3.3-太阳能电池效率的极限、损失与测量解读

复旦大学黄淮学院113.4太阳能电池效率的极限、损失与测量2020/3/42/27一、太阳电池转换效率的理论上限太阳能电池的理论效率太阳能电池的理论效率由下式决定：当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定以后，其值就取决于开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大值。下面我们就来分别考虑开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大值。inPFFIVSCOC2020/3/43/27一、太阳电池转换效率的理论上限1.短路电流Isc的考虑：我们假设在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳能电池没有贡献，其中长波限满足：而其余部分的光子，因其能量hν大于材料的禁带宽度Eg，被材料吸收而激发电子-空穴对。假设其量子产额为1，而且被激发出的光生少子在最理想的情况下，百分之百地被收集起来。)()(24.1maxumeVEg影响因素：面积、光强、温度光生载流子的定向运动形成光生电流IL最大光生电流值为：式中Nph(Eg)为每秒钟投射到电池上能量大于Eg的总光子数。ILmax=qNph（Eg）2020/3/44/27一、太阳电池转换效率的理论上限1.短路电流Isc的考虑：在AMO和AM1.5光照射下的最大短路电流值。当禁带宽度减小时，短路电流密度增加。2020/3/45/27一、太阳电池转换效率的理论上限2.开路电压Voc的考虑：开路电压Voc的最大值，在理想情况下有下式决定：式中IL是光生电流，Io是二极管反向饱和电流，其满足：显然，Io取决于Eg、Ln、Lh、NA、ND和绝对温度T的大小，同时也与光电池结构有关。为了提高Voc，常常采用Eg大，少子寿命长及低电阻率的材料，代入合适的半导体参数的数值，给出硅的最大Voc值约700mV左右。0ln(1)LocIkTVqI)(220hDihnAinLNnqDLNnqDAIktEVCigeNNn2影响因素：光强、温度、材料特性2020/3/46/27一、太阳电池转换效率的理论上限2.开路电压Voc的考虑：•饱和电流越小开路电压越大，尽可能使饱和电流小。•由•将高品质电池参数代入，可得：2exp()giCVEnNNkT5201.510exp()/EgIAcmkT•由上式可看到，开路电压随着禁带宽度的减小而减小。•而短路电流是随着宽度的减小而增加，那么总存在一个最佳禁带宽度使效率最大。2020/3/47/27一、太阳电池转换效率的理论上限2.开路电压Voc的考虑：为什么最高效率比较低？2020/3/48/27一、太阳电池转换效率的理论上限2.开路电压Voc的考虑：2020/3/49/27一、太阳电池转换效率的理论上限3.填充因子FF的考虑：在理想情况下，填充因子FF仅是开路电压Voc的函数，可用以下经验公式表示：这样，当开路电压Voc的最大值确定后，就可计算得到FF的最大值。ln(0.72)1ocococVVFFVococktVq2020/3/410/27电池种类转换效率(%)研制单位备注单晶硅电池24.7±0.5澳大利亚新南威尔士大学4cm2面积GaAs多结电池34.7±1.7Spectrolab333倍聚光多晶硅电池20.3±0.5德国弗朗霍夫研究所1.002cm2面积InGaP/GaAs30.8±1.0日本能源公司4cm2面积非晶硅电池12.8±0.7美国USSC公司0.27cm2面积CIGS电池19.5±0.6美国可再生能源实验室0.41cm2面积CdTe电池16.5±0.5美国可再生能源实验室1.032cm2面积多晶硅薄膜电池16.6±0.4德国斯图加特大学4.017cm2面积纳米硅电池10.1±0.2日本钟渊公司2微米膜(玻璃衬底)氧化钛有机纳米电池11.0±0.5EPFL0.25cm2面积GaInP/GaAs/Ge37.3±1.9Spectrolab175倍聚光背接触聚光硅电池26.8±0.8美国SunPower公司96倍聚光世界主要太阳电池新纪录2020/3/411/27中国太阳电池实验室最高效率最高效率面积(cm2)单晶硅电池20.42×2多晶硅电池14.532×2GaAs电池20.11×1聚光硅电池172×2CdS/CuxS电池12几个mm2CuInSe2电池8.571×1CdTe电池73mm2多晶硅薄膜电池13.61×1非晶硅电池11.2(单结)8.66.2几个mm210×1030×30二氧化钛纳米有机电池101×12020/3/412/27如何进一步提高太阳能电池的转换效率是当前的研究课题，这也就是所谓的高效率化技术的开发。