太阳能电池的等效电路和转化效率理论上限

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,三、太阳能电池的等效电路,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,I,ph,（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=I,F,-I,L,=I,s,exp(qV/kT)-1-I,L,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,R,s,和,R,sh,的影响。其中，,R,s,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。,R,sh,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。,下面我们来分析一下串联电阻,R,s,和漏电电阻,R,sh,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，,I,L,较小，二极管电流和漏电流大小相差不多，此时，,R,sh,的影响较大。,I=I,L,-I,s,exp(qV/kT)-1-V/R,sh,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,R,sh,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/cm,2,),，并假设,V,oc,=0.51V,，,J,sc,=30 mA/cm,2,，,R,s,=0,。,当光照较强时，二极管电流远大于漏电电流，此时，,R,sh,对光电池的影响较小，而相反的，,R,s,的影响就变大起来。,I=I,L,-I,s,expq(V+R,s,I)/kT-1,右图给出了,R,s,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,R,s,有着较大的变化，并且,R,s,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/cm,2,),，并假设,V,oc,=0.51V,，,J,sc,=30 mA/cm,2,，,R,sh,=,。,四、太阳能电池转换效率的理论上限,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：,=,V,oc,I,sc,FF,P,in,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,V,oc,、短路电流,I,sc,和填充因子,FF,的最大值。,下面我们就来分别考虑开路电压,V,oc,、短路电流,I,sc,和填充因子,FF,的最大值。,短路电流,I,sc,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)/E,g,(eV),而其余部分的光子，因其能量,h,大于材料的禁带宽度,E,g,，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,E,g,有关，其计算结果如图所示。,在,AMO,和,AM1.5,光照射下的最大短路电流值。,开路电压,V,oc,的考虑：,开路电压,V,oc,的最大值，在理想情况下有下式决定：,V,oc,=,kT,q,ln,(,I,L,I,s,+1),式中,I,L,是光生电流，在理想情况即为上图所对应的最大短路电流。,I,s,是二极管反向饱和电流，其满足：,I,s,=Aq(D,n,/L,n,N,A,+D,p,/L,p,N,D,)n,i,2,n,i,2,=,N,c,N,v,exp(-E,g,/kT,),显然，,I,s,取决于,E,g,、,L,n,、,L,p,、,N,A,、,N,D,和绝对温度,T,的大小，同时也与光电池结构有关。为了提高,V,oc,，常常采用,E,g,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,V,oc,值约,700mV,左右。,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,V,oc,的函数，可用以下经验公式表示：,FF=,U,oc,-ln(U,oc,+0.72),U,oc,+1,U,oc,=V,oc,(kT/q),1/2,这样，当开路电压,V,oc,的最大值确定后，就可计算得到,FF,的最大值。,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。,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。,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%,。,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。,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。,影响开路电压的实际因素：,决定开路电压,V,oc,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，,V,oc,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,10,17,cm,-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,V,oc,值。,（复合中心复合、俄歇复合、直接辐射复合和表面复合？）,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。,