太阳能电池效率极限

1、江西工业工程职业技术学院电子系林梅,江西工业工程职业技术学院电子工程系林梅课件,太阳能电池,工作原理、技术和系统应用,作者：马丁,格林,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,2,第,四讲,效率极限,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,复习,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,1,太阳能发电原理和影响因素,1.1,光的吸收与载流子复合,1.2,光照的影响,1.3,光谱响应,1.4,温度的影响,1.5,寄生电阻的影响,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,1.1,光的吸收与载流子复合,当光照射到半导

2、体材料时，拥有比禁带宽,E,g,还小,的能量,E,ph,的光子与半导体的相互左右极弱，于是,顺利地穿透半导体，就如半导体是透明的一样,然而，能量比带隙能量大的光子,E,gh,E,g,会与形成,共价键的电子相作用，用它自身所具有的能量去破坏,共价键，形成可以自有流动的电子,空穴对,光照时电子,空穴对的产生,E,g,导带,禁带宽,价带,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,光子的能量越高，被吸收的位置就越接近半导体表面,较低能量的光子则在距半导体表面较深处被吸收,光的能量与电子,空穴对产生的位置间的联系,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,Reso

3、urce Characteristics,地面附近太阳辐射光谱图,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,The absorption depths of silicon,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,单位体积内电子,空穴对的产生率可用下式表示,N,为光子的流量（每秒流过单位面积的光子数量,是吸收系数,x,是到表面的距离,x,G,Ne,物理意义,相当于某波长的光在媒质中传播,1,距离时能量减弱到,原来能量的,1/e,一般用吸收系数的倒数,1,来表征该波,长的光在材料中的透入深度,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,

4、1.1,光的吸收与载流子复合,当光源被关掉后，系统势必会回到一个平衡状态,在没有外界能量来源的情况下，电子和空穴会,无规则运动直到他们相遇并复合,任何表面或内部的缺陷、杂质都会促进复合的产,生,材料的载流子寿命可以定义为电子空穴对从产生,到复合的平均存在时间。对于硅，典型的载流子,寿命约为,1s,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,类似的，载流子的扩散长度就是载流子从产生到,复合所能移动的平均距离。对于硅，扩散长度一,般是,100300m,这两个参数为太阳能电池应用的材料提出参考,如果没有一个使电子定向移动的方法，半导体就,无法输出能量。因此，一个功能完善的太阳能电,

5、池，通常需要增加一个整流,P-N,结来实现,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,1.2,光照的影响,照射到电池上的光可呈现多种不同的情形。为了使太,阳能电池的能量转换效率最大化，必须设计使之得到,最大的直接吸收以及反射后的吸收,1,顶电极上的反射与吸收,2,在电池表面的反射,3,可用的吸收,4,电池底部的反射（仅对吸收较弱的光线有效,5,反射后的吸收,6,背电极处的吸收,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,在,P-N,结电场,E,的作用下，电子受力向,N,型一侧移动，空穴,受力向,P,型一侧移动。短路时，在外电路产生光电流,理想短路情况下,P

6、-N,结区域电子与空穴的流动（电子、空穴产生、定向移,动、被收集、外电路流动,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,尽管如此，一部分电子和空穴在被收集之前就已,经消失了,电子空穴对复合的一些可能模式，以及未复合的载流子被收集的情况,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,总体来说，在,P-N,结越近的地方产生的电子空穴对,越容易被收集。当,V=0,时，那些被收集的载流子将,会产生一定大小的电流。如果电子空穴对在,P-N,结,附近小于一个扩散长度的范围内产生，收集的几,率就比较大,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,在无光照

7、的情况下，描述二极管电流,I,和电压,V,间,函数关系的特征曲线,I-V,曲线）为,光线的照射对太阳电池的作用，可以认为是在原,有的二极管暗电流基础之上叠加了一个电流增量,于是二极管公式变为,0,exp,1,L,qV,I,I,I,nkT,1.2,光照的影响,0,exp,1,qV,I,I,nkT,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,光的照射对,P-N,结电流,电压间函数特性的影响,电压电流,方向,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,I,V,Dark Characteristic,Light Characteristic,I,V,Power,Ge

8、nerating,Region,Power,Dissipating,Region,Power,Dissipating,Region,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,光照能使电池的,I-V,曲线向下平移到第四象限，于,是二极管的电能可以被获取,为便于讨论，太阳电池的,I-V,特性曲线通常被上下,翻转，将输出曲线置于第一象限，并用下式表示,0,exp,1,L,qV,I,I,I,nkT,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,The VI characteristic of a solar cell is,usually displayed lik

