《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-4

中国科学院半导体研究所张兴旺2第四章太阳电池基础光生载流子的浓度和电流4.2太阳电池的测试技术4.4光生伏特效应34.1太阳电池的伏安特性34.34.5太阳电池的效率分析太阳电池的性能表征4.6中国科学院半导体研究所张兴旺3太阳电池的理论效率当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定后，为获得较高的转换效率，需要增加Voc、Isc和FF%100inSCOCPFFIV4.6太阳电池效率分析-极限效率在理想情况下（当voc10），填充因子FF仅是开路电压Voc的函数172.0lnocococvvvFF）（,ocockTqVvVoc的函数填充因子FF中国科学院半导体研究所张兴旺4短路电流Isc,LehIqAGLWLscLII假设到达电池表面的每一个能量大于材料禁带宽度Eg的光子，会产生一个电子-空穴对。将光通量对波长进行积分，可以得到产生率G。0ln1LocIkTVqI开路电压Voc50=1.510expgEIkT2exp()giCVEnNNkT禁带宽度Eg减小，I0增加，Voc减小4.6太阳电池效率分析-极限效率I0∝中国科学院半导体研究所张兴旺54.6太阳电池效率分析-极限效率禁带宽度Eg减小Isc增加Voc减小最佳带隙宽度中国科学院半导体研究所张兴旺6电池能够吸收所有能量大于Eg的光子，能量低于Eg的光子不能吸收。一个光子最多只能产生一个电子空穴对。吸收的光子能量都用于激发电子空穴对并储存为电子空穴对的势能。光生载流子可实现完全分离，即载流子迁移率为无限大系统满足细致平衡原理，因此辐射复合是电池的唯一复合机制。半导体材料完全符合黑体的行为。4.6太阳电池效率分析-极限效率细致平衡效率极限（detailedbalancelimitofefficiency）WilliamShockley,HansJ.Queisser，1961年把太阳的光子能量分布以能量为变量积分得到总的电池吸收的能量J=(得到的光子流-电池本身辐射掉的电子流)X(电子电量)V=电子空穴对的电势差；输出能量=电流X电压；理论极限=输出能量/输入能量。细致平衡原理：在热平衡状态，太阳能电池受激吸收的光子数和自发辐射的光子数一样多。中国科学院半导体研究所张兴旺7单节电池的理论极限效率为33.7%，称为SQ（ShockleyandQueisser）极限，也称为细致平衡效率极限最大输出效率与带隙关系细致平衡效率极限之所以不高，是因为它的假设条件很严格。如“一个光子最多只能产生一个电子空穴对”（实际通过冲击电离的方法，已经能做到一个光子打出多个电子空穴对了）；再有，能量小于禁带宽度的光子能量不被吸收（实际的情况和试验也有表明并不是完全不吸收，如激子吸收）。4.6太阳电池效率分析-极限效率中国科学院半导体研究所张兴旺8高能光子超过带隙的能量未被利用4.6太阳电池效率分析-极限效率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。中国科学院半导体研究所张兴旺9M.A.Greenetal.,Prog.Photovolt:Res.Appl.23,805(2015).单节电池目前最高效率还远小于SQ极限效率(33.7%)4.6太阳电池效率分析-极限效率中国科学院半导体研究所张兴旺10材料带隙宽度少数载流子寿命表面复合的影响寄生电阻效应温度的影响光强的影响4.6太阳电池效率分析-影响因素中国科学院半导体研究所张兴旺11带隙对电流影响理论上带隙越小，所能获得电流越大。但材料吸收系数、吸收层厚度等对电流大小的影响也至关重要。