约2.2mV/°C。§3.4.1

其他效应

温度效应我们假设dVOC/dT不受dISC/dT的影响，则2022/12/17UNSW新南威尔士大学5050§3.4.1

其他效应

温度效应同时，硅电池的填充因子FF受温度的影响为：当温度升高时，短路电流ISC会轻微地上升，因为当禁带宽度EG减小时，将有更多的光子有能力激发电子空穴对。然而，这种影响是很小的，下面的方程说明硅太阳能电池中短路电流受温度影响程度：§3.4.1其他效应

温度效应同时，硅电池的51而温度对最大输出功率Pm的影响为：2022/12/2452南极洲，正在测量太阳能电池的效率。太阳能电池喜欢阳光明媚寒冷天气。§3.4.1

其他效应

温度效应而温度对最大输出功率Pm的影响为：2022/12/175252

改变入射光的强度将改变所有太阳能电池的参数，包括短路电流、开路电压、填充因子FF、转换效率以及并联电阻和串联电阻对电池的影响。通常用多少个太阳来形容光强，比如一个太阳就相当于AM1.5大气质量下的标准光强，即1KW/m2。如果太阳能电池在功率为10KW/m2的光照下工作，也可以说是在10个太阳下工作，或10X。被设计在一个太阳下工作的电池板叫“平板电池”，而那些使用聚光器的电池叫“聚光太阳能电池”。2022/12/24UNSW新南威尔士大学53§3.4.2

其他效应

光强效应改变入射光的强度将改变所有太阳能53§3.4.2

其他效应

光强效应聚光对太阳能电池的伏安特性的影响。短路电流ISC随着聚光呈线性上升FF可能会因串联电阻的上升而下降开路电压随光强呈对数上升§3.4.2其他效应

光强效应聚光对太阳能电54

聚光太阳能电池

聚光太阳能电池是一种在光强大于一个太阳的光照下工作的太阳能电池。入射太阳光被聚焦或透过光学器件形成高强度的光束射到小面积的太阳能电池中。聚光太阳能电池有几个潜在的优势，包括比平板太阳能电池更高的转换效率和更低的成本。电池的短路电流大小与光的强度成线性关系，因此在10个太阳照射下的电池短路电流是在一个太阳照射下的十倍。然而，这种改变并没有带来转换效率的提升，因为入射功率也随光强呈线性提高。相反，由于开路电压与短路电流呈对数关系，转换效率得以提升。因此，在聚光条件下，VOC随着光强上升呈对数形式增加，如下式所示：2022/12/24UNSW新南威尔士大学55式中X代表入射光的强度。§3.4.2

其他效应

光强效应聚光太阳能电池2022/12/17UNSW新南威尔士大55因为只需小面积的太阳能电池，所以聚光太阳能电池系统的成本比功率相同的平板太阳能电池系统要低。聚光电池的效率优势可能会因串联电阻的增加而有所下降，因为短路电流成线性增加，同时电池的温度也迅速上升。由短路电流引起的损失的大小与电流的平方成正比，则串联电阻造成的能量损失大小与光强的平方成正比。

低光强在光强变低时，并联电阻对电池的影响将慢慢变大。因为通过电池的前置偏压和电流会随着光的强度的减小而减小，而电池的等效电阻也将开始接近并联电阻的大小。当这两种电阻大小相近时，分流到并联电阻的电流将增加，即增加了并联电阻的能量损失。结果是，在多云的天气下，并联电阻高的太阳能电池能比并联电阻低的太阳能电池保留更大部分的电流。

2022/12/24UNSW新南威尔士大学56§3.4.2

其他效应

光强效应因为只需小面积的太阳能电池，56

测量太阳能电池性能最常用最基本的方式是，在精确控制的光源照射下测量电池的伏安曲线，并严格控制电池的温度。下图展示了测量伏安曲线的装置。2022/12/24UNSW新南威尔士大学57测试IV曲线的装置原理图因为太阳能电池对光强和温度都很敏感，所以在测试的时候这种条件都需要仔细控制。对于光源，光谱和光强这两个数据都要知道，并且要控制在标准AM1.5光谱上。世界上有几个实验室专门从事对太阳能电池的测量，只有从这些实验室测量出的结果才能被认为是官方的结果。光源接近AM1.5光源由计算机控制温度控制试验台把电池温度控制在25°§3.5.1

