应用光伏学第3章太阳能电池的特性

1、第三章：第三章：太阳能电池的特性太阳能电池的特性2022-3-14UNSW新南威尔士大学1 3.1 理想太阳能电池理想太阳能电池 3.2 太阳能电池的太阳能电池的 参数参数 3.3 电阻效应电阻效应 3.4 其他效应其他效应 3.5 对太阳能电池对太阳能电池 的测量的测量 3.1.1 理想太阳能电池理想太阳能电池太阳能电池的结构太阳能电池的结构 太阳能电池是一种能太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电直接把太阳光转化为电的电子器的电子器件。入射到电池的太阳光通过件。入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电压同时产生电流和电压的形式的形式来产生电能。来产生电能。这个过程的发生需要这个过程的发生需要

2、两个条件：两个条件： 首先，被吸收的光要能在材料中把一个首先，被吸收的光要能在材料中把一个电子激发到高电子激发到高能级。能级。第二，第二，处于高能级的电子处于高能级的电子能从电池中能从电池中移动到外部移动到外部电电路。在外部电路的电子消耗了能量然后回到电池中。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组成 pn结形式结形式的半导体材料来完成的。的半导体材料来完成的。2022-3-14UNSW新南威

3、尔士大学2 3.1.1 理想太阳能电池理想太阳能电池太阳能电池的结构太阳能电池的结构太阳能电池的横截面太阳能电池的横截面减反射膜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 太阳能电池运行的基本步骤：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的产生 光生载流子聚集成电流光生载流子聚集成电流 产生跨越太阳能电池的高电压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能量在电路和外接电阻中消耗2022-3-14UNSW新南威尔士大学8 3.1.1 理想太阳能电池理想太阳能电池太阳能电池的结构太阳能电池的结构 3.1.2 理想太阳能电

4、池理想太阳能电池光生电流光生电流 在太阳能电池中产生的电流叫做在太阳能电池中产生的电流叫做“光生电流光生电流”，它的，它的产生包括了产生包括了两个主要的过程两个主要的过程。 第一个过程是吸收入射第一个过程是吸收入射光子光子并产生电子空穴对并产生电子空穴对。电。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。产生。 2022-3-14UNSW新南威尔士大学9 第二第二个过程是个过程是pn结通过对这些光生载流子的结通过对这些光生载流子的收集收集，即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合

5、。pn结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。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。池短路），光生载流子将流到外部电路。2022-3-14UNSW新南威尔士大学10动 画 展 示 了动 画 展 示 了短 路 情 况 下短 路 情 况 下的理想电流。的理想电流。如 果 要 阻 止如 果 要 阻 止复 合 并 对 电复 合 并 对 电流 有 贡 献 的流 有 贡 献 的话 ， 必 须 通话 ， 必 须 通过过pn结的结的收收集集。 3.1.2 理想太阳能电池理想太阳能电池

6、光生电流光生电流 “收集概率收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生的描述了光照射到电池的某个区域产生的载流子被载流子被pn结收集并参与到电流流动的概率。结收集并参与到电流流动的概率。它的它的大小取大小取决于决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性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。因为在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。 2. 在远离电场的区域，其收集概率将下降在远离电场的区域，其收集概率将下降。当载流子在。当载流子在与电场的距离大于

7、扩散长度的区域产生时，那么它的收集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，概率是相当低的。相似的，如果载流子是在靠近电池表面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 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率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。低扩散长度的太阳低扩散长度的太阳能电池。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

8、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在耗散区的收集概率相同率相同背表面背表面收集概率收集概率下面的图描述了表面钝化和扩散长度对收集概率的影响。下面的图描述了表面钝化和扩散长度对收集概率的影响。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收集概率。下面是硅在光照为下面是硅在光照为AM1.5下光生电流的方程，包括了生成率和下光生电流的方程，包括了生成率和收集概率。收集概率。 0WLJqG x CP x dx

9、 00wxqH edCP x dx 2022-3-1413 3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率2022-3-14UNSW新南威尔士大学14 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 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长0.45m的蓝光拥有高吸收率，为的蓝光拥有高吸收率，为 cm-1，也因此它在非常

