应用光伏学太阳能电池的特性.pptx

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1、 3.1.1 理想太阳能电池太阳能电池的结构 太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电的电子器件。入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电压的形式来产生电能。这个过程的发生需要两个条件：首先，被吸收的光要能在材料中把一个电子激发到高能级。第二，处于高能级的电子能从电池中移动到外部电路。在外部电路的电子消耗了能量然后回到电池中。许多不同的材料和工艺都基本上能满足太阳能转化的需求，但实际上，几乎所有的光伏电池转化过程都是使用组成 pn结形式的半导体材料来完成的。2023/4/171第1页/共81页第2页/共81页第3页/共81页第4页/共81页第5页/共81页 3.1.1 理想太阳能电池太阳能电池的结

2、构太阳能电池的横截面减反射膜前端接触电极前端接触电极发射区发射区基区基区背接触电极背接触电极电子空穴对电子空穴对第6页/共81页 太阳能电池运行的基本步骤：光生载流子的产生光生载流子聚集成电流产生跨越太阳能电池的高电压能量在电路和外接电阻中消耗2023/4/177 3.1.1 理想太阳能电池太阳能电池的结构第7页/共81页 3.1.2 理想太阳能电池光生电流 在太阳能电池中产生的电流叫做“光生电流”，它的产生包括了两个主要的过程。第一个过程是吸收入射光子并产生电子空穴对。电子空穴对只能由能量大于太阳能电池的禁带宽度的光子产生。2023/4/178 第二个过程是pn结通过对这些光生载流子的收集，

3、即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。pn结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果用一根导线把发射区跟基区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外部电路。第8页/共81页2023/4/179动画展示了短路情况下的理想电流。如果要阻止复合并对电流有贡献的话，必须通过 pn结 的 收集。3.1.2 理想太阳能电池光生电流第9页/共81页 “收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生的载流子被pn结收集并参与到电流流动的概率。它的大小取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。1.在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。2.

4、在远离电场的区域，其收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域产生时，那么它的收集概率是相当低的。相似的，如果载流子是在靠近电池表面这样的高复合区的区域产生，那么它将会被复合。3.1.3 理想太阳能电池收集概率第10页/共81页 3.1.3 理想太阳能电池收集概率前端表面前端表面在高复合率的情况下，在高复合率的情况下，其表面的收集概率很低。其表面的收集概率很低。低扩散长度的太阳能电池。电池中距离表面的距离电池中距离表面的距离弱钝化的太阳弱钝化的太阳能电池能电池强钝化的太阳能强钝化的太阳能电池电池在耗散区的收集概率相同背表面背表面收收集集概概率率下面的图描述了表面钝化和扩散长度对收

5、集概率的影响。第11页/共81页收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小。光生电流大小等于电池各处的载流子生成速率乘以该处的收集概率。下面是硅在光照为AM1.5下光生电流的方程，包括了生成率和收集概率。2023/4/1712 3.1.3 理想太阳能电池收集概率第12页/共81页2023/4/1713 在在AM1.5光谱下硅片中的载流子生成率。注意，光谱下硅片中的载流子生成率。注意，电池表电池表面面的生成率是的生成率是最高最高的，因此电池对表面特性是很敏感的。的，因此电池对表面特性是很敏感的。3.1.3 理想太阳能电池收集概率第13页/共81页 上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子

6、生成率。波长0.45m的蓝光拥有高吸收率，为 cm-1，也因此它在非常靠近顶端表面处被吸收。波长0.8m的红光的吸收率 cm-1，因此其吸收长度更深一些。1.1m红外光的吸收率为 cm-1，但是它几乎不被吸收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。3.1.3 理想太阳能电池收集概率归归一一化化的的E-H对对生生成成率率第14页/共81页 3.1.3 理想太阳能电池收集概率 电电池池各各区区域域截截流流子子的的收收集集概概率率是是不不一一致致。例例如如，表表面面的的收收集集概概率率低低于于其其他他部部分分的的收收集集概概率率。蓝蓝光光在在硅硅表表面面的的零零点点几几微微米米处处几几乎乎被被全全部部吸