太阳能电池的测量/测试测量太阳能电池性能最常用最基本57最高太阳能电池转换效率结果将定期发布在《光伏进展》的“太阳能电池效率表”一栏中，我们将在本电子教程的“太阳能电池效率结果”一节里给出一个样本，仅供参考。而非正规的测量将使用控制精度较低的光源，并利用参考电池来校对光源。所谓参考电池，即电气性能和光学性能都尽可能与与被测电池相近，并且已经在标准光源下测试过的太阳能电池。电气性能和光学性能的相近能保证两个电池的光谱响应能很好的匹配。如果参考电池的输出电流被设置成在标准光源下的测量电流，那么被测电池的输出电流将与在标准AM1.5光谱下的测量结果大小相当。除了仔细调整光源外，还需要精确测量系统中其它几个的特征。四点探针是用来消除测试线中的串联电阻，和探头-电池之间的接触电阻的影响的器材。此外，被测电池经冷却使温度保持在25°C。2022/12/24UNSW新南威尔士大学58§3.5.1

太阳能电池的测量/测试最高太阳能电池转换效率结果将定期58感谢观看感谢观看59太阳能电池的特性太阳能电池的特性60§3.1.1

理想太阳能电池

太阳能电池的结构

太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电的电子器件。入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电压的形式来产生电能。这个过程的发生需要两个条件，首先，被吸收的光要能在材料中把一个电子激发到高能级，第二，处于高能级的电子能从电池中移动到外部电路。在外部电路的电子消耗了能量然后回到电池中。许多不同的材料和工艺都基本上能满足太阳能转化的需求，但实际上，几乎所有的光伏电池转化过程都是使用组成pn结形式的半导体材料来完成的。2022/12/24UNSW新南威尔士大学61§3.1.1理想太阳能电池

太阳能电池的结构61§3.1.1

理想太阳能电池

太阳能电池的结构太阳能电池的横截面减反射膜前端接触电极发射区基区背接触电极电子空穴对§3.1.1理想太阳能电池

太阳能电池的结构太62

太阳能电池运行的基本步骤：光生载流子的产生光生载流子聚集成电流产生跨越太阳能电池的高电压能量在电路和外接电阻中消耗2022/12/24UNSW新南威尔士大学63§3.1.1

理想太阳能电池

太阳能电池的结构太阳能电池运行的基本步骤：2022/12/17UNS63§3.1.2

理想太阳能电池

光生电流

在太阳能电池中产生的电流叫做“光生电流”，它的产生包括了两个主要的过程。

第一个过程是吸收入射光子并产生电子空穴对。电子空穴对只能由能量大于太阳能电池的禁带宽度的光子产生。然而，电子（在p型材料中）和空穴（在n型材料中）是处在亚稳定状态的，在复合之前其平均生存时间等于少数载流子的寿命。如果载流子被复合了，光生电子空穴对将消失，也产生不了电流或电能了。

2022/12/24UNSW新南威尔士大学64§3.1.2理想太阳能电池

光生电流64§3.1.2

理想太阳能电池

光生电流

第二个过程是pn结通过对这些光生载流子的收集，即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。pn结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光生少数载流子到达pn结，将会被内建电场移到另一个区，然后它便成了多数载流子。如果用一根导线把发射区跟基区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外部电路。§3.1.2理想太阳能电池

光生电流65上述方程显示了电池的开路电压越高，填充因子就越大。四点探针是用来消除测试线中的串联电阻，和探头-电池之间的接触电阻的影响的器材。“填充因子”，通常使用它的简写“FF”，是由开路电压VOC和短路电流ISC共同决定的参数，它决定了太阳能电池的输出效率。1其他效应

