太陽(yáng)能電池效率的極限損失與測(cè)量課件

13.4太陽(yáng)能電池效率的極限、損失與測(cè)量113.4太陽(yáng)能電池效率的極限、損失與測(cè)量1一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限太陽(yáng)能電池的理論效率太陽(yáng)能電池的理論效率由下式?jīng)Q定：當(dāng)入射太陽(yáng)光譜AM0或AM1.5確定以后，其值就取決于開(kāi)路電壓Voc、短路電流Isc和填充因子FF的最大值。下面我們就來(lái)分別考慮開(kāi)路電壓Voc、短路電流Isc和填充因子FF的最大值。2023/8/42一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限太陽(yáng)能電池的理論效率太陽(yáng)能電池一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限1.短路電流Isc的考慮：我們假設(shè)在太陽(yáng)光譜中波長(zhǎng)大于長(zhǎng)波限的光對(duì)太陽(yáng)能電池沒(méi)有貢獻(xiàn)，其中長(zhǎng)波限滿足：而其余部分的光子，因其能量hν大于材料的禁帶寬度Eg，被材料吸收而激發(fā)電子-空穴對(duì)。假設(shè)其量子產(chǎn)額為1，而且被激發(fā)出的光生少子在最理想的情況下，百分之百地被收集起來(lái)。影響因素：面積、光強(qiáng)、溫度光生載流子的定向運(yùn)動(dòng)形成光生電流IL最大光生電流值為：式中Nph(Eg)為每秒鐘投射到電池上能量大于Eg的總光子數(shù)。ILmax=qNph（Eg）2023/8/43一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限1.短路電流Isc的考慮：我們一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限1.短路電流Isc的考慮：在AMO和AM1.5光照射下的最大短路電流值。當(dāng)禁帶寬度減小時(shí)，短路電流密度增加。2023/8/44一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限1.短路電流Isc的考慮：在A一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限2.開(kāi)路電壓Voc的考慮：開(kāi)路電壓Voc的最大值，在理想情況下有下式?jīng)Q定：式中IL是光生電流，Io是二極管反向飽和電流，其滿足：顯然，Io取決于Eg、Ln、Lh、NA、ND和絕對(duì)溫度T的大小，同時(shí)也與光電池結(jié)構(gòu)有關(guān)。為了提高Voc，常常采用Eg大，少子壽命長(zhǎng)及低電阻率的材料，代入合適的半導(dǎo)體參數(shù)的數(shù)值，給出硅的最大Voc值約700mV左右。影響因素：光強(qiáng)、溫度、材料特性