9、e this,V,I,V,I,The coordinate system is flipped around the,voltage axis,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,用于衡量在一定照射强度、工作温度以及面积条件,下，太阳能电池电力输出的两个主要制约参数为,短路电流,I,sc,Short circuit current,当电压为零时电池输出的最大电流,I,sc,I,L,I,sc,与,所接受到的光照强度成正比,开路电压,V,oc,Open circuit voltage,电流为零时，电池输出的最大电压,V,oc,的值随辐,照强度的增加成对数方式增长,0,ln

10、,1,L,OC,I,nkT,V,q,I,0,exp,1,L,qV,I,I,I,nkT,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,I = I,SC,R = 0,Does it surprise you that the current at,short circuit is not infinite? Or that a,current can flow with no voltage? Where,does the energy originate,Question #1,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,I = 0,R,Question #2,

11、_,V = V,OC,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,R,S,R,SH,I,SC,V,OC,The slopes of,these lines are,characteristic,resistances,R,SH,R,S,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,I,SC,R,S,R,SH,R,LOAD,Equivalent circuit for a solar cell with load,Internal resistances R,S,and R,SH,represent,power loss mechanisms inside th

12、e cell,Cell,Cell,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,I,SC,R,S,0,R,SH,R,LOAD,The ideal solar cell would have no internal,losses at all! What would the VI,characteristic of THIS cell look like,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,I,SC,V,OC,R,SH,R,S,0,The Ideal Solar Cell,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,Notice tha

13、t the area under,the rectangle = P,MAX,for,the ideal cell. For this cell,P,MAX,V,OC,I,SC,I,SC,V,OC,The Ideal Solar Cell,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,对于,I-V,曲线上的每一点，都可取该点上电流与电,压的乘积，以反映此工作情形下的输出电功率,填充因子,FF,Fill Factor,是衡量电池,P-N,结的质,量以及串联电阻的参数,填充因子定义为,所以,I,mp,mp,oc,sc,V,FF,V,I,mp,oc,sc,P,V,I,FF,第一讲太阳

14、能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,I,SC,P,MAX,V,OC,0.5V, 0 mA,V,I = 0 mW,0.43 V, 142 mA,V,I = 61 mW,I,SC,V,OC,P,MAX,0V, 150 mA,V,I = 0 mW,Some typical,values,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,I,SC,V,OC,Fill Factor,In fact, P,MAX,(I,SC,V,OC,measures the cells quality,as a power source. The,quantity is called the

15、 “Fill,Factor.” Can you see why,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,补充：最大转换效率为带隙,Eg,的函数,定性结论,短路电流随,Eg,的增大而减小,开路电压随,Eg,的增大而增大,在,Eg,为,1.4eV,时出现太阳电池的最大转换效率,mp,oc,sc,P,V,I,FF,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,1.3,光谱响应,当单个光子的能量比半导体材料的禁带宽度大时,太阳电池就会吸收这个光子并产生一个电子空,穴对，在这种情况下，太阳能电池对入射光的光,子产生响应。光子能量超出禁带宽度的部分以热,量形式散失,电

16、子空穴对的产生与超过带隙部分能量的散失,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,太阳电池能够响应的最大波长被半导体材料的禁,带宽度所限制。当禁带宽度在,1.01.6eV,时，入射,阳光的能量才有可能被最大限度地利用,单独考虑这个因素，就将太阳电池的最大可能转,换效率限制在,44,以下,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,光谱响应度,另一个值得注意的物理量是太阳能电池的光谱响,应度，用每瓦特功率入射光所产生的电流强度来,表示,理想情况下，光谱响应度随着波长的增加而增加,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,光谱响应度,然而，

17、在短波长辐射下，电池无法利用光子的全部能量,长波长辐射下，电池对光线的吸收作用较弱，导致大,部分光子在远离,P-N,结的区域被吸收,半导体材料的有限扩散长度也限制了电池对光的响应,典型的实际太阳电池的外部量子效率和光谱响应,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,恒定的电池温度下，不同的辐照度对光生电流密度,和电压输出特性曲线的影响,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,1.4,温度的影响,温度的影响包括：短路电流随温度上升而增加,因为带隙能量下降了，更多的光子具有足够的能,量来产生电子空穴对，但是，这是一个比较微弱,的影响,对硅电池来说，温度的上

18、升主要致使开路电压和,填充因子下降，因而导致了输出电功率下降,对硅电池而言，温度对最大输出功率的影响如下,1,1,0.004,0.005,C,mm,mm,dP,P,dT,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,温度对太阳电池,I-V,特性的影响,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,1.5,寄生电阻的影响,太阳能电池通常伴有寄生的串联和分流电阻，此,寄生电阻都会导致,FF,降低,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,串联电阻主要来源于半导体材料的体电阻、金属,接触电阻、载流子在顶部扩散层的输运等,串联电阻对太阳电池填充因子的