温度效应即最大功率近似等于无并联电阻时的功率减去并联电阻所消耗的功率。尽管此方程以与多数太阳能电池的实际情况不太相符的假设为前提的，但这并不妨碍我们从这个方程看出，短路电流很大程度上取决于生成率和扩散长度。4太阳能电池的参数

填充因子入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电压的形式来产生电能。太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电的电子器件。把这个方程带回到求解电流的方程中，并假设温度对其它参数的影响忽略不计，则：能量在电路和外接电阻中消耗在电池开路的情况下，pn结的正向偏压处在新的一点，此时，光生电流大小等于扩散电流大小，且方向相反，即总的电流为零。2022/12/24UNSW新南威尔士大学66动画展示了短路情况下的理想电流。理想短路情况下电子和空穴在pn结的流动。少数载流子不能穿过半导体和金属之间的界限，如果要阻止复合并对电流有贡献的话，必须通过pn结的收集。§3.1.2

理想太阳能电池

光生电流上述方程显示了电池的开路电压越高，填充因子就越大。2022/66

“收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生的载流子被pn结收集并参与到电流流动的概率，它的大小取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。在原来电场的区域，其收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域产生时，那么它的收集概率是相当低的。相似的，如果载流子是在靠近电池表面这样的高复合区的区域产生，那么它将会被复合。下面的图描述了表面钝化和扩散长度对收集概率的影响。§3.1.3

理想太阳能电池

收集概率“收集概率”描述了光照射到电池67§3.1.3

理想太阳能电池

收集概率

对收集概率的计算，红线代表发射区的扩散长度，蓝线代表基区的发射长度。前端表面在高复合率的情况下，其表面的收集概率很低。低扩散长度的太阳能电池。电池中距离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表面收集概率§3.1.3理想太阳能电池

收集概率68

收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小。光生电流大小等于电池各处的载流子生成速率乘以该处的收集概率。下面是硅在光照为AM1.5下光生电流的方程，包括了生成率和收集概率。2022/12/2469收集概率生成率在电池中的距离§3.1.3

理想太阳能电池

收集概率收集概率与载流子的生成率决定692022/12/24UNSW新南威尔士大学70

在1.5光谱下硅的生成速率。注意，电池表面的生成率是最高的，因此电池对表面特性是很敏感的。§3.1.3

理想太阳能电池

收集概率2022/12/17UNSW新南威尔士大学1170§3.1.3

理想太阳能电池

收集概率收集概率的不一致产生了光生电流的光谱效应。例如，表面的收集概率低于其他部分的收集概率。比较下图的蓝光、红光和红外光，蓝光在硅表面的零点几微米处几乎被全部吸收。因此，如果顶端表面的收集概率非常低的话，入射光中蓝光将不对光生电池做出贡献。§3.1.3理想太阳能电池

收集概率71上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长0.45μm的蓝光拥有高吸收率，为105cm-1，也因此它在非常靠近顶端表面处被吸收。波长0.8μm的红光的吸收率103cm-1，因此其吸收长度更深一些。1.1μm红外光的吸收率为103cm-1，但是它几乎不被吸收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。§3.1.3

理想太阳能电池

收集概率归一化的E-H对生成率上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子72

所谓“量子效率”，即太阳能电池所收集的载流子的数量与入射光子的数量的比例。量子效率即可以与波长相对应又可以与光子能量相对应。如果某个特定波长的所有光子都被吸收，并且其所产生的少数载流子都能被收集，则这个特定波长的所有光子的量子效率都是相同的。而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。下图将描述理想太阳能电池的量子效率曲线。2022/12/24UNSW新南威尔士大学73§3.1.4