2020/3/413/27二、效率的损失有三种称之为光学的损失,其主要影响是降低了光生电流值。(1)硅表面光的反射。由前面学习的“光的吸收”可知，反射率在空气介质界面：1、短路电流损失2222(1)(1)nKRnK式中n为半导体材料复数折射率之实部，即普通折射率，k是其虚部，称为消光系数。2020/3/414/27二、效率的损失1、短路电流损失每种材料的n和k都与入射光之波长有关。对硅来说，其关系曲线如图所示。把n、k的结果代入式中，发现在感兴趣的太阳光谱中，超过30%的光能被裸露硅表面反射掉了。硅折射率的实部n与虚部k与光子能量的关系电池厚度对Isc的影响一般在太阳能电池表面镀有减反膜，及将表面绒面化。一般增加减反膜之后，太阳能电池反射减小到10%。2020/3/415/27二、效率的损失•(2)栅指电极遮光损失c•定义为栅指电极遮光面积在太阳电池总面积中所占的百分比。对一般电池来说，c约为4%～15%。1、短路电流损失2020/3/416/27二、效率的损失1、短路电流损失(3)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。2020/3/417/27二、效率的损失短流损失的另外一个原因是半导体体内及表面的复合，上一章中曾学到，有效收集区域只在耗尽区及两侧扩散长度内。体内其它位置产生的空穴电子对，很难达到器件输出端。1、短路电流损失2020/3/418/27二、效率的损失决定光生伏特大小的因素，是在耗尽区两边所堆积的光生非平衡载流子的多少，而非子的多少和复合速度有关系。复合率越大，开压越小。2、开路电压损失2020/3/419/273.填充因子损失当考虑串联电阻Rs时：特征电阻:scocIVRch归一化串联电阻:chsRRrs填充因子近似为:）（srFFFF-10当考虑并联电阻Rsh时：归一化并联电阻:chshRRrsh归一化的开路电压:qnktVococshrFFFFFF0ococ07.0-1填充因子近似为:二、效率的损失2020/3/420/27例题解：2020/3/421/27例题解：2020/3/422/27例题解：2020/3/423/27例题解：2020/3/424/27例题解：2020/3/425/27提高太阳能电池效率的途经在硅太阳能电池的制造历史中已经采用过许多措施来提高太阳能电池的光电转换效率，并且随着能源的不断消耗，高效太阳能的研究正热火朝天地进行。主要针对：1.降低光电子的表面复合，如降低表面态等；2.降低入射光的表面反射，用多种太阳光减反射技术，如沉积减反层、硅片表面织构技术、局部背表面场技术，最大限度地减少太阳光在硅表面的反射；3.电极低接触电阻和集成受光技术，如激光刻槽埋栅技术和表面浓度扩散技术，使电极接触电阻低和增加硅表面受光面积。4.降低P-N结的结深和漏电；5.采用高效廉价光电转换材料；2020/3/426/27作业1.（a）一个太阳电池受到光强为20mW/cm2，波长为700nm的单色光的均匀照射。如果电池材料的禁带宽度为1.4eV，问相应的入射光的光子通量及电池所输出的短路电流的上限是多少？（b）如果禁带宽度是2.0eV，那么相应的短路电流上限是多少？2.当电流受到表1.1中AM1.5入射光照射时，某电池可得到最大短路电流密度为40。如果300K时电池的最大开路电压为0.5V，问在此温度下电池效率的上限是多少？3一电池受到光强为100mW/cm2的单色光均匀照射。300K时电池的最小饱和电流密度是10-21。如果单色光的波长为：（a）450nm,(b)900nm,试分别计算此温度下电池将光转换为电能的效率极限，假设在每一种情况下电子能量都大于材料禁带宽度。（c）解释所计算得出的效率之间的差别。2/cmA2/cmmA2020/3/427/27作业452020/3/428/27思考题1.试分析太阳电池最高效率较低的原因。2.试分析禁带宽度对太阳电池效率的影响。3.试分析温度对太阳电池效率的影响。4.短路电流的损失途径。5.电池厚度是影响太阳电池的能量转换效率的原因之一，Si和GaAs的最小厚度比较是（）需要更大的厚度。