太阳能电池的等效电路和转化效率理论上限.pptx

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1、等效电路是描述太阳能电池的最一般方法。1、理想pn结太阳能电池的等效电路 理想pn结太阳能电池可以用一恒定电流源Iph（光生电流）及一理想二极管的并联来表示。其等效电路如左图所示。其电流电压关系满足我们上一节所介绍的方程。I=IF-IL=Isexp(qV/kT)-1-IL第1页/共19页2、pn结太阳能电池的实际等效电路 实际上，pn结太阳能电池存在着Rs和Rsh的影响。其中，Rs是由材料体电阻、薄层电阻、电极接触电阻及电极本身传导电流的电阻所构成的总串联电阻。Rsh是在pn结形成的不完全的部分所导致的漏电流，称为旁路电阻或漏电电阻。这样构成的等效电路如右图所示。第2页/共19页 下面我们来分

2、析一下串联电阻Rs和漏电电阻Rsh对光电池效率的影响。根据图示的电路，对同一个太阳能电池，当入射光强度较弱时，IL较小，二极管电流和漏电流大小相差不多，此时，Rsh的影响较大。I=IL-Isexp(qV/kT)-1-V/Rsh第3页/共19页漏电电阻对光电池输出特性的影响可用右图表示。可以看出，漏电电阻Rsh对光电流的影响较小，而对开路电压的影响较大。入 射 光 功 率 一 定（100 mW/cm2)，并 假 设Voc=0.51V，Jsc=30 mA/cm2，Rs=0。第4页/共19页 当光照较强时，二极管电流远大于漏电电流，此时，Rsh对光电池的影响较小，而相反的，Rs的影响就变大起来。I=

3、IL-Isexpq(V+RsI)/kT-1 右图给出了Rs对光电池输出特性的影响。可以看出光电池的输出特性随着 Rs有着较大的变化，并且Rs对开路电压的影响几乎没有，但对短路电流却有很大的影响。入 射 光 功 率 一 定（100 mW/cm2)，并 假 设Voc=0.51V，Jsc=30 mA/cm2，Rsh=。第5页/共19页四、太阳能电池转换效率的理论上限第6页/共19页1、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：=VocIscFFPin S 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

4、Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大值。第7页/共19页短路电流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：max=1.24(m)/Eg(eV)而其余部分的光子，因其能量h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。在上述理想的假设下，最大短路电流值显然仅与材料带隙Eg有关，其计算结果如图所示。第8页/共19页在 AMO和AM1.5光照射下的最大短路电流值。第9页/共19页开路电压Voc的考虑：开路电压Voc的最大值，在理想情况下有下式决定：Voc=k

5、Tqln(ILIs+1)式中IL是光生电流，在理想情况即为上图所对应的最大短路电流。Is是二极管反向饱和电流，其满足：Is=Aq(Dn/LnNA+Dp/LpND)ni2ni2=NcNvexp(-Eg/kT)显然，Is取决于Eg、Ln、Lp、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（例如对硅单晶片选用0.2欧姆厘米）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。第10页/共19页填充因子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：FF=Uoc-ln(Uoc+0

6、.72)Uoc+1Uoc=Voc(kT/q)1/2 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。第11页/共19页 综合上述结果，可得到作为带隙Eg的函数的最大转换效率，其结果示于下图中。第12页/共19页2、影响太阳能电池转换效率的一些因素 我们前面介绍了太阳能电池转换效率的理论值，这些理论值都是在理想情况下得到的。而太阳能电池在光电能量转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比上述的理论极限效率低。下面以pn结硅电池为例，介绍一些影响太阳能电池转换效率的因素。第13页/共19页光生电流的光学损失：太阳能电池的效率损失中，有三种是属于光学损失，其主要影响是降低了光

7、生电流值。反射损失：从空气（或真空）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。栅指电极遮光损失c：定义为栅指电极遮光面积在太阳能总面积中所占的百分比（见下图）。对一般电池来说，c约为4%-15%。第14页/共19页透射损失：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。如图为对硅和砷化镓的计算结果。第15页/共19页光生少子的收集几率：在太阳能电池内，由于存在少子的复合，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。定义光激发少

8、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。第16页/共19页影响开路电压的实际因素：决定开路电压Voc大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短，Voc也就越低。体复合和表面复合都是重要的。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。（复合中心复合、俄歇复合、直接辐射复合和表面复合？）第17页/共19页除了上述因素外，前面我们介绍过的串联电阻和旁路电阻的影响，以及后面会介绍到的一些因素，导致实际的太阳能电池的转换效率的降低，通过对这些因素的了解，可以作为改进太阳能电池设计及工艺，提高其效率的基础。第18页/共19页感谢您的观看。第19页/共19页