19、影响,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,分流电阻是由于,P-N,结的非理想性和结附近的杂质,造成的，它引起结的局部短路，尤其在电池的边缘,部分,分流电阻对太阳电池填充因子的影响,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,2,太阳电池效率和结构设计,2.1,太阳电池效率,2.2,光学损失,2.3,复合损失,2.4,电极设计,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,2.1,太阳电池效率,在实验室条件下，采用最先进的技术，单晶硅太,阳电池的转换效率可能超过,24,然而，工业上,大批量生产电池的效率普遍只有,1314,原因？最重要的

20、是实验室在生产电池时可以把效,率当成是最主要的目标，而不考虑费用、工艺的,复杂程度或生产效率,从生产角度来看，提高转换效率，对于固定的功,率输出需要的组件较少，则相对而言降低了成本,所以，同时提高转换效率和降低硅晶片的成本,是全面降低光伏成本的关键,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,影响太阳电池效率的因素,影响太阳电池效率的主要因素是,半导体材料,的选,择，由于每种材料能带间隙的大小与其所吸收的,光谱各有不同，所以每种材料有其一定的能量转,换效率。每种材料只能吸收一定范围内的光谱能,量,另外，转换效率还受材料的品质影响而无法达到,理论值，如材料的纯度较低，或材料本身

21、的结构,缺陷等,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,除了材料本身的影响之外，某些损失是由于太阳电,池的结构设计引起的，这包括,反射损失,reflection loss,表面再结合损失,surface recombination loss,内部再结合损失,bulk recombination loss,串联电阻损失,series resistance loss,电压因子损失,voltage factor loss,影响太阳电池效率的因素,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,2.2,光学损失,太阳电池光学损失原理,1,正面电极的遮光,2,表面反射

22、,3,背电极的反射,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,减少光学损失方法,1,将正面电极的面积减少到最小,但会导致串联电阻增加,2,在电池表面使用减反膜,特别是使用四分之一厚度的透明减反膜，这层,膜将通过干涉作用，理论上将从膜的上表面反,射的光和从半导体界面处反射回来的光相互抵,消，其两者的相位差为,180,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,四分之一波长的减反膜,使用四分之一波长的减反膜抵消表面反射示意图,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,使用四分之一波长的减反膜抵消表面反射示意图,第一讲太阳能电池和太阳光,江西

23、工业工程职业技术学院电子系林梅,为了将反射进一步最小化，可以将减反膜的折射,率设计为膜两边材料（玻璃和半导体，或空气和,半导体）的几何平均值,1,0,2,n,n,n,使用四分之一波长减反膜的太阳电池在不同波长照射下的表面反射率,半导体硅的折射率,n2=3.8,空气的折射率,n0=1.0,玻璃的折射率,n0=1.5,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,Comparison of surface reflection from a silicon solar cell, with and,without a typical anti-reflection coating,

24、第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,3,通过表面制绒也可以减少反射,将太阳电池的表面制成凸凹不平的表面，可使得,光线受到表面多重反射的作用，而更有效率的进,入半导体材料中,常用做法有,V,字型沟槽、金字塔型,pyramid,texture,及逆金字塔型表面,inverted pyramid,texture,绒化或粗糙化的表面的另一个好处是光可以按照,斯涅尔定律倾斜地耦合进硅晶体中,1,1,2,2,sin,sin,n,n,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,Reflection and transmission of light for a t

25、extured silicon solar cell,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,金字塔型,pyramid texture,型表面,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,逆金字塔型表面,inverted pyramid texture,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,Scanning electron microscope photograph of a textured silicon surface,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,Scanning electron mic

26、roscope photograph of a textured multicrystalline silicon surface,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,V,字型沟槽,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,4,电池背表面的高反射,减少电池背电极的吸收，使得到达背表面的光线,被弹回，再度进入电池而有可能被吸收,如果背面反射体能够完全随机式地打乱反射光的,方向，光线可能会因为电池内部的全反射而被捕,获在电池内,通过这种陷光方式，最多可以将入射光的路径扩,大至约,50,倍，因而光线被吸收的可能性将显著增,加,第一讲太阳能电池和太阳光,江

27、西工业工程职业技术学院电子系林梅,Light trapping using a randomised reflector on the rear of the cell,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,5,将太阳电池制成串叠型电池,tandem cell,把两个或两个以上的元件堆叠起来，能够吸收较高,能量光谱的电池放在上层，吸收较低光谱能量的电,池放在下层，通过不同材料的电池将光子的能量层,层吸收,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,2.3,复合损失,太阳电池的效率也会因为电子空穴对在被有效利,用之前复合而降低，一些发生复合的可能途径如,