理想太阳能电池

量子效率所谓“量子效率”，即太阳能电池所73§3.1.4

理想太阳能电池

量子效率总量子效率的减小是由反射效应和过短的扩散长度引起的。理想量子效率曲线能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以长波长的量子效率为零。量子效率前端表面复合导致蓝光响应的减小。红光响应的降低是由于背表面反射、对长波光的吸收的减少和短扩散长度下图为硅太阳能电池的量子效率。通常，波长小于350nm的光子的量子效率不予测量，因为在1.5大气质量光谱中，这些短波的光所包含能量很小。§3.1.4理想太阳能电池

量子效率总量子效率74

尽管理想的量子效率曲线是矩形的（如上图），但是实际上几乎所有的太阳能电池的都会因为复合效应而减小。影响收集效率的因素同样影响着量子效率。例如，顶端表面钝化会影响靠近表面的载流子的生成，而又因为蓝光是在非常靠近表面处被吸收的，所以顶端表面的高复合效应会强烈地影响蓝光部分量子效率。相似的，绿光能在电池体内的大部分被吸收，但是电池内过低的扩散长度将影响收集概率并减小光谱中绿光部分的量子效率。硅太阳能电池中，“外部”量子效率包括光的损失，如透射和反射。然而，测量经反射和透射损失后剩下的光的量子效率还是非常有用的。“内部”量子效率指的是那些没有被反射和透射且能够产生可收集的载流子的光的量子效率。通过测量电池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲线并得到内部量子效率。2022/12/24UNSW新南威尔士大学75§3.1.4

理想太阳能电池

量子效率尽管理想的量子效率曲线是矩形的75

“光谱响应”在概念上类似于量子效率。量子效率描述的是电池产生的光生电子数量与入射到电池的光子数量的比，而光谱响应指的是太阳能电池产生的电流大小与入射能量的比例。下图将描述一光谱响应曲线。2022/12/24UNSW新南威尔士大学76理想的光谱响应硅太阳能电池的响应曲线。能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以在长波长段的光谱响应为零。光谱响应§3.1.5

理想太阳能电池

光谱响应“光谱响应”在概念上类似于量子效76理想的光谱响应在长波长段受到限制，因为半导体不能吸收能量低于禁带宽度的光子。这种限制在量子效率曲线中同样起作用。然而，不同于量子效率的矩形曲线，光谱响应曲线在随着波长减小而下降。因为这些短波长的光子的能量很高，导致光子与能量的比例下降。光子的能量中，所有超出禁带宽度的部分都不能被电池利用，而是只能加热电池。在太阳能电池中，高光子能量的不能完全利用以及低光子能量的无法吸收，导致了显著的能量损失。光谱响应是非常重要的量，因为只有测量了光谱响应才能计算出量子效率。公式如下：2022/12/24UNSW新南威尔士大学77§3.1.5

理想太阳能电池

光谱响应SR（光谱响应）理想的光谱响应在长波长段受到77

被收集的光生载流子并不是靠其本身来产生电能的。为了产生电能，必须同时产生电压和电流。在太阳能电池中，电压是由所谓的“光生伏打效应”过程产生的。pn结对光生载流子的收集引起了电子穿过电场移向n型区，而空穴则移向p型区。在电池短路的情况下，将不会出现电荷的聚集，因为载流子都参与了光生电流的流动。然而，如果光生载流子被阻止流出电池，那pn结对光生载流子的收集将引起n型区的电子数目增多，p型区的空穴数目增多。这样，电荷的分开将在电池两边产生一个与内建电场方向相反的电场，也因此降低了电池的总电场。2022/12/24UNSW新南威尔士大学78§3.1.6

理想太阳能电池

光伏效应被收集的光生载流子并不是靠其本身78§3.1.6

理想太阳能电池

光伏效应因为内建电场代表着对前置扩散电流的障碍，所以电场减小的同时也增大扩散电流。穿过pn结的电压将达到新的平衡。流出电池的电流大小就等于光生电流与扩散电流的差。在电池开路的情况下，pn结的正向偏压处在新的一点，此时，光生电流大小等于扩散电流大小，且方向相反，即总的电流为零。当两个电流达到平衡时的电压叫做“开路电压”。§3.1.6理想太阳能电池