7、吸收收。因因此此，如如果果顶顶端端表表面面的的收收集集概概率率非非常常低低的的话话，入入射射光光中中蓝蓝光光将将不不对对光生电池做出贡光生电池做出贡献。献。收集概率收集概率生成率生成率在电池中的距离在电池中的距离第15页/共81页所谓“量子效率”，即太阳能电池所收集的载流子的数量与入射光子的数量的比例。如果某个特定波长的所有光子都被吸收，并且其所产生的少数载流子都能被收集，则这个特定波长的所有光子的量子效率都是相同的。而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。下图将描述理想太阳能电池的量子效率曲线。2023/4/1716 3.1.4 理想太阳能电池量子效率第16页/共81页 3.1.4 理想太阳

8、能电池量子效率总量子效率的减小是由反射效应和总量子效率的减小是由反射效应和过短的扩散长度引起的。过短的扩散长度引起的。理想量子理想量子效率曲线效率曲线能量低于禁带宽度的光能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以长波不能被吸收，所以长波长的量子效率为零。长的量子效率为零。量量子子效效率率前端表面复合导致蓝光响应的减小。前端表面复合导致蓝光响应的减小。红光响应的降低是由于背表红光响应的降低是由于背表面反射、对长波光的吸收的面反射、对长波光的吸收的减少和短扩散长度减少和短扩散长度 下下图图为为硅硅太太阳阳能能电电池池的的量量子子效效率率。通通常常，波波长长小小于于350nm的的光光子子的的量量子子效效率

9、率不不予予测测量量，因因为为在在1.5大大气气质质量量光光谱谱中，这些短波的光所包含能量很小。中，这些短波的光所包含能量很小。第17页/共81页 尽管理想的量子效率曲线是矩形的（如上图），但是实际上几乎所有的太阳能电池的都会因为复合效应而减小。影响收集效率的因素同样影响着量子效率。例如:顶端表面钝化会影响靠近表面的载流子的生成，蓝光是在非常靠近表面处被吸收的，所以顶端表面的高复合效应会强烈地影响蓝光部分量子效率。绿光能在电池体内的大部分被吸收，但是电池内过低的扩散长度将影响收集概率并减小光谱中绿光部分的量子效率。2023/4/1718 3.1.4 理想太阳能电池量子效率第18页/共81页 硅太

10、阳能电池中，“外部”量子效率：包括光的损失，如透射和反射。“内部”量子效率：指的是那些没有被反射和透射且能够产生可收集的载流子的光的量子效率。通过测量电池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲线并得到内部量子效率。2023/4/1719 3.1.4 理想太阳能电池量子效率第19页/共81页 “光谱响应”在概念上类似于量子效率。量子效率描述的是电池产生的光生电子数量与入射到电池的光子数量的比，而光谱响应指的是太阳能电池产生的电流大小与入射能量的比例。下图将描述一光谱响应曲线。2023/4/1720理想的光谱响应理想的光谱响应硅太阳能电池的响应曲线硅太阳能电池的响应曲线能量低于禁带宽度的能量低于禁带

11、宽度的光不能被吸收，所以光不能被吸收，所以在长波长段的光谱响在长波长段的光谱响应为零。应为零。光光谱谱响响应应 3.1.5 理想太阳能电池光谱响应短波长的光子的能量很高，导致光子与能量的比例下降。因高光子能量的不能完全利用，所以光谱响应随着波长减小而下降。第20页/共81页 光子的能量中，所有超出禁带宽度的部分都不能被电池利用，而是只能加热电池。在太阳能电池中，高光子能量的不能完全利用以及低光子能量的无法吸收，导致了显著的能量损失。光谱响应是非常重要的量，因为只有测量了光谱响应才能计算出量子效率。公式如下：2023/4/1721 3.1.5 理想太阳能电池光谱响应SR（光谱响应）（光谱响应）第

12、21页/共81页 被收集的光生载流子并不是靠其本身来产生电能的。为了产生电能，必须同时产生电压和电流。在太阳能电池中，电压是由所谓的“光生伏打效应”过程产生的。2023/4/1722 3.1.6 理想太阳能电池光伏效应第22页/共81页耗尽区：由N指向P的漂移电流第23页/共81页第24页/共81页在耗尽区外：光照产生的电子空穴对，由于没有内建电场的作用，并且多子浓度基本上不受光照效应的影响，所以在光照下，少子浓度增加，会产生的扩散电流。l P区内：由于耗尽层靠近P区边缘的电子浓度较低，所以P区内光照产生的光生电子（少子）会扩散进入耜尽区，再流入N型区，光生空穴（多子）留在P区；l N区内：光