10、靠近顶端，也因此它在非常靠近顶端表面处被吸收。波长表面处被吸收。波长0.8m的红光的吸收率的红光的吸收率 cm-1，因此其吸收长度，因此其吸收长度更深一些。更深一些。1.1m红外光的吸收率为红外光的吸收率为 cm-1，但是它几乎不被吸收，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。因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。 3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率归一化的归一化的E-H对生成率对生成率510310310 3.1.3 理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 电池各区域截流子的收集概率是不一致。例如，电池各区域截流子的收集概率是不一致。例如，表面的收集概率

11、低于其他部分的收集概率表面的收集概率低于其他部分的收集概率。蓝光在硅。蓝光在硅表面的零点几微米处几乎被全部吸收。因此，如果顶表面的零点几微米处几乎被全部吸收。因此，如果顶端表面的收集概率非常低的话，入射光中蓝光将不对端表面的收集概率非常低的话，入射光中蓝光将不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所谓所谓“量子效率量子效率”，即太阳能电池所，即太阳能电池所收集的载流子的数量收集的载流子的数量与入射光子的数量的比例与入射光子的数量的比例。如果某个如果某个特定波长的所有光子都被吸收特定波长的所有光子都被吸收，并且其，并且其所产生所产生的少数载

12、流子都能被收集的少数载流子都能被收集，则这个特定波长的，则这个特定波长的所有光子所有光子的量子效率都是相同的的量子效率都是相同的。而。而能量低于禁带宽度的光子的能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零量子效率为零。下图将描述理想太阳能电池的量子效率曲线。下图将描述理想太阳能电池的量子效率曲线。2022-3-14UNSW新南威尔士大学17 3.1.4 理想太阳能电池理想太阳能电池量子效率量子效率 3.1.4 理想太阳能电池理想太阳能电池量子效率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

13、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。量子效率量子效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 下图为硅太阳能电池的量子效率。通常，波长小于下图为硅太阳能电池的量子效率。通常，波长小于350nm的光子的量子效率不予测量，因为在的光子的量子效率不予测量，因为在1.5大气质量光谱大气质量光谱中，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。 尽管理想的量子效率曲线是矩形的

14、（如上图），但是实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。际上几乎所有的太阳能电池的都会因为复合效应而减小。影响影响收集效率的因素同样影响着量子效率。收集效率的因素同样影响着量子效率。例如例如:顶端表面钝化顶端表面钝化会影响靠近表面的载流子的生成，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顶端表面的高复合效应应会强烈地影响蓝光部分量子效率。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电

15、池内过低的扩散长度度将影响收集概率并减小光谱中绿光部分的量子效率。将影响收集概率并减小光谱中绿光部分的量子效率。2022-3-14UNSW新南威尔士大学19 3.1.4 理想太阳能电池理想太阳能电池量子效率量子效率 硅太阳能电池中，硅太阳能电池中，“外部外部”量子效率：量子效率：包括光的损失，如透射和反射。包括光的损失，如透射和反射。“内部内部”量子效率：量子效率：指的是那些没有被反射和透射且能够产生可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，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。可以

16、修正外部量子效率曲线并得到内部量子效率。2022-3-14UNSW新南威尔士大学20 3.1.4 理想太阳能电池理想太阳能电池量子效率量子效率所有入射的光子数产生的电子数外量子效率量被吸收的入射光子的数产生的电子数内量子效率 “光谱响应光谱响应”在概念上类似于量子效率。量子效率描述的是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，而光光谱响应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。下图将描述一光谱响应曲线。2022

17、-3-14UNSW新南威尔士大学21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。光谱响应光谱响应 3.1.5 理想太阳能电池理想太阳能电池光谱响应光谱响应短波长的光子的短波长的光子的能量很高，导致能量很高，导致光子与能量的比光子与能量的比例下降。因高光例下降。因高光子能量的不能完子能量的不能完全利用，所以光全利用，所以光谱响应谱响应随着波长随着波长减小而下降减小而下降。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，光子的能量中，所有超出

18、禁带宽度的部分都不能被电池利用，而是只能加热电池而是只能加热电池。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。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：出量子效率。公式如下：2022-3-14UNSW新南威尔士大学22 3.1.5 理想太阳能电池理想太阳能电池光谱响应光谱响应 qQEhc 量量子子效效率率SR（光谱响应）（光谱响应） 被收集的光生载流子并不是靠其本身来产生电能被