光伏效应79下面动画展示了载流子分别在短路和开路情况下的流动情况。2022/12/24UNSW新南威尔士大学80

动画显示了太阳能电池分别在热平衡、短路和开路下的载流子运动状态。请注意不同情况下，流过pn结的电流的不同。在热平衡下（光照为零），扩散电流和漂移电流都非常小。而电池短路时，pn结两边的少数载流子浓度以及由少数载流子决定大小的漂移电流都将增加。在开路时，光生载流子引起正向偏压，因此增加了扩散电流。因为扩散电流和漂移电流的方向相反，所以开路时电池总电流为零。§3.1.6

理想太阳能电池

光伏效应下面动画展示了载流子分别在短路和开路情况下的流动情况。20280§3.2.1

太阳能电池的参数

电池的伏安曲线

太阳能电池的伏安曲线是电池二极管在黑暗时的伏安曲线与光生电流的叠加。光的照射能使伏安曲线移动到第四象限，意味着能量来自电池。用光照射电池并加上二极管的暗电流，则二极管的方程变为：2022/12/24UNSW新南威尔士大学81式中IL为光生电流。第一象限的伏安曲线方程为：§3.2.1太阳能电池的参数

电池的伏安81§3.2.1

太阳能电池的参数

电池的伏安曲线动画展示了光对一个pn结的电流电压特性的影响。没有光照时，太阳能电池与普通二极管的电性能没什么不同。点击继续

接下来的几节将讨论几个用于描述太阳能电池特性的重要参数。短路电流（ISC），开路电压（VOC），填充因子（FF）和转换效率都可以从伏安曲线测算出来的重要参数。§3.2.1太阳能电池的参数

电池的伏安82§3.2.2

太阳能电池的参数

短路电流

短路电流是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流（或者说电池被短路时的电流）。通常记作ISC。2022/12/24UNSW新南威尔士大学83太阳能电池的伏安曲线短路电流ISC是电池流出的最大电流，此时穿过电池的电压为零。电池产生的电能短路电流源于光生载流子的产生和收集。对于电阻阻抗最小的理想太阳能电池来说，短路电流就等于光生电流。因此短路电流是电池能输出的最大电流。§3.2.2太阳能电池的参数

短路电流83

短路电流的大小取决于以下几个因素：太阳能电池的表面积。要消除太阳能电池对表面积的依赖，通常需改变短路电流强度（JSC单位为mA/cm2）而不是短路电流。光子的数量（即入射光的强度）。电池输出的短路电流ISC的大小直接取决于光照强度（在入射光强度一节有讨论）。入射光的光谱。测量太阳能电池是通常使用标准的1.5大气质量光谱。电池的光学特性（吸收和反射）（光学损耗一节已讨论过）电池的收集概率，主要取决于电池表面钝化和基区的少数载流子寿命。2022/12/24UNSW新南威尔士大学84§3.2.2

太阳能电池的参数

短路电流短路电流的大小取决于以下几个因素：2022/12/1784在比较相同材料的两块太阳能电池时，最重要的参数是扩散长度和表面钝化。对于表面完全钝化和生成率完全相同的电池来说，短路电流方程近似于：

JSC=qG(Ln+Lp)

式中G代表生成率，而Ln和Lp分别为电子和空穴的扩散长度。尽管此方程以与多数太阳能电池的实际情况不太相符的假设为前提的，但这并不妨碍我们从这个方程看出，短路电流很大程度上取决于生成率和扩散长度。在AM1.5大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电流为46mA/cm2。实验室测得的数据已经达到42mA/cm2，而商业用太阳能电池的短路电流在28到35mA/cm2之间。2022/12/24UNSW新南威尔士大学85§3.2.2

太阳能电池的参数

短路电流在比较相同材料的两块太阳能电池时85

开路电压VOC是太阳能电池能输出的最大电压，此时输出电流为零。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的正向偏压。开路电压如下图伏安曲线所示。2022/12/2486§3.2.3