13、照产生的光生空穴（少子）会扩散进入耜尽层，进而再流入P型区，光生电子（多子）留在N区。这样便在P-N结两侧形成了正、负电荷的积累，使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴，从而形成与内建电场方向相反的光生电场。第25页/共81页耗尽层内的漂移电流（NP），P区内产生的电子扩散电流（PN）和N区内产生的空穴扩散电流（NP）的总和就是所说的“光生电流”，也就是短路电流。其流向与PN结正向偏压下的电流流向相反。第26页/共81页 3.1.6 理想太阳能电池光伏效应l 光生电场除了部分抵消内建电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生了电动势，这就是光生伏打效应。因为内建电

14、场代表着对多数载流子扩散电流的障碍，所以电场减小的同时也增大扩散电流，这就抵消了部分的光电流。穿过pn结的电压将达到新的平衡。流出电池的电流大小就等于光生电流与扩散电流的差。第27页/共81页 3.1.6 理想太阳能电池光伏效应l 在电池开路的情况下，pn结的正向偏压处在新的一点，此时，光生电流大小等于扩散电流大小，且方向相反，即总的电流为零。当两个电流达到平衡时的电压叫做“开路电压Voc”。l 对晶体硅电池来说，开路电压的典型型为0.50.6V。l 如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称为短路电流 Isc.第28页/共81页下面动画展示了载流子分别在短路和

15、开路情况下的流动情况。2023/4/1729 动画显示了太阳能电池分别在热平衡、短路和开路下的载流子运动状态。请注意不同情况下，流过pn结的电流的不同。1、在热平衡下（光照为零），扩散电流和漂移电流都非常小。2、电池短路时，pn结两边的少数载流子浓度以及由少数载流子决定大小的漂移电流都将增加。3、在开路时，光生载流子引起正向偏压，因此增加了扩散电流。因为扩散电流和漂移电流的方向相反，所以开路时电池总电流为零。3.1.6 理想太阳能电池光伏效应第29页/共81页 3.2.1 太阳能电池的参数 电池的伏安曲线动画展示了光对一个动画展示了光对一个pn结的结的电流电压特性的影响。电流电压特性的影响。没

16、有光照时，太阳能电池与普没有光照时，太阳能电池与普通二极管的电性能没什么不同。通二极管的电性能没什么不同。点击继续点击继续太阳能电池的伏安曲线是电池二极管在黑暗时的伏安曲线与光生电流的叠加。光的照射能使伏安曲线移动到第四象限，意味着能量来自电池。第30页/共81页 3.2.1 太阳能电池的参数 电池的伏安曲线用光照射电池并加上二极管的暗电流，则二极管的方程变为：2023/4/1731式中IL为光生电流。第一象限的伏安曲线方程为：接下来的几节将讨论几个用于描述太阳能电池特性的重要参数。短路电流（ISC），开路电压（VOC），填充因子（FF）和转换效率都可以从伏安曲线测算出来的重要参数。第31页/

17、共81页 3.2.2 太阳能电池的参数短路电流 短路电流是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流（或者说电池被短路时的电流）。通常记作ISC。2023/4/1732太阳能电池的伏安曲线太阳能电池的伏安曲线短路电流短路电流ISC是电池流出的最是电池流出的最大电流，此时穿过电池的电大电流，此时穿过电池的电压为零。压为零。电池产生的电能 短短路路电电流流源源于于光光生生载载流流子子的的产产生生和和收收集集。对对于于电电阻阻阻阻抗抗最最小小的的理理想想太太阳阳能能电电池池来来说说，短短路路电电流流就就等等于于光光生生电电流流。因因此此短短路路电电流流是是电电池池能能输输出出的最大电流。的最大电流。第3

