第五章效率极限损失和测量

第五章效率的极限、损失和测量南京理工大学材料科学与工程学院1内容5.2

温度的影响5.4

效率测量5.3

效率损失5.1

效率的极限25.1

效率η的极限3能量转换效率η:h

=

Voc

Isc

FFPin为获得较高的转换效率，需要增加Voc、Isc和FF。voc

+1FF

=

voc

-

ln（voc

+

0.72）oc oc

kT令v

=

Vocq

,

当v

>10时有Voc的函数为获得理想转换效率η的极限，讨论Voc、Isc的理想极限。5.1.1短路电流Isc0,-a

xG

=

a

N

e式中，N0表示表面光通量，表示单位面积单位时间通过的光子数，单位为m-2s-1。0NhfI=

0理想情况下:

Isc

=

-ILIL

=

qAG

(Le

+W

+

Lh求Isc的极限，就是求IL的极限,

G为产生率。假设到达电池表面的每一个能量大于材料禁带宽度的光子，会产生一个电子-空穴对，那么G为：光子的通量将光通量对波长进行积分，可以得到G。积分范围：短波长～长波长（硅的Eg=1.1eV，λ=1.13μm）G是在理想情况下得到的，因此得到的结果为理想极限。禁带宽度与电流密度的关系禁带宽度Eg减小 ，具有产生电子空穴对能量的光子增加，电流密度增加，短路电流Isc增加。65.1.2

开路电压和效率oc开路电压：Vq=

kT

ln

IL+1

I

0

为提高Voc，需降低I0:0

e

i

h

i

I

=ALL

qD

n2qD

n2

+

eh

目前还没有明确得到限制Voc的基本因素。获得Voc上限的方法0

e

i

h

i

e

hI

=ALL

qD

n2qD

n2

+50gEI

=1.5·10

exp

-kT

可将上式中的每个参数赋予合适的值。对于硅，Voc最大值约为700mV，相应的FF为0.84。饱和电流密度I0最小值与禁带宽度Eg的关系为：禁带宽度Eg减小，I0增加，Voc减小。禁带宽度Eg减小Voc减小获得Voc上限的方法10必然存在一个最佳的Eg，可令η达到最大。禁带宽度Eg减小Isc增加Voc减小35%以下最高效率在数值上较低的原因：1.光子能量Eph大于Eg时，多余的能量以热能形式释放，使得最高效率限制在44%。2.

载流子被相当于禁带宽度的电势差所分离，pn结电池得到的输出电压也仅是这个电势差的一部分。5.4

黑体电池的效率极限黑体太阳能电池吸收所有入射的阳光。同时以辐射复合的形式释放能量大于禁带宽度的光子。I0与复合率有关。从而得到I0的最小值。此时，Voc为850mV，效率极限超过了30%。5.2

温度的影响太阳能电池对温度非常敏感。温度T的升高使得半导体的禁带宽度Eg降低，相当于材料中的电子能量提高，这影响了大多数的半导体材料参数。温度Isc光吸收增加VocFF温度对开路电压的影响短路电流Isc和开路电压Voc的关系：sc

0I

=

Ipn结两边的I0的方程为eqVoc

/kT

-1)-Eg0gI0

»

AT

e

kT式中A与温度无关，γ包含了其余与温度有关的参数，它的数值一般在1~4之间，Eg0为半导体材料在绝对零度时的禁带宽度。(scocsclnI

kTkT

q

V

=qV

+1

=

ln

I

)-

ln

(A)-gln

(T

)+

g0

I

q

kT

0

式中Eg0

=qVg0。假设dVoc/dT不受dIsc/dT的影响，则dTdVocVoc

-Vg0

k=

-

gT

q随着温度T的增加，Voc减小。温度对开路电压的影响dVoc=

-2.2mV/

o

C太阳能电池的温度敏感性取决于开路电压的大小，即电池15的开路电压越大，受温度的影响就越小。对于硅Si，当Vg0=1.2V，γ=3，Voc=0.6V时，dT1

dVocVocdT

600=-

2.2

»

0.004

/

C温度对短路电流的影响16Isc»

0.0006/

CdT1

dIsc当温度升高时，禁带宽度Eg减小，将有更多的光子有能力激发电子-空穴对，短路电流Isc会轻微上升。硅太阳能电池中短路电流受温度影响程度：同时填充因子FF受温度的影响为1

oc

dTdFF

»