19、收集的光生载流子并不是靠其本身来产生电能的。的。为了产生电能，必须同时产生电压和电流为了产生电能，必须同时产生电压和电流。在太阳能电池中，电压是由所谓的在太阳能电池中，电压是由所谓的“光生伏打效应光生伏打效应”过程产生的。过程产生的。2022-3-14UNSW新南威尔士大学23 3.1.6 理想太阳能电池理想太阳能电池光伏效应光伏效应耗尽区：由耗尽区：由N指向指向P的漂移电流的漂移电流在耗尽区外：在耗尽区外：光照产生的电子空穴对，由于没有内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，建电场的作用，并且多子浓度基本上不受光照效应的影响，所以在所以在光照下，

20、少子浓度增加，会产生的扩散电流光照下，少子浓度增加，会产生的扩散电流。l P区内：由于耗尽层靠近区内：由于耗尽层靠近P区边缘的电子浓度较低，所区边缘的电子浓度较低，所以以P区内光照产生的光生电子（少子）会扩散进入耜尽区，区内光照产生的光生电子（少子）会扩散进入耜尽区，再流入再流入N型区，光生空穴（多子）留在型区，光生空穴（多子）留在P区；区；l N区内：光照产生的光生空穴（少子）会扩散进入耜区内：光照产生的光生空穴（少子）会扩散进入耜尽层，进而再流入尽层，进而再流入P型区，光生电子（多子）留在型区，光生电子（多子）留在N区。区。这样便在这样便在P-N结两侧形成了正、负电荷的积累，使结两侧形成了

21、正、负电荷的积累，使N区储存了过剩的电子，区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴，从而形成区有过剩的空穴，从而形成与与内建电场方向相反的光生电场。内建电场方向相反的光生电场。耗尽层内的漂移电流（耗尽层内的漂移电流（NP），），P区内产生的电子扩散区内产生的电子扩散电流（电流（PN）和）和N区内产生的空穴扩散电流（区内产生的空穴扩散电流（NP）的总和就是所说的的总和就是所说的“光生电流光生电流” ，也就是，也就是短路电流短路电流。其。其流向与流向与PN结正向偏压下的电流流向相反。结正向偏压下的电流流向相反。 3.1.6 理想太阳能电池理想太阳能电池光伏效应光伏效应l 光生电场除了部分抵消内建电场的

22、作用外，还使光生电场除了部分抵消内建电场的作用外，还使P区带区带正电，正电，N区带负电，在区带负电，在N区和区和P区之间的薄层就产生了电动区之间的薄层就产生了电动势，这就是势，这就是光生伏打效应光生伏打效应。 因为内建电场代表着对多数载流子扩散电流的障碍，因为内建电场代表着对多数载流子扩散电流的障碍，所以所以电场减小的同时也增大扩散电流，这就抵消了部分的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光电流。穿过。穿过pn结的电压将达到新的平衡。结的电压将达到新的平衡。流出电池的电流出电池的电流大小就等于光生电流与扩散电流的差。流大小就等于光生电流与扩散电流的差。 3.1.6 理想太阳能电

23、池理想太阳能电池光伏效应光伏效应l 在电池开路的情况下，在电池开路的情况下，pn结的正向偏压处在新的一点，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。总的电流为零。当两个电流达到平衡时的电压叫做当两个电流达到平衡时的电压叫做“开路开路电压电压Voc”。l 对晶体硅电池来说，开路电压的典型型为对晶体硅电池来说，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，这个电流称为比的光电流流过，这个电流称为短路

24、电流短路电流 Isc.下面动画展示了载流子分别在短路和开路情况下的流动情况。下面动画展示了载流子分别在短路和开路情况下的流动情况。2022-3-14UNSW新南威尔士大学30 动画显示了太阳能电池分别在热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，流过态。请注意不同情况下，流过pn结的结的电流的不同。电流的不同。1、在热平衡下（光照为零），扩散电、在热平衡下（光照为零），扩散电流和漂移电流都非常小。流和漂移电流都非常小。2、电池短路时，、电池短路时，pn结两边的少数载流结两边的少数载流子浓度以及由少数载流子决定大小的子浓度以