18、2页/共81页硅的禁带宽度约为硅的禁带宽度约为1.1eV，相应的波长是，相应的波长是1.13um。第33页/共81页禁带宽度减小使能禁带宽度减小使能够产生电子空穴够产生电子空穴对的光子数目增多。对的光子数目增多。第34页/共81页 短路电流的大小取决于以下几个因素：太阳能电池的表面积。要消除太阳能电池对表面积的依赖，通常需改变短路电流强度（JSC单位为mA/cm2）而不是短路电流。硅在光照为AM1.5下光生电流的方程2023/4/1735 3.2.2 太阳能电池的参数短路电流第35页/共81页 短路电流的大小取决于以下几个因素：光子的数量（即入射光的强度）。电池输出的短路电流ISC的大小直接取

19、决于光照强度（在入射光强度一节有讨论）。入射光的光谱。测量太阳能电池是通常使用标准的1.5大气质量光谱。电池的光学特性（吸收和反射）（光学损耗一节有讨论）电池的收集概率，主要取决于电池表面钝化和基区的少数载流子寿命。2023/4/1736 3.2.2 太阳能电池的参数短路电流第36页/共81页在比较相同材料的两块太阳能电池时，最重要的参数是扩散长度和表面钝化。对于表面完全钝化和生成率完全相同的电池来说，短路电流方程近似于：JSC=qG(Ln+Lp)式中G代表生成率，而Ln和Lp分别为电子和空穴的扩散长度。从这个方程看出，短路电流很大程度上取决于生成率和扩散长度。在AM1.5大气质量光谱下的硅太

20、阳能电池，其可能的最大电 流 为 46mA/cm2。实 验 室 测 得 的 数 据 已 经 达 到42mA/cm2，而 商 业 用 太 阳 能 电 池 的 短 路 电 流 在 28到35mA/cm2之间。2023/4/1737 3.2.2 太阳能电池的参数短路电流第37页/共81页 开路电压VOC是太阳能电池能输出的最大电压，此时输出电流为零。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的正向偏压。开路电压如下图伏安曲线所示。2023/4/1738 3.2.3 太阳电池的参数开路电压开路电压是太阳能电池的开路电压是太阳能电池的最大电压，即净电流为零最大电压，即净电流为零时的电压。时的电压。第38页

21、/共81页 上述方程显示了VOC取决于太阳能电池的饱和暗电流和光生电流。增加光生电流、减少饱和暗电流可提高开路电压。短路电流与入射光强成正比，开路电压与入射光强的对数成正比。所以增加入射光强，可增大开路电压。2023/4/1739 3.2.3 太阳电池的参数开路电压 通过把输出电流设置成零，便可得到通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路电太阳能电池的开路电压方程：压方程：第39页/共81页但由于短路电流的变化很小，而饱和暗电流的大小可以改变几个数量级，所以主要影响是饱和电流。饱和电流I0主要取决于电池的复合效应。当 ，即：少子寿命无 限长，复合率趋于零时，饱和暗电流将趋于零。最小暗饱

22、和电流与禁带宽度之间关系的经验公式：Eg减小Isc增大，但Voc减小。2023/4/1740 3.2.3 太阳电池的参数开路电压太阳能电池的开路电压方程：太阳能电池的开路电压方程：第40页/共81页存在一个最佳的半导体禁带宽度，可使效率达到最高。第41页/共81页在太阳能电池的伏它特性中，习惯上把光生电流JL的方向作为电流的正方向。伏安特性曲线中，电压V在0VOC之间时，电压V和电流J的乘积为正值，表明太阳能电池产生电能；当V0，电压V和电流J的乘积为负值，器件消耗功率。实验室测得的硅太阳能电池在AM1.5光谱下的最大开路电压能达到720mV，而商业用太阳 能 电 池 通 常 为600mV。第

23、42页/共81页 短路电流和开路电压分别是太阳能电池能输出的最大电流和最大电压。然而，当电池输出状态在这两点时，电池的输出功率都为零。“填充因子”，通常使用它的简写“FF”，是由开路电压VOC和短路电流ISC共同决定的参数，它决定了太阳能电池的输出效率。填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路VOC和ISC的乘积的比值。2023/4/1743 3.2.4 太阳能电池的参数填充因子第43页/共81页 3.2.4 太阳能电池的参数填充因子输输出出电电流流（红红线线）和和功功率率的的（蓝蓝线线）图图表表。同同时时标标明明了了电电场场的的短短路路电电流（流（ISC）点、开路电压（）点、开路电压（VOC