不同半导体材料的吸收系数不同带隙半导体材料能给出最大电流4.6太阳电池效率分析-影响因素中国科学院半导体研究所张兴旺12开路电压的来源：准费米能级的差值Voc∝Efn-Efp,带隙越小，准费米能级之间的差值越小，开路电压越小；开路电压与反向饱和电流的关系：带隙越小，载流子越易激发，本征载流子浓度越大，反向饱和电流越大，所以开路电压小。带隙对开压的影响0ln1LocIkTVqI带隙的减小会增加短路电流，但同时会减少开路电压,因此，合适的带隙才能获得最佳光电转换效率。4.6太阳电池效率分析-影响因素中国科学院半导体研究所张兴旺13少数载流子寿命少数载流子寿命越小，反向饱和电流越大，开压越小。另一方面，少数载流子寿命越小，载流子扩散长度越小，载流子扩散长度可能小于器件的有效吸收厚度，在没有被收集之前，载流子就被复合了，因此，小的载流子寿命也会导致短路电流小。为了提高器件的性能，一般会尽量提高的少数载流子的寿命。]1[/0nnnTkqVnphnBenLqDJjTkVVqTkqVwwqnJBbiBpnpniscr-dark2/)()2sinh(2)(4.6太阳电池效率分析-影响因素中国科学院半导体研究所张兴旺14少数载流子寿命增加，开路电压，短路电流以及填充因子均会增加。提高载流子寿命途径：提高材料质量，减少深能级缺陷以及晶界复合。少数载流子寿命4.6太阳电池效率分析-影响因素LnWp中国科学院半导体研究所张兴旺15电池效率对于如Ta、Mo、Nb、W、Ti及V等金属是非常敏感（10-5ppm）但对有些金属杂质对效率影响不大。可能使用较低成本的工艺技术提炼的所谓太阳级硅，制备出低成本的电池。晶体硅（p型Si基区）中金属杂质浓度对电池相对效率少数载流子寿命非平衡载流子复合是决定少子寿命的关键因素。在体材料中，深能级复合是主要过程，体材料的深能级往往是制备过程中引进的。4.6太阳电池效率分析-影响因素中国科学院半导体研究所张兴旺16表面复合的影响4.6太阳电池效率分析-影响因素前电极或背电极的表面复合对电池效率都有重要的影响。当Ln«Wp时，载流子扩散不到背电极，背表面复合不影响饱和电流。当少子寿命足够长，基区载流子扩散到背表面并通过背表面输出，饱和电流将受背表面复合速度SBSF影响。背表面复合主要影响电池长波响应，前表面复合影响电池的短波响应。中国科学院半导体研究所张兴旺17串联电阻串联电阻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：smpCHsmpsocscmpsmpmpmpmp2mpmpmpmp1111'rPRRPRVIPRVIIVRIIVPs式中：。CHssCHRRrIVR,scoc假设Rs没有改变Isc，则)1(0srFFFF提高输出功率需要减小rs4.6太阳电池效率分析-影响因素中国科学院半导体研究所张兴旺18随着串联电阻Rs的增加，FF减小。减小串联电阻方法减小接触电阻，尽可能是电极与半导体材料和界面材料的欧姆接触完美；尽量减小横向电阻，例如利用导电率好的衬底材料等。串联电阻4.6太阳电池效率分析-影响因素中国科学院半导体研究所张兴旺19并联电阻Rsh减小了流经pn结的电流。Rsh值较高时，Voc降低。shmpshCHmpshscmpshmpmpmpmpsh2mpmpmpmp1111111R'rPRRPRIVPRIVIVVIVPoc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式中：。CHshshRRr填充因子FF为：并联电阻oc0sh0ocsh0.71vFFFFFFvr提高薄膜的晶体质量，减少空洞来提高Rsh。