25、及由少数载流子决定大小的漂移电流都将增加。漂移电流都将增加。3、在开路时，光生载流子引起正向偏、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，所以开电流和漂移电流的方向相反，所以开路时电池总电流为零。路时电池总电流为零。 3.1.6 理想太阳能电池理想太阳能电池光伏效应光伏效应 3.2.1 太阳能电池的参数太阳能电池的参数 电池的伏安曲线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

26、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，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。意味着能量来自电池。 3.2.1 太阳能电池的参数太阳能电池的参数 电池的伏安曲线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：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：2022-3-14UNSW新南威尔士大学32式中式中IL为光生电流。为光生电流。第一象限的伏安曲线方程为：第一象限的伏安曲线方

27、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（要参数。短路电流（ISC），开路电压（），开路电压（VOC），填充因子），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。）和转换效率都可以从伏安曲线测算出来的重要参数。) 1(0nkTqVLeIIIILnkTqVIeII) 1(0 3.2.2 太阳能电池的参数太阳能电池的参数短路电流短路电流 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（或者说电池被短路时的电流）。通常

28、记作ISC。2022-3-14UNSW新南威尔士大学33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 短路电流源于光短路电流源于光生载流子的产生和收生载流子的产生和收集。对于电阻阻抗最集。对于电阻阻抗最小的小的理想太阳能电池理想太阳能电池来说，来说，短路电流就等短路电流就等于光生电流于光生电流。因此短。因此短路电流是电池能输出路电流是电池能输出的最大电流。的最大电流。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。禁带宽度减小使能禁带宽

29、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。 短路电流的大小取决于以下几个因素：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太阳能电池的表面积。要消除太阳能电池对表面积的依赖，。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（通常需改变短路电流强度（JSC单位为单位为mA/cm2）而不是短路）而不是短路电流。电流。硅在光照为硅在光照为AM1.5下光生电流的方程下光生电流的方程2022-3-14UNSW新南威尔士大学36 3.2.2 太阳能电池的参数太阳能电池的参数短路电流短路电流 0WLJqG x CP x dx 00wxqH edCP x dx

30、 短路电流的大小取决于以下几个因素：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）光子的数量（即入射光的强度）。电池输出的短路电流。电池输出的短路电流ISC的的大小直接取决于光照强度（在入射光强度一节有讨论）。大小直接取决于光照强度（在入射光强度一节有讨论）。 入射光的光谱入射光的光谱。测量太阳能电池是通常使用标准的。测量太阳能电池是通常使用标准的1.5大气质大气质量光谱。量光谱。 电池的光学特性电池的光学特性（吸收和反射）（光学损耗一节有讨论）（吸收和反射）（光学损耗一节有讨论） 电池的收集概率电池的收集概率，主要取决于电池表面钝化和基区的少数载，主要取决于电池表面钝化和基

31、区的少数载流子寿命。流子寿命。 2022-3-14UNSW新南威尔士大学37 3.2.2 太阳能电池的参数太阳能电池的参数短路电流短路电流 wxLscdxxCPdeHqJJ0)(0)()(在比较在比较相同材料相同材料的两块太阳能电池时，的两块太阳能电池时，最重要的参数是扩散长最重要的参数是扩散长度和表面钝化度和表面钝化。对于表面完全钝化和生成率完全相同的电池来。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：说，短路电流方程近似于： JSC=qG(Ln+Lp) 式中式中G代表生成率，而代表生成率，而Ln和和Lp分别为电子和空穴的扩散长度。分别为电子和空穴的扩散长度。 从这个方程

32、看出，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短路电流很大程度上取决于生成率和扩散长度。长度。 在在AM1.5大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电流大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电流为为46mA/cm2。实验室测得的数据已经达到。实验室测得的数据已经达到42mA/cm2，而商业，而商业用太阳能电池的短路电流在用太阳能电池的短路电流在28到到35mA/cm2之间。之间。2022-3-14UNSW新南威尔士大学38 3.2.2 太阳能电池的参数太阳能电池的参数短路电流短路电流 开路电压开路电压VOC是太阳能电池能输出的最大电压是太阳能电池能输出的最大电压，此时输，此

33、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。的正向偏压。开路电压如下图伏安曲线所示。2022-3-1439 3.2.3 太阳电池的参数太阳电池的参数开路电压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。 上述方程显示了上述方程显示了VOC取决于太阳能电池的饱和暗电流和光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。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