24、）点以及最大功率点（）点以及最大功率点（Vmp，Imp）。）。从图形上看，FF就是能够占据IV曲线区域最大的面积。小长方形面积，表征最大功率ImVm，大长方形面积，表征ISCVOC。FF表征两个长方形面积的接近程度。对有适当效率的电池来说，对有适当效率的电池来说，FF的值在的值在0.70.85之间。之间。第44页/共81页要计算电池的FF可以对电池的功率进行求导，令其值为零，便可找出功率最大时的电压电流值了。即：d（IV）/dV=0 并给出：2023/4/1745 3.2.4 太阳能电池的参数填充因子然而，单从上面的步骤并不能得出一个简单或近似的方程。上面的方程只与VOC和Vmp有关，所以还需

25、要额外的能求出Imp和FF的方程。第45页/共81页 1、上述方程显示了电池的开路电压越高，填充因子就越大。然而，材料相同的电池的开路电压，它们的变化也相对较小。例如，(At one sun)在一个AM1.0下，实验室硅太阳能电池 和 典 型 的 商 业 硅 太 阳 能 电 池 的 开 路 电 压 之 差 大 约 为120mV，填充因子分别为0.85和0.83.然而，不同材料的电池的填充因子的差别则可能非常大。例如，GaAs太阳能电池的填充因子能达到0.89。2023/4/1746 3.2.4 太阳能电池的参数填充因子一个比较常使用的一个比较常使用的经验方程经验方程是：是：规定 ，为规一化的开

26、路电压第46页/共81页 2、上述方程还说明了理想因子（也叫n因子）的重要性。理想因子是描述pn结质量和电池的复合类型的测量量。对于复合类型那一节所讨论的简单的复合来说，n的值为1。然而对于其它特别是效应很强的复合类型来说，n的值应该为2。大的n值不仅会降低填充因子，还会因为高复合效应而降低开路电压。2023/4/1747 3.2.4 太阳能电池的参数填充因子规定 ，为规一化的开路电压第47页/共81页3、上述方程中一个重要的限制是，它求出的只是最大填充因子，然而实际上因为电池中寄生电阻的存在，填充因子的值可能会更低一些。因此，测量填充因子最常用的方法还是测量伏安曲线，即最大功率除以开路电压与

27、短路电流的乘积。FF=VmpImp/（VOCISC）2023/4/1748 3.2.4 太阳能电池的参数填充因子FF是衡量太阳能电池输出特性好坏的重要指标。在一定光谱辐照 度下，FF越大，曲线愈方，输出功率也越高。第48页/共81页2023/4/1749 发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。效率定义为电池输出的电能与射入电池的光能的比例。除了反映太阳能电池的性能之外，效率还决定于入射光的光谱和光强以及电池本身的温度。所以在比较两块电池的性能时，必须严格控制其所处的环境。（1）测量陆地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度25C。（2）空间太阳能电池的光照则为AM0。3.2.5 太阳

28、能电池的参数 效 率第49页/共81页2023/4/1750计算电池效率的方程：Pmax=VOCISC FF,=Pmax/Pin=VOCISC FF/Pin 3.2.5 太阳能电池的参数 效 率第50页/共81页直线斜率的倒数就是直线斜率的倒数就是特征电阻。特征电阻。太阳能电池的特征电阻就是指电池在输出最大功率时的输出电阻。此参数在分析电池特性，特别是研究寄生电阻损失机制时非常重要。2023/4/1751图上的公式还可代之以：RCH=VOC/ISC 3.3.1 电阻效应 太阳能电池的特征电阻第51页/共81页 电池的电阻效应以在电阻上消耗能量的形式降低了电池的效率。其中最常见的寄生电阻为串联电