1 dVoc

-

1

/

6

»

-0.0015

/

CFF

dT

V T

»

-(0.004

~

0.005)/

CdT

FF

dT

dTVoc

ISC1

dPm

=

1 dVOC

+

1 dFF

+

1

dISCPm

dT温度对最大输出功率Pm的影响为太阳能电池在较低温度下工作时，效率较高5.3

效率损失17由于各种损失机制的存在，实际太阳能电池的转换效率达不到理想极限。5.3.1

短路电流损失短路电流Isc的损失：1.“光学”性质的损失a.裸露硅表面的反射较大，可通过镀膜来降低；

b.金属栅线会遮掉10%~15%的光；c.若电池厚度不够，将有一部分透射出电池。2.半导体体内和表面的复合损失只有pn结附近的电子-空穴对会对Isc有贡献，远距离处的在到达电极之前就已经复合。N型掺杂层较薄与IL在数值上相等5.3.2开路电压损失19决定Voc的主要过程是半导体中的复合，复合率越低，Voc越高。限制Voc的一个重要因素是耗尽区中经由陷阱的复合。在推导pn结暗特性时，忽略了耗尽区的复合：开路电压损失如果考虑耗尽区的复合，那么在无光照时，pn结的IV关系为：Isc=

I0

(e

-1

+

I

(e

-1qV/kT qV

/2kTw或者写成：(0eqV

/

nkT¢I

=

I-1式中：kTqEmaxqAnip2

te0th0Iw

=相当于增加了I0Voc降低5.3.3

填充因子FF损失211.耗尽区的复合2.寄生的串联电阻和分流电阻1.耗尽区的复合22耗尽区的复合将会降低填充因子FF。对于非理想二极管，n>1，则voc变为,ococ

nkTqv

=

V同样的，当voc>10时，有：ocococv

+1v

-

lnFF0

=（v

+

0.72）2.寄生的串联电阻和分流电阻23太阳能电池组件本身存在寄生的串联电阻Rs和分流电阻Rsh。串联电阻Rs的产生：制造电池的半导体材料本身、半导体与金属的接触间存在电阻。例如：半导体材料的体电阻、电极和互联金属的电阻、电极和半导体之间的接触电阻。分流（并联）电阻Rsh

的产生：pn结漏电。包括：电池边缘的漏电、晶体缺陷和沉淀物引起的内部漏电。寄生电阻对电池的最主要影响是减小了填充因子FF。串联电阻(Series

Resistance)24串联电阻Rs不会影响开路电压Voc，但当Rs值较高时，Isc将降低。在串联电阻作用下，太阳能电池的最大输出功率为：mpmpmpRRsVIscVImpmp

mp

mp

sCH

1-

=

Pmp

(1-

rs

)=

PRs

oc

Rs

=

Pmp

1-=

Vmp

Imp

1

-I

-

I

2

RP'

»

V。ssCHRI

RV式中：R

=,

r

=sc

CHoc假设Rs没有改变Isc

，则填充因子FF为：FF

=

FF0

(1-

rs

)提高输出功率需要减小rs。随着串联电阻Rs的增加，FF减小。分流电阻（Shunt

Resistance

）26sh

mp

sh

mp

sc sh

mpmp sh

mpmp mp

shmp

1

1-1-1

1

-

1

Rr=

PRRCH

=

PI

R=

PI

RV=

V

I

1-V

2Pmp

'»

Vmp

Imp

-Voc分流（并联）电阻Rsh减小了流经pn结的电流。Rsh值较高时，Voc降低。在分流电阻作用下，最大功率近似为：提高输出功率需要增加Rsh。RCHR式中：rsh

=

sh

。

oc

0

sh0oc填充因子FF为：FFvr

v

+

0.7

FF

=

FF

1

-sh

27随着分流电阻Rsh的减小，FF减小。串联电阻和分流电阻共同作用28

oc

0

0ocshvrv

+

0.7

FF

¢¢FF

=

FF1

-当串联电阻和分流电阻都很重要时，填充因子为：式中FF0’为：FF

¢=

FF

(1-

r

)0

0

sFF0为无寄生电阻时的理想填充因子。5.4

效率测量29