4.6太阳电池效率分析-影响因素中国科学院半导体研究所张兴旺20温度的影响温度升高，导致带隙减少，本征载流子浓度增加，暗饱和电流显著增加，导致Voc降低；4.6太阳电池效率分析-影响因素0α02gdTTdEβTTETEgg，0ln1LocIkTVqIkTgEeTLnqDLpqDInpnpnp23000温度升高，带隙减小，Isc增加温度增加，Isc稍有提高，Voc明显下降中国科学院半导体研究所张兴旺21光强的影响4.6太阳电池效率分析-影响因素00SCSCOCOCXIInkTnkTnkTV'lnlnlnXVlnXqIqIq)(jdSCVIxIIIsc线性增加，Voc对数增加中国科学院半导体研究所张兴旺22qV高能光子热损失内建势电压损失载流子复合损失接触电压损失低能光子透过损失能量光反射、透射、电极阴影热弛豫-高能光子损失内建势、接触电压损耗光生载流子的复合电池内部串联电阻Shockley极限：单结太阳电池转换效率的极限值33.7%，单晶Si电池的理论极限30%。实际硅电池最高效率为25.6%,GaAs为28.8%4.6太阳电池效率分析-损失与对策中国科学院半导体研究所张兴旺23太阳电池效率受材料、器件结构及制备工艺的影响。它们包括电池的光损失、材料的有限迁移率、复合损耗、串联电路和并联电阻等。对于一定的材料，电池结构与工艺改进对提高效率是非常重要的。4.6太阳电池效率分析-损失与对策影响单节C-Si电池的各种因素中国科学院半导体研究所张兴旺24光学损失(短路电流Isc)反射损失：从空气垂直入射到半导体材料的光的反射。以硅为例，在感兴趣的太阳光谱中，超过30%的光能被裸露的硅表面发射掉了。栅电极遮光损失：定义为栅电极遮光面积在太阳能总面积中所占的百分比。对一般电池来说，约为4%-15%。透射损失：如果电池厚度不足够大，某些能量合适能被吸收的光子可能从电池背面穿出。这决定了半导体材料之最小厚度。间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。4.6太阳电池效率分析-损失与对策中国科学院半导体研究所张兴旺25电池表面使用减反膜使用四分之一厚度的透明减反膜，通过干涉作用，理论上将从膜的上表面反射的光和从半导体界面处反射回来的光相互抵消，其两者的相位差为180°。通过表面制绒也可以减少反射将太阳电池的表面制成凸凹不平的表面，可使得光线受到表面多重反射的作用，而更有效率的进入半导体材料中。4.6太阳电池效率分析-损失与对策光学损失：对策中国科学院半导体研究所张兴旺26光学损失：对策将正面电极的面积减少到最小但会导致串联电阻增加优化电极的宽高比、刻槽埋栅、背电极4.6太阳电池效率分析-损失与对策中国科学院半导体研究所张兴旺27电池背表面的高反射光线可能会因为电池内部的全反射而被捕获在电池内多结叠层电池：使用不同带隙半导体材料分别吸收不同波段的太阳光单结电池4.6太阳电池效率分析-损失与对策光学损失：对策中国科学院半导体研究所张兴旺28光生少子的收集几率定义光激发少子中对太阳能电池的短路电流有贡献的百分数为收集几率。该参数决定于电池内个区域的复合机理，也与电池结构与空间位置有关。4.6太阳电池效率分析-损失与对策在太阳能电池内，由于存在少子复合，所产生的每一个光生少数载流子不可能百分之百地被收集起来。中国科学院半导体研究所张兴旺29开路电压损失决定开路电压Voc大小的主要物理过程是半导体的复合（体复合和表面复合）。半导体复合率越高，少子扩散长度越短，Voc也就越低。在p-Si衬底中，影响非平衡少子总复合率的三种复合机理是：复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合。总复合率主要取决三种复合中复合率最大的一个。例如：对于高质量的硅单晶，当掺杂浓度高于1017cm-3时，则俄歇复合产生影响，使少子寿命降低。通常，电池表面还存在表面复合，表面复合也会降低Voc值。确定光生电压大小的因素，是在耗尽区两边所堆积的光生非平衡载流子的多少，而其多少和复合速度有关。复合率越大，开压越小。4.6太阳电池效率分析-损失与对策中国科学院半导体研究所张兴旺30介质层钝化：消除表面悬键减少表面复合选择性发射极局域背接触晶硅吸杂技术磷：驰豫吸杂和分凝吸杂去除金属杂质铝：杂质在铝硅合金中的固溶度