29、阻和并联电阻。52 在在大大多多数数情情况况下下，寄寄生生电电阻阻对对电电池池的的最最主主要要影影响响是是减减小小填填充因子充因子。在在太太阳阳能能电电池池中中，电电阻阻的的单单位位是是cm2 2。由由欧欧姆姆定定律律可可以以求求出出单单位面积的阻值，位面积的阻值，R（cm2 2）=V/J。3.3.2 电阻效应 寄生电阻效应电池等效电路第52页/共81页 太阳能电池中，引起串联电阻的因素有：制造电池的半导体材料的体电阻、电极和互联金属的电阻，以及电极和半导体之间的接触电阻。2023/4/1753 3.3.3 电阻效应串联电阻串联电阻对电池的主要影响是减小填充因子，此外，当阻值过大时还会减小短路

30、电流。但对开路电压无影响。下画描述了串联电阻对伏安曲线的影响。与特性电阻RCH相比，如果RS很小，则对FF就几乎没有影响。第53页/共81页 串联电阻并不会影响到电池的开路电压，因为此时电池的总电流为零，所以串联电阻也为零。然而，在接近开路电压处，伏安曲线会受到串联电阻的强烈影响。一种直接估计电池的串联电阻的方法是找出伏安曲线在开路电压处的斜率。2023/4/1754 3.3.3 电阻效应串联电阻第54页/共81页计算太阳能电池的最大功率的方程如下：2023/4/1755 3.3.3 电阻效应串联电阻若定义 为规一化（normalized）串联电阻，第55页/共81页 假设开路电压和短路电流没

31、有受到串联电阻的影响，则可以算出串联电阻对填充因子的影响：在上述方程中，把没有受串联电阻影响的填充因子FF用符号FF0表示，而FF则用FFs代替。则方程改为：而下面以实验为基础的方程能更加精确地表示FF0与FFS之间的关系：FFs=FF0（1-1.1rs）+r2s/5.4 此 式 在 rs10时有效。2023/4/1756 3.3.3 电阻效应串联电阻第56页/共81页 并联电阻RSH通常是由于制造缺陷引起的。它的主要来源为：PN结漏电，包括绕过电池边缘的漏电及由于结区存在晶体缺陷和外来杂质的沉淀物所引起的内部漏电。2023/4/1757 3.3.4 电阻效应并联电阻并联电阻对电池的主要影响是

32、减小填充因子，此外，当阻值过小时还会减小开路电压。但对短路电流无影响。下画描述了并联电阻对伏安曲线的影响。与特性电阻RCH相比，如果RSH很大，则对FF就几乎没有影响。第57页/共81页2023/4/1758通通过过测测量量伏伏安安曲曲线线在在接接近近短短路路电电流流处处的的斜斜率率可可以以估估算算出出电电池池内并联电阻的值。内并联电阻的值。3.3.4 电阻效应并联电阻并联电阻以分流的形式造成功率损失。在光强很低的情况下，并联电阻对电池的影响最大，因为此时电池的电流很小。第58页/共81页 计算并联电阻对填充因子的影响与计算串联电阻对填充因子的影响时所使用的方法相似。即最大功率近似等于无并联电

33、阻时的功率减去并联电阻所消耗的功率。方程如下：2023/4/1759 这里把这里把rsh=Rsh/RCH定义为定义为规一化的并联电阻。规一化的并联电阻。3.3.4 电阻效应并联电阻第59页/共81页 我们假设开路电压和短路电流都没有受并联电阻的影响，则可计算出并联电阻对填充因子的影响：同样，对没有被并联电阻影响的填充因子，我们用FF0表示，而FF则改用FFsh表示：FFsh=FF0（1-1/rsh）下面将列出更加精确的以实验为基础的方程 60此方程在此方程在rsh0.4时有效时有效 3.3.4 电阻效应并联电阻第60页/共81页 当并联电阻和串联电阻同时存在时，太阳能电池的电流与电压的关系为：

34、61 而电池的等效电路图为：而电池的等效电路图为：3.3.5 电阻效应串、并联电阻的共同影响式中IL为光生电流。）（第一象限的伏安曲线方程为：第61页/共81页第62页/共81页 上式中FFs=FF0（1-1.1rs）+r2s/5.4 则将上面的方程结合后得到FF：2023/4/1763 3.3.5 电阻效应串、并联电阻的共同影响结合串联电阻和并联电阻的影响，总的方程为结合串联电阻和并联电阻的影响，总的方程为：第63页/共81页 像所有其它半导体器件一样，太阳能电池对温度非常敏感。温度的升高降低了半导体的禁带宽度，因此影响了大多数的半导体材料参数。可以把半导体的禁带宽度随温度的升高而下降看成是

