第五章-效率的极限、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12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235.1效率η的极限3能量转换效率η:ocscinVIFFP为获得较高的转换效率，需要增加Voc、Isc和FF。172.0lnocococvvvFF）（令,ocockTqVv当voc10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。45.1.1短路电流Isc0,xGNe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。00INhf,LehIqAGLWL理想情况下:scLII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：5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。6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。675.1.2开路电压和效率开路电压：0ln1LocIkTVqI为提高Voc，需降低I0:220=eihiehqDnqDnIALL目前还没有明确得到限制Voc的基本因素。8获得Voc上限的方法可将上式中的每个参数赋予合适的值。220=eihiehqDnqDnIALL对于硅，Voc最大值约为700mV，相应的FF为0.84。50=1.510expgEIkT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。9禁带宽度Eg减小Voc减小10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11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。125.4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%。135.2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IscVoc光吸收增加FF14温度对开路电压的影响短路电流Isc和开路电压Voc的关系：1e/0scockTqVIIpn结两边的I0的方程为kTATIg0-E0e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。g0scocsc0ln1lnnlnqVIkTkTVIlATqIqkT假设dVoc/dT不受dIsc/dT的影响，则式中。g0g0qVEqkTVVTV--ddg0ococ随着温度T的增加，Voc减小。15温度对开路电压的影响15oocd2.2mV/CdVT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，ocd12.20.004/Cd600ocVVT16温度对短路电流的影响16C/0006.0ddI1scscTI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C/0015.06/1dd1dd1ococTTVVTFFFFC/0.005~0.004dd1dd1dd1dd1SCSCOCocmmTIITFFFFTVVTPP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175.3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。185.3.1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195.3.2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：20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：//2sc0e1e1qVkTqVkTwIII或者写成：/0e1qVnkTII式中：max002iwehqAnkTIqE相当于增加了I0Voc降低215.3.3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221.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，n1，则voc变为,ococnkTqVv同样的，当voc10时，有：172.0lnocococ0vvvFF）（232.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。24串联电阻(SeriesResistance)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：smpCHsmpsocscmpsmpmpmpmp2mpmpmpmp1111'rPRRPRVIPRVIIVRIIVPs式中：。CHssCHRRrIVR,scoc假设Rs没有改变Isc，则填充因子FF为：)1(0srFFFF提高输出功率需要减小rs。25随着串联电阻Rs的增加，FF减小。26分流电阻（ShuntResistance）26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。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：oc0sh0ocsh0.71vFFFFFFvr2727随着分流电阻Rsh的减小，FF减小。28串联电阻和分流电阻共同作用28oc00ocsh0.71vFFFFFFvr当串联电阻和分流电阻都很重要时，填充因子为：式中FF0’为：00(1)sFFFFrFF0为无寄生电阻时的理想填充因子。295.4效率测量29方法一：利用功率计测量入射光的功率Pin，电池最大输出功率Pm。问题：1.电池性能与阳光光谱有关；2.功率计存在误差。方法二：以标定过的参考电池为基准，测量待测电池的性能。条件：1.两块电池的光谱响应一致；2.测试光源的光谱成分与标准光源光谱成分接近。同种半导体材料，相似生产工艺；30光源四点接触法，消除测试线中的串联电阻，和探头-电池之间的接触电阻温度电流与电压的测量：AM1.5，自然阳光（模拟）25℃或28℃也可用于光谱响应测量。