28、图所示,光伏电池中电子空穴对可能复合的途径,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,复合能够以以下几种机理发生,辐射复合,吸收的反过程。电子从高能态返回到,较低能态，同时释放出光能。此种机理在半导体,激光器和发光二极管中适用，但对硅太阳电池并,不显著,俄歇复合,碰撞电离”的反过程，在掺杂较重的,材料中显著,通过陷阱复合,当半导体中的杂质或表面的界面,陷阱在禁带间隙中产生允许的能级时，这个复合,就能发生,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,典型的实际太阳电池的外部量子效率和光谱响应，阐释了光学和,复合损失的影响,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工

29、程职业技术学院电子系林梅,2.4,顶电极设计,主栅线,busbar,和外部导线直接相连，而副栅,线,finger,是更细小的金属化区域，用来收集电,流传输给主栅线,顶电极的设计目标是优化电流收集来减少由于内,部电阻和电池遮蔽而产生的损失,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,太阳电池中电子从产生点到外部电极的流动示意图,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,Use of a four point probe to measure the sheet resistivity of a solar cell,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业

30、技术学院电子系林梅,将电极做成手指状，可以减少光线的反射,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,Resistive components and current flows in a solar cell,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,Top contact design in a solar cell. The busbars connect the fingers together,and pass the generated current to the external electrical contacts,第一讲太阳能电池和太

31、阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,Schematic of a top contact design showing busbars and fingers,优化遮光损失与收集损失,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,Key features of a top surface contacting scheme,优化电极的宽高比,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,Points of contact resistance losses at interface between grid lines and,semiconductor,

32、降低电极的接触电阻,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,在做法上着重金属电极构造的最优化，例如将金属电极埋入基板,中，以增加接触面积，减少串联电阻,激光刻槽,埋栅太阳能电池,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,Basic schematic of a silicon solar cell. The top layer is referred to as the,emitter and the bulk material is referred to as the base,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,增加入射

33、光的面积,使用点接触式太阳电池,point contact cell,，将正负电,极全部放在背面，这样可增加太阳电池正面的入射光面,积,将正负电极全部放在背面的点接触太阳电池,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,光生电流极限,一个自身能量高于带宽的光子产生一对或多对,电子空穴对,能量阀值,1.124eV 300K,1.052eV,单声子辅助吸收,0.987eV,双声子辅助吸收,自由载流子吸收,晶格吸收,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,光生电流极限,最大光生电流（纯硅,51.5mA/cm,2,受自由载,流子吸收的限制，要得到这样的电流，硅片

34、的厚,度需几米厚,对于正常厚度的太阳电池,1mm,，光的有,限吸收对电流的限制远远大于自由载流子吸收对,电流的影响,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,开路电压的极限,两个本征的复合原理：辐射复合，俄竭复合,n,P,W,B,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,填充因子极限,俄竭复合：低注入,n=1,高注入,辐射复合：低注入和高注入,n=1,缺陷复合：低注入,n=1,高注入,n=2,最大,FF,极限：高注入薄电池,1,72,0,q,nKT,V,v,v,v,Ln,v,FF,OC,oc,oc,oc,oc,3,2,n,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工

35、业工程职业技术学院电子系林梅,转换效率极限,V,OC,和,I,SC,随电池厚度的变化趋势相反，所以对于转换效,率存在着一个最佳的厚度值,80,m, 28.8,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,I,sc,的损失,1,表面反射损失,10,2,表面电极遮光损失,515,3,不能充分吸收光的能量,4,体内复合,5,表面复合,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,V,OC,的损失,电池内的复合过程（表面、体内,p-n,结区）决定,了,V,OC,的大小,1,1,2,02,01,1,1,2,KT,qv,KT,qv,eo,ho,i,e,I,e,I,I,p,p

36、,n,n,n,np,U,结区复合,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,FF,的损失,SC,OC,CH,I,V,R,CH,S,s,R,R,r,CH,SH,sh,R,R,r,sh,oc,oc,s,r,FF,v,v,FF,FF,r,FF,FF,0,0,0,7,0,1,1,Suns/Voc,准,I-V,曲线,准转换效率,Rs=0,Rs:Voc,处的斜率,Rsh:Isc,处的斜率,R,sh,R,s,第一讲太阳能电池和太阳光,江西工业工程职业技术学院电子系林梅,太阳电池设计原理,为什么太阳电池的颜色是深蓝色的,为什么需做绒面,为什么要控制好方块电阻,为什么要在电池背面印刷,Al,浆,正面电极栅线间的间距是如何决定的,为什么有时,R