太阳电池的参数

开路电压开路电压是太阳能电池的最大电压，即净电流为零时的电压。开路电压VOC是太阳能电86

上述方程显示了VOC取决于太阳能电池的饱和电流和光生电流。由于短路电流的变化很小，而饱和电流的大小可以改变几个数量级，所以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应。即可以通过测量开路电压来算出电池的复合效应。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能达到720mV，而商业用太阳能电池通常为600mV。2022/12/24UNSW新南威尔士大学87§3.2.3

太阳电池的参数

开路电压通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路电压方程：上述方程显示了VOC取决于太阳87

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。“填充因子”，通常使用它的简写“FF”，是由开路电压VOC和短路电流ISC共同决定的参数，它决定了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功率与开路VOC和ISC的乘积的比值。从图形上看，FF就是能够占据IV曲线区域最大的面积。如下图所示。2022/12/2488§3.2.4

太阳能电池的参数

填充因子短路电流和开路电压分别是太阳能电88§3.2.4

太阳能电池的参数

填充因子

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（ISC）点、开路电压（VOC）点以及最大功率点（Vmp，Imp），点击图片可以看到当电池的填充因子变小时曲线是如何变化的。§3.2.4太阳能电池的参数

填充因子89

FF是对伏安曲线的矩形面积的测量，则电压高的太阳能电池，其FF值也可能比较大，因为伏安曲线中剩余部分的面积会更小。要计算电池的FF可以对电池的功率进行求导，令其值为零，便可找出功率最大时的电压电流值了。即：

d（IV）/dV=0

并给出：

2022/12/24UNSW新南威尔士大学90§3.2.4

太阳能电池的参数

填充因子FF是对伏安曲线的矩形面积的测量90

上述方程显示了电池的开路电压越高，填充因子就越大。然而，材料相同的电池的开路电压，它们的变化也相对较小。例如，(Atonesun)在一个AM1.0下，实验室硅太阳能电池和典型的商业硅太阳能电池的开路电压之差大约为120mV，填充因子分别为0.85和0.83.然而，不同材料的电池的填充因子的差别则可能非常大。例如，GaAs太阳能电池的填充因子能达到0.89。

2022/12/24UNSW新南威尔士大学91§3.2.4

太阳能电池的参数

填充因子

然而，单从上面的步骤并不能得出一个简单或近似的方程。上面的方程只与VOC和Vmp，所以还需要额外的能求出Imp和FF的方程。一个比较常使用的经验方程是：上述方程显示了电池的开路电压越高，91上述方程还说明了理想因子（也叫n因子）的重要性。理想因子是描述pn结质量和电池的复合类型的测量量。对于复合类型那一节所讨论的简单的复合来说，n的值为1。然而对于其它特别是效应很强的复合类型来说，n的值应该为2。大的n值不仅会降低填充因子，还会因为高复合效应而降低开路电压。上述方程中一个重要的限制是，它求出的只是最大填充因子，然而实际上因为电池中寄生电阻的存在，填充因子的值可能会更低一些。因此，测量填充因子最常用的方法还是测量伏安曲线，即最大功率除以开路电压与短路电流的乘积。

FF=VmpImp/（VOCISC

）2022/12/24UNSW新南威尔士大学92§3.2.4

太阳能电池的参数

填充因子上述方程还说明了理想因子（也叫n因922022/12/24UNSW新南威尔士大学93发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。效率定义为电池输出的电能与射入电池的光能的比例。除了反映太阳能电池的性能之外，效率还决定于入射光的光谱和光强以及电池本身的温度。所以在比较两块电池的性能时，必须严格控制其所处的环境。测量陆地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度25°C。而空间太阳能电池的光照则为AM0。近几年的太阳能电池最高效率表将在太阳能电池效率测量结果一节中给出。下式为计算发电效率的方程：Pmax=VOCISC

FF,η=Pmax/Pin

=VOCISC

FF/Pin§3.2.