35、材料中的电子能量的提高。因此破坏共价键所需的能量更低。在半导体禁带宽度的共价键模型中，价键能量的降低意味着禁带宽度的下降。2023/4/1764 3.4.1 其他效应温度效应第64页/共81页 3.4.1 其他效应温度效应 在太阳能电池中，受温度影响最大的参数是开路电压。温度的改变对伏安曲线的影响如下图所示。短短路路电电流流ISC提提 高高 幅幅度很小度很小温温 度度 较较 高高的电池的电池开路电压开路电压Voc下降幅度大下降幅度大1、开路电压随温度的升高而、开路电压随温度的升高而减小；减小；2、短路电流随温度的升高略、短路电流随温度的升高略有增加。有增加。第65页/共81页 1、开路电压随着

36、温度而减小是因为I0对温度的依赖。关于pn结两边的I0的方程如下：式中，q为一个电子的电荷量；D为硅材料中少数载流子的扩散率；L为少数载流子的扩散长度；ND为掺杂率；ni为硅的本征载流子浓度。在上述方程中，许多参数都会受温度影响，其中影响最大的是本征载流子浓度ni。本征载流子浓度决定于禁带宽度（禁带宽度越低本征载流子浓度越高）以及载流子所拥有的能量（载流子能量越高浓度越高）。2023/4/1766 3.4.1 其他效应温度效应第66页/共81页 3.4.1 其他效应温度效应关于本征载流子的方程为：式中，T表示温度，h和k都是常数，me和mh分别是电子和空穴的有效质量；EG0为禁带宽度，B是也是

37、一个常数，但基本不受温度影响。把这个方程带回到求解电流的方程中，并假设温度对其它参数的影响忽略不计，则：第67页/共81页2023/4/1768 式中B为一个不受温度影响的常数。常数，被用来代替数字3以把其它参数可能受温度的影响包括进去。对于温度接近于室温的硅太阳能电池来说，温度每升高1010C，I0将升高将近一倍。把上述方程代入到VOC的方程中，便可计算出I0 0对开路电压的影响。3.4.1 其他效应温度效应 其中，其中，VG0=EG0/q。第68页/共81页2023/4/1769 此此方方程程显显示示，随随着着温温度度升升高高，太太阳阳能能电电池池的的开开路路电电压压线线性的减小。即电池的

38、电压越性的减小。即电池的电压越大大，受温度的影响就越，受温度的影响就越小小。对对于于硅硅，EG0为为1.2eV，取取=3，则则开开路路电电压压的的变变化化为为大大约约2.2mV/C。3.4.1 其他效应温度效应我们假设dVOC/dT不受dISC/dT的影响，则第69页/共81页 3.4.1 其他效应温度效应3、同时，、同时，硅电池的填充因子硅电池的填充因子FF受温度的影响为：受温度的影响为：2、当当温温度度升升高高时时，短短路路电电流流ISC会会轻轻微微地地上上升升，因因为为当当禁禁带带宽宽度度EG减减小小时时，将将有有更更多多的的光光子子有有能能力力激激发发电电子子空空穴穴对对。然然而而，这

39、这种种影影响响是是很很小小的的，下下面面的的方方程程说说明明硅硅太太阳阳能能电电池池中中短短路路电电流流受温度影响程度受温度影响程度：第70页/共81页而温度对最大输出功率Pm的影响为：2023/4/1771 南南极极洲洲，正正在在测测量量太太阳阳能能电电池池的的效效率率。太太阳阳能能电电池池喜欢阳光明媚寒冷天气。喜欢阳光明媚寒冷天气。3.4.1 其他效应温度效应第71页/共81页 改变入射光的强度将改变所有太阳能电池的参数，包括短路电流、开路电压、填充因子FF、转换效率以及并联电阻和串联电阻对电池的影响。通常用多少个太阳来形容光强，比如一个太阳就相当于AM1.5大气质量下的标准光强，即1KW