2023/8/45一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限2.開(kāi)路電壓Voc的考慮：開(kāi)路一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限2.開(kāi)路電壓Voc的考慮：飽和電流越小開(kāi)路電壓越大，盡可能使飽和電流小。由將高品質(zhì)電池參數(shù)代入，可得：由上式可看到，開(kāi)路電壓隨著禁帶寬度的減小而減小。而短路電流是隨著寬度的減小而增加，那么總存在一個(gè)最佳禁帶寬度使效率最大。2023/8/46一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限2.開(kāi)路電壓Voc的考慮：飽和一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限2.開(kāi)路電壓Voc的考慮：為什么最高效率比較低？2023/8/47一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限2.開(kāi)路電壓Voc的考慮：為什一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限2.開(kāi)路電壓Voc的考慮：2023/8/48一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限2.開(kāi)路電壓Voc的考慮：20一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限3.填充因子FF的考慮：在理想情況下，填充因子FF僅是開(kāi)路電壓Voc的函數(shù)，可用以下經(jīng)驗(yàn)公式表示：這樣，當(dāng)開(kāi)路電壓Voc的最大值確定后，就可計(jì)算得到FF的最大值。2023/8/49一、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限3.填充因子FF的考慮：在理想世界主要太陽(yáng)電池新紀(jì)錄2023/8/410世界主要太陽(yáng)電池新紀(jì)錄2023/7/3110中國(guó)太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)室最高效率2023/8/411中國(guó)太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)室最高效率2023/7/3111如何進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)前的研究課題，這也就是所謂的高效率化技術(shù)的開(kāi)發(fā)。2023/8/412如何進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)前的研究課題，這也就是二、效率的損失有三種稱之為光學(xué)的損失,其主要影響是降低了光生電流值。(1)硅表面光的反射。由前面學(xué)習(xí)的“光的吸收”可知，反射率在空氣介質(zhì)界面：1、短路電流損失式中n為半導(dǎo)體材料復(fù)數(shù)折射率之實(shí)部，即普通折射率，k是其虛部，稱為消光系數(shù)。2023/8/413二、效率的損失有三種稱之為光學(xué)的損失,其主要影響是降低了光生二、效率的損失1、短路電流損失每種材料的n和k都與入射光之波長(zhǎng)有關(guān)。對(duì)硅來(lái)說(shuō)，其關(guān)系曲線如圖所示。把n、k的結(jié)果代入式中，發(fā)現(xiàn)在感興趣的太陽(yáng)光譜中，超過(guò)30%的光能被裸露硅表面反射掉了。硅折射率的實(shí)部n與虛部k與光子能量的關(guān)系電池厚度對(duì)Isc的影響一般在太陽(yáng)能電池表面鍍有減反膜，及將表面絨面化。一般增加減反膜之后，太陽(yáng)能電池反射減小到10%。2023/8/414二、效率的損失1、短路電流損失每種材料的n和k都與二、效率的損失(2)柵指電極遮光損失c定義為柵指電極遮光面積在太陽(yáng)電池總面積中所占的百分比。對(duì)一般電池來(lái)說(shuō)，c約為4%～15%。1、短路電流損失2023/8/415二、效率的損失(2)柵指電極遮光損失c1、短路電流損失202二、效率的損失1、短路電流損失(3)透射損失：如果電池厚度不足夠大，某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出。這決定了半導(dǎo)體材料之最小厚度。間接帶隙半導(dǎo)體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。2023/8/416二、效率的損失1、短路電流損失(3)透射損失：間接帶隙半導(dǎo)體二、效率的損失短流損失的另外一個(gè)原因是半導(dǎo)體體內(nèi)及表面的復(fù)合，上一章中曾學(xué)到，有效收集區(qū)域只在耗盡區(qū)及兩側(cè)擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)。體內(nèi)其它位置產(chǎn)生的空穴電子對(duì)，很難達(dá)到器件輸出端。1、短路電流損失2023/8/417二、效率的損失短流損失的另外一個(gè)原因是半導(dǎo)體體內(nèi)及表面的復(fù)合二、效率的損失決定光生伏特大小的因素，是在耗盡區(qū)兩邊所堆積的光生非平衡載流子的多少，而非子的多少和復(fù)合速度有關(guān)系。復(fù)合率越大，開(kāi)壓越小。2、開(kāi)路電壓損失2023/8/418二、效率的損失決定光生伏特大小的因素，是在耗盡區(qū)兩邊所堆積的3.填充因子損失當(dāng)考慮串聯(lián)電阻Rs時(shí)：特征電阻:歸一化串聯(lián)電阻:填充因子近似為:當(dāng)考慮并聯(lián)電阻Rsh時(shí)：歸一化并聯(lián)電阻:歸一化的開(kāi)路電壓:填充因子近似為:二、效率的損失2023/8/4193.填充因子損失當(dāng)考慮串聯(lián)電阻Rs時(shí)：特征電阻:歸一化串聯(lián)電例題解：2023/8/420例題解：2023/7/3120例題解：2023/8/421例題解：2023/7/3121例題解：2023/8/422例題解：2023/7/3122例題解：2023/8/423例題解：2023/7/3123例題解：2023/8/424例題解：2023/7/3124提高太陽(yáng)能電池效率的途經(jīng)

在硅太陽(yáng)能電池的制造歷史中已經(jīng)采用過(guò)許多措施來(lái)提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，并且隨著能源的不斷消耗，高效太陽(yáng)能的研究正熱火朝天地進(jìn)行。主要針對(duì)：

1.降低光電子的表面復(fù)合，如降低表面態(tài)等；

2.降低入射光的表面反射，用多種太陽(yáng)光減反射技術(shù)，如沉積減反層、硅片表面織構(gòu)技術(shù)、局部背表面場(chǎng)技術(shù)，最大限度地減少太陽(yáng)光在硅表面的反射；

3.電極低接觸電阻和集成受光技術(shù)，如激光刻槽埋柵技術(shù)和表面濃度擴(kuò)散技術(shù)，使電極接觸電阻低和增加硅表面受光面積。

4.降低P-N結(jié)的結(jié)深和漏電；

5.采用高效廉價(jià)光電轉(zhuǎn)換材料；2023/8/425提高太陽(yáng)能電池效率的途經(jīng)在硅太陽(yáng)能電池的制造歷史中作業(yè)

1.（a）一個(gè)太陽(yáng)電池受到光強(qiáng)為20mW/cm2，波長(zhǎng)為700nm的單色光的均勻照射。如果電池材料的禁帶寬度為1.4eV，問(wèn)相應(yīng)的入射光的光子通量及電池所輸出的短路電流的上限是多少？（b）如果禁帶寬度是2.0eV，那么相應(yīng)的短路電流上限是多少？2.當(dāng)電流受到表1.1中AM1.5入射光照射時(shí)，某電池可得到最大短路電流密度為40

。如果300K時(shí)電池的最大開(kāi)路電壓為0.5V，問(wèn)在此溫度下電池效率的上限是多少？3一電池受到光強(qiáng)為100mW/cm2的單色光均勻照射。300K時(shí)電池的最小飽和電流密度是10-21

。如果單色光的波長(zhǎng)為：（a）450nm,(b)900nm,試分別計(jì)算此溫度下電池將光轉(zhuǎn)換為電能的效率極限，假設(shè)在每一種情況下電子能量都大于材料禁帶寬度。（c）解釋所計(jì)算得出的效率之間的差別。2023/8/426作業(yè)1.（a）一個(gè)太陽(yáng)電池受到光強(qiáng)為20mW/cm2，波長(zhǎng)作業(yè)452023/8/427作業(yè)