34、成正比，开路电压与入射光强的对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。数成正比。所以增加入射光强，可增大开路电压。2022-3-14UNSW新南威尔士大学40 3.2.3 太阳电池的参数太阳电池的参数开路电压开路电压01LOCInkTVlnqI 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太阳能电池的开路电压方程：电压方程：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，所以几个数量级，所以主要影响是饱和电流主要影响是饱和电流。饱和电流饱和

35、电流I0主要取决主要取决于电池的复合效应。于电池的复合效应。 当当 ，即：少子寿命无，即：少子寿命无 限长，复合率趋于零时，限长，复合率趋于零时，饱和暗电流将趋于零。饱和暗电流将趋于零。最小暗饱和电流与禁带宽度之间关系的经验公式：最小暗饱和电流与禁带宽度之间关系的经验公式：Eg减小减小Isc增大，但增大，但Voc减小。减小。2022-3-14UNSW新南威尔士大学41 3.2.3 太阳电池的参数太阳电池的参数开路电压开路电压01LOCInkTVlnqI太阳能电池的开路电压方程：太阳能电池的开路电压方程：0, s250/)exp(105 . 1cmAkTEIg存在一个最佳的半导体禁带宽度，可使效

36、率达到最高。存在一个最佳的半导体禁带宽度，可使效率达到最高。 在太阳能电池的伏它特性中，习惯上把在太阳能电池的伏它特性中，习惯上把光生电流光生电流JL的方向的方向作为电流的正方向。作为电流的正方向。 伏安特性曲线中，电压伏安特性曲线中，电压V在在0VOC之间时，电压之间时，电压V和电流和电流J的的乘积为正值，表明太阳能电池产生电能；当乘积为正值，表明太阳能电池产生电能；当V0，电压，电压V和电流和电流J的乘积为负值，器件消耗功率。的乘积为负值，器件消耗功率。实验室测得的硅太阳能实验室测得的硅太阳能电池在电池在AM1.5光谱下的光谱下的最大开路电压能达到最大开路电压能达到720mV，而商业用太阳

37、，而商业用太阳能电池通常为能电池通常为600mV。 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。功率都为零。 “填充因子填充因子”，通常使用它的简写，通常使用它的简写“FF”，是由开路电压，是由开路电压VOC和短和短路电流路电流ISC共同决定的参数，它共同决定的参数，它决定决定了太阳能电池的了太阳能电池的输出效率输出效率。填充因子填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路被定义为电池的最大输出功率与开路VOC和和ISC的乘

38、积的乘积的比值的比值。2022-3-1444 3.2.4 太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子填充因子OCSCmmVIVIFF 3.2.4 太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子填充因子输出电流（红线）和功率的（蓝线）图表。同时标明了电场的短路输出电流（红线）和功率的（蓝线）图表。同时标明了电场的短路电流（电流（ISC）点、开路电压（）点、开路电压（VOC）点以及最大功率点（）点以及最大功率点（Vmp，Imp）。）。从图形上看，从图形上看，FF就是就是能能够占据够占据IV曲线区域最大曲线区域最大的面积的面积。小长方形面积，表征最大小长方形面积，表征最大功率功率ImVm，大长方形面积，大长

39、方形面积，表征表征ISCVOC。FF表征两个长方形面积表征两个长方形面积的接近程度。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。要计算电池的要计算电池的FF可以对电池的功率进行求导，令其值为零，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：便可找出功率最大时的电压电流值了。即： d（IV）/dV=0 并给出：并给出： 1mpmpOCqVnkTVVlnqnkT 2022-3-14UNSW新南威尔士大学46 3.2.4 太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子填充因子然而，单从上面的步骤并不能得出一个简单或近似

40、的方程。然而，单从上面的步骤并不能得出一个简单或近似的方程。上面的方程只与上面的方程只与VOC和和Vmp有关，所以还需要额外的能求出有关，所以还需要额外的能求出Imp和和FF的方程。的方程。 1、上述方程显示了、上述方程显示了电池的开路电压越高，填充因子就越大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。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，例如，(At one sun)在一个在一个AM1.0下，实验室硅太阳能电池和典下，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型的商业硅太阳能电池的开路电压之差大约为120