40、/m2。如果太阳能电池在功率为10KW/m2的光照下工作，也可以说是在10个太阳下工作，或10X。被设计在一个太阳下工作的电池板叫“平板电池”，而那些使用聚光器的电池叫“聚光太阳能电池”。2023/4/1772 3.4.2 其他效应光强效应第72页/共81页 3.4.2 其他效应光强效应聚光对太阳能电池的伏安特性的影响。聚光对太阳能电池的伏安特性的影响。短路电流短路电流ISC随着随着聚光呈线性上升聚光呈线性上升FF可能会因串联可能会因串联电阻的上升而下降电阻的上升而下降开路电压随光强呈开路电压随光强呈对数上升对数上升第73页/共81页 聚光太阳能电池 聚光太阳能电池是一种在光强大于一个太阳的光

41、照下工作的太阳能电池。入射太阳光被聚焦或透过光学器件形成高强度的光束射到小面积的太阳能电池中。聚光太阳能电池有几个潜在的优势，包括比平板太阳能电池更高的转换效率和更低的成本。2023/4/1774 3.4.2 其他效应光强效应1、更高的转换效率：电池的短路电流大小与光的强度成线性关系，因此在10个太阳照射下的电池短路电流是在一个太阳照射下的十倍。然而，这种改变并没有带来转换效率的提升，因为入射功率也随光强呈线性提高。第74页/共81页 相反，由于开路电压与短路电流呈对数关系，转换效率得以提升。因此，在聚光条件下，VOC随着光强上升呈对数形式增加，如下式所示：2023/4/1775式中式中X代表

42、入射光的强度。代表入射光的强度。3.4.2 其他效应光强效应 2、更低的成本：因为只需小面积的太阳能电池，所以聚光太阳能电池系统的成本比功率相同的平板太阳能电池系统要低。第75页/共81页聚光电池的效率优势可能会因串联电阻的增加而有所下降，因为短路电流成线性增加，同时电池的温度也迅速上升。串联电阻造成的能量损失大小与光强的平方成正比。低光强在光强变低时，并联电阻对电池的影响将慢慢变大。分流到并联电阻的电流将增加，即增加了并联电阻的能量损失。结果是，在多云的天气下，并联电阻高的太阳能电池能比并联电阻低的太阳能电池保留更大部分的电流。2023/4/1776 3.4.2 其他效应光强效应第76页/共

43、81页 测量太阳能电池性能最常用最基本的方式是，在精确控制的光源照射下测量电池的伏安曲线，并严格控制电池的温度。下图展示了测量伏安曲线的装置。2023/4/1777测试IV曲线的装置原理图光源接近光源接近AM1.5光源由计算机控制光源由计算机控制温度控制试验台把电池温度控制在温度控制试验台把电池温度控制在25 3.5.1 太阳能电池的测量/测试第77页/共81页2023/4/1778 因因为为太太阳阳能能电电池池对对光光强强和和温温度度都都很很敏敏感感，所所以以在在测测试试的的时时候候这这种种条条件件都都需需要要仔仔细细控控制制。对对于于光光源源：光光谱谱和和光光强强这这两两个个数数据据都都要

44、要知知道道，并并且且要要控控制制在在标标准准AM1.5光光谱谱上上。世世界界上上有有几几个个实实验验室室专专门门从从事事对对太太阳阳能能电电池池的的测测量量，只只有有从从这这些些实实验验室室测测量量出的结果才能被认为是官方的结果。出的结果才能被认为是官方的结果。3.5.1 太阳能电池的测量/测试第78页/共81页而非正规的测量将使用控制精度较低的光源，并利用参考电池来校对光源。所谓参考电池，即电气性能和光学性能都尽可能与与被测电池相近，并且已经在标准光源下测试过的太阳能电池。电气性能和光学性能的相近能保证两个电池的光谱响应能很好的匹配。如果参考电池的输出电流被设置成在标准光源下的测量电流，那么被测电池的输出电流将与在标准AM1.5光谱下的测量结果大小相当。2023/4/1779 3.5.1 太阳能电池的测量/测试第79页/共81页四点探针是用来消除测试线中的串联电阻，和探头-电池之间的接触电阻的影响的器材。此外，被测电池经冷却使温度保持在25C。2023/4/1780 3.5.1 太阳能电池的测量/测试第80页/共81页感谢您的观看。第81页/共81页