41、mV，填充因，填充因子分别为子分别为0.85和和0.83.然而，不同材料的电池的填充因子的差别然而，不同材料的电池的填充因子的差别则可能非常大。例如，则可能非常大。例如，GaAs太阳能电池的填充因子能达到太阳能电池的填充因子能达到0.89。 2022-3-14UNSW新南威尔士大学47 3.2.4 太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子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 ，为规一化的开路电压 2、上述方程还说明了、上述方程还说明了理想因子理想因子（也叫（也叫n因子）的重要性。理因子）的重要性。理想因子是描述想因子是描述pn结质量和电池的复合类型的测量量。对于

42、复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，合类型那一节所讨论的简单的复合来说，n的值为的值为1。然而对。然而对于其它特别是效应很强的复合类型来说，于其它特别是效应很强的复合类型来说，n的值应该为的值应该为2。大大的的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。电压。 2022-3-14UNSW新南威尔士大学48 3.2.4 太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子填充因子规定 ，为规一化的开路电压3、上述方程中一个重要的限制是，它求出的只是、上述方程中一个重要的限制是，它求出的只是最大最大填充因填

43、充因子，然而实际上因为电池中子，然而实际上因为电池中寄生电阻寄生电阻的存在，填充因子的值的存在，填充因子的值可能会更低一些。可能会更低一些。因此，因此，测量填充因子最常用的方法还是测量伏安曲线测量填充因子最常用的方法还是测量伏安曲线，即最，即最大功率除以开路电压与短路电流的乘积。大功率除以开路电压与短路电流的乘积。 FF=VmpImp/（VOCISC ）2022-3-14UNSW新南威尔士大学49 3.2.4 太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子填充因子FF是衡量太阳能电池输出特性好坏的重要指标是衡量太阳能电池输出特性好坏的重要指标。在一定光谱。在一定光谱辐照辐照 度下，度下，FF越大，曲

44、线愈方，输出功率也越高。越大，曲线愈方，输出功率也越高。2022-3-14UNSW新南威尔士大学50 发电效率是人们在比较两块电池发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。好坏时最常使用参数。效率定义为效率定义为电池电池输出的电能与射入电池的光能的比例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，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效率还决定于入射光的光谱和光强以及电池本身的温度电池本身的温度。所以在比较两块电池。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。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）测量

45、陆地太阳能电池的条件是光照照AM1.5和温度和温度25C。（2）空间太阳能电池的光照则为）空间太阳能电池的光照则为AM0。 3.2.5 太阳能电池的参数太阳能电池的参数 效效 率率2022-3-14UNSW新南威尔士大学51计算电池效率的方程：计算电池效率的方程：Pmax= VOCISC FF , =Pmax/Pin = VOCISC FF /Pin 3.2.5 太阳能电池的参数太阳能电池的参数 效效 率率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。 太阳能电池的太阳能电池的特征电阻特征电阻就是指电池在输出最大功率时的输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

46、别是研究出电阻。此参数在分析电池特性，特别是研究寄生电阻损失机寄生电阻损失机制制时非常重要。时非常重要。2022-3-1452图上的公式还可图上的公式还可代之以：代之以： RCH=VOC/ISC 3.3.1 电阻效应电阻效应 太阳能电池的太阳能电池的特征电阻特征电阻 电池的电池的电阻效应电阻效应以在电阻上消耗能量的形式以在电阻上消耗能量的形式降低降低了电池的了电池的效率效率。其中。其中最常见的寄生电阻为串联电阻和并联电阻最常见的寄生电阻为串联电阻和并联电阻。53 在大多数情况下，在大多数情况下，寄生电阻对电池的最主要影响是减小填寄生电阻对电池的最主要影响是减小填充因子充因子。在太阳能电池中，电

47、阻的单位是在太阳能电池中，电阻的单位是cm2 2。由欧姆定律可以求出单。由欧姆定律可以求出单位面积的阻值，位面积的阻值，R（ cm2 2 ）= =V/J。 3.3.2 电阻效应电阻效应 寄生电阻效应寄生电阻效应电池等效电路电池等效电路 太阳能电池中，引起串联电阻的因素有：制造电池的太阳能电池中，引起串联电阻的因素有：制造电池的半导半导体材料的体电阻体材料的体电阻、电极和互联金属的电阻电极和互联金属的电阻，以及电极和半导体，以及电极和半导体之间的之间的接触电阻接触电阻。2022-3-1454 3.3.3 电阻效应电阻效应串联电阻串联电阻串联电阻对电池的主要影响是减串联电阻对电池的主要影响是减小填

48、充因子小填充因子，此外，此外，当阻值过大当阻值过大时还会减小短路电流时还会减小短路电流。但。但对开路对开路电压无影响。电压无影响。下画描述了串联电阻对伏安曲线下画描述了串联电阻对伏安曲线的影响。的影响。与特性电阻与特性电阻RCH相比，如果相比，如果RS很很小，则对小，则对FF就几乎没有影响。就几乎没有影响。 串联电阻并不会影响到电串联电阻并不会影响到电池的开路电压池的开路电压，因为此时电池的，因为此时电池的总电流为零，所以串联电阻也为总电流为零，所以串联电阻也为零。然而，在接近开路电压处，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伏安曲线会受到串联电阻的强烈影响。影响。一种一种直

49、接估计电池的串联电直接估计电池的串联电阻的方法是找出伏安曲线在开路阻的方法是找出伏安曲线在开路电压处的斜率电压处的斜率。2022-3-1455 3.3.3 电阻效应电阻效应串联电阻串联电阻计算太阳能电池的最大功率的方程计算太阳能电池的最大功率的方程如下：如下：2111mmpmpmpmpsmpSCmpOCpmpsmpsSmpmpCHIIVPVIIR =VVIRPRRPPR2022-3-1456 3.3.3 电阻效应电阻效应串联电阻串联电阻 1mpmpSPPr SSCHrR / R 若定义若定义 为规一化（为规一化（ normalized）串联电阻，）串联电阻， 假设开路电压和短路电流没有受到串联

50、电阻的影响，则可假设开路电压和短路电流没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：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在上述方程中，把没有受串联电阻影响的填充因子FF用符用符号号FF0表示，而表示，而FF则用则用FFs代替。则方程改为：代替。则方程改为： 而下面而下面以实验为基础的方程能更加精确以实验为基础的方程能更加精确地表示地表示FF0与与FFS之间的关系：之间的关系： FFs=FF0（1-1.1rs）+r2s/5.4 此式在此式在rs10时有效。时有效。2022-3-14UNSW新南威尔士大学57 3.3.3 电阻效应电阻效应串联

51、电阻串联电阻 111mpmpsOCSCOCSCss PPrVIFFVIFFr FFFFr 01ssFFFFr 并联电阻并联电阻RSH通常是由于制造缺陷引起的通常是由于制造缺陷引起的。它的主要来源。它的主要来源为：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。缺陷和外来杂质的沉淀物所引起的内部漏电。2022-3-14UNSW新南威尔士大学58 3.3.4 电阻效应电阻效应并联电阻并联电阻并联电阻对电池的主要影响是减并联电阻对电池的主要影响是减小填充因子小填充因子，此外，此外，当阻值过小当阻值过小时还

52、会减小开路电压时还会减小开路电压。但。但对短路对短路电流无影响。电流无影响。下画描述了并联电阻对伏安曲线下画描述了并联电阻对伏安曲线的影响。的影响。与特性电阻与特性电阻RCH相比，如果相比，如果RSH很很大，则对大，则对FF就几乎没有影响。就几乎没有影响。2022-3-14UNSW新南威尔士大学59通过测量伏安曲线在接近短通过测量伏安曲线在接近短路电流处的斜率可以估算出路电流处的斜率可以估算出电池内并联电阻的值。电池内并联电阻的值。 3.3.4 电阻效应电阻效应并联电阻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

53、的影响最大，因为此时电池的电流很下，并联电阻对电池的影响最大，因为此时电池的电流很小。小。 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阻时的功率减去并联电阻所消耗的功率。方程如下：阻时的功率减去并联电阻所消耗的功率。方程如下： 211111mpmpmpmpmpmpmpshmpshOCmpSCshCHmpmpshVVP VIVIRIRV PIRRP PR2022-3-14UNSW新南威尔士大学60 这里把这里把rsh=Rsh/RCH

54、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 电阻效应电阻效应并联电阻并联电阻 我们假设开路电压和短路电流都没有受并联电阻的影响，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：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，我们用同样，对没有被并联电阻影响的填充因子，我们用FF0表示，表示，而而FF则改用则改用FFsh表示：表示： FFsh=FF0（1-1/rsh） 下面将列出下面将列出更加精确的更加精确的以实验为基础以实验为基础的方程的方程 61此方程在此方程在rsh0.4时有效时有效 3.3.4 电阻效应电

55、阻效应并联电阻并联电阻 111111mpmpshOCSCOCSCshsh PP/ rVIFFVIFF/ r FFFF/ r 当并联电阻和串联电阻当并联电阻和串联电阻同时存在同时存在时，太阳能电池的电流与时，太阳能电池的电流与电压的关系为：电压的关系为： 62 而电池的等效电路图为：而电池的等效电路图为： 3.3.5 电阻效应电阻效应串、并联电阻的共同影响串、并联电阻的共同影响式中式中IL为光生电流。）为光生电流。）（第一象限的伏安曲线方程为：（第一象限的伏安曲线方程为：SHSnkTIRVqLRIRVeIIIS) 1()(0) 1(0nkTqVLeIIII 上式中上式中FFs=FF0（1-1.1

56、rs）+r2s/5.4 则将上面的方程结合后得到则将上面的方程结合后得到FF：2022-3-14UNSW新南威尔士大学64 3.3.5 电阻效应电阻效应串、并联电阻的共同影响串、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： 像所有其它半导体器件一样，像所有其它半导体器件一样，太阳能电池对温度非常敏太阳能电池对温度非常敏感感。温度的升高降低了半导体的禁带宽度温度的升高降低了半导体的禁带宽度，因此影响了大多，因此影响了大多数的半导体材料参数。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材可以把半导体的禁带宽度随温度的升高

57、而下降看成是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。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。禁带宽度的下降。 2022-3-14UNSW新南威尔士大学65 3.4.1 其他效应其他效应温度效应温度效应 3.4.1 其他效应其他效应温度效应温度效应 在太阳能电池中，在太阳能电池中，受温度影响最大的参数是开受温度影响最大的参数是开路电压路电压。温度的改变对伏安曲线的影响如下图所示。温度的改变对伏安曲线的影响如下图所示。 短路电流短路电流ISC提高幅提高幅

58、度很小度很小温 度 较 高温 度 较 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。 1、开路电压随着温度而减小是因为开路电压随着温度而减小是因为I0对温度的依赖对温度的依赖。关于。关于pn结两边的结两边的I0的方程如下：的方程如下： 式中，式中，q为一个电子的电荷量；为一个电子的电荷量；D为硅材料中少数载流为硅材料中少数载流子的扩散率；子的扩散率；L为少数载流子的扩散长度；为少数载流子的扩散长度；ND为掺杂率；为掺杂率；ni为硅的本征载流子浓度。为硅的本征

59、载流子浓度。 在上述方程中，许多参数都会在上述方程中，许多参数都会受温度影响受温度影响，其中影响，其中影响最大的是本征载流子浓度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本征载流子浓度决定于禁带宽度度（禁带宽度越低本征载流子浓度越高）（禁带宽度越低本征载流子浓度越高）以及载流子所拥有以及载流子所拥有的能量的能量（载流子能量越高浓度越高）。（载流子能量越高浓度越高）。20iDDnIqALN 2022-3-14UNSW新南威尔士大学67 3.4.1 其他效应其他效应温度效应温度效应 3.4.1 其他效应其他效应温度效应温度效应关于本征载流子的方程为：关于本征载流子的方程为： 00332

60、32224GGE-E*kkiehTTknm meBeTTh 式中，式中，T表示温度，表示温度，h和和k都是常数，都是常数，me和和mh分别是电子分别是电子和空穴的有效质量；和空穴的有效质量；EG0为禁带宽度，为禁带宽度，B是也是一个常数，但是也是一个常数，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，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：并假设温度对其它参数的影响忽略不计，则：030GG0E-EkTkTDDIqABT eBT eLN 00G0-SCOCSCSCG0SCqVkTIkTkTVlnlnIlnqIqkTkTlnIlnqqqV