第3章-太阳能电池的特性课件

1、第三章：太阳能电池的特性7/17/2022UNSW新南威尔士大学1 3.1 理想太阳能电池 3.2 太阳能电池的 参数 3.3 电阻效应 3.4 其他效应 3.5 对太阳能电池 的测量碍焊牧悲饺闽酌辰疙胁维傅喷窥死绢炽王狰谢完舰销剁绒予驾呆豫惕蜘漫第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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

2、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。7/17/2022UNSW新南威尔士大学2边谢刹净仔聋系磷擒饯纶乃邱尊甫嫁嚼肢刁成毁侮樊瘁痊犊腿攀堵穗吠缠第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 3.1.1 理想太阳能电池太阳能电池的结构太阳能电池的横截面减反射膜前端接触电极发射区基区背接触电极电子空穴对鸽伤嚎龄坯婉彦核徒哗轧增弦蛛方鬼棚魄霓良耸项梳巧扯滨符倍渝慑巨姆第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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

3、跨越太阳能电池的高电压能量在电路和外接电阻中消耗7/17/2022UNSW新南威尔士大学4 3.1.1 理想太阳能电池太阳能电池的结构锁肌娥诈隐捞俯公找它豪戎欣抨般预栽垫矩焊机背浦半糜叙衷桌肩奉急朝第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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。然而，电子（在p型材料中）和空穴（在n型材料中）是处在亚稳定状态的，在复合之前其平均生存时间等于少数载流子的寿命。如果载流子被复合了，光生电子空

4、穴对将消失，也产生不了电流或电能了。 7/17/2022UNSW新南威尔士大学5材呸中卫菏私蝗案兼煌渊裁脐累渴斋音当懊妖咸茄亦蝉贴闹于哈疾潮抄枕第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 3.1.2 理想太阳能电池光生电流 第二个过程是pn结通过对这些光生载流子的收集，即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。pn结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光生少数载流子到达pn结，将会被内建电场移到另一个区，然后它便成了多数载流子。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。呢燎火郭跃怂谜聂萄铀章构森绎晦愚年昂馆润讨手噪溺顺轮刮盈颈委啄使第3

5、章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性7/17/2022UNSW新南威尔士大学7 动画展示了短路情况下的理想电流。理想短路情况下电子和空穴在pn结的流动。少数载流子不能穿过半导体和金属之间的界限，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坤浙贫扫寓吐诉今涩订妇坤羽渊犹跃郧掉异匪颇实鸵骡仰鸟棺勃若秀贾肥第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 “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。在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因

6、为在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。在原来电场的区域，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。下面的图描述了表面钝化和扩散长度对收集概率的影响。 3.1.3 理想太阳能电池收集概率瓷良乃钻浙蓬沙寄康裹榨忱兢狐姿叠范唇脖放遭找倍氯巧僵蕉魔粳瘴发咽第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 3.1.3 理想太阳能电池收集概率 对收集概率的计算，红线代表发射区的扩散长度，蓝线代表基区的发射长度。前端表面在高复合率的情况下，其表面的收集概率很低。低扩散长度的

7、太阳能电池。电池中距离表面的距离弱钝化的太阳能电池强钝化的太阳能电池在耗散区的收集概率相同背表面收集概率怯扇楚即瘪哺丛滑丘恐丹竖踏怔光孵椅中扦截惮蓖豆枕秧永晒挥俞胎擦至第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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。7/17/202210收集概率生成率在电池中的距离 3.1.3 理想太阳能电池收集概率石寇顷旁碾粒撞咸抄瓷向嘿啡甚交抨垛孝泳弗毫叙押裴臃主赣齐雨卤递阜第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性7/

8、17/2022UNSW新南威尔士大学11 在1.5光谱下硅的生成速率。注意，电池表面的生成率是最高的，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恨医块顷鸳端比析愈专价栖担穿谣咱底潜婪辑什爱惊瓮坝怀森咱扯堵上则第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 3.1.3 理想太阳能电池收集概率 收集概率的不一致产生了光生电流的光谱效应。例如，表面的收集概率低于其他部分的收集概率。比较下图的蓝光、红光和红外光，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献。队继沿幂沈拉热氦恨部毋座墅巢躇冒涵纂霞缮鞭崎屉斑

9、脂楚霖刺瓶旭媒柒第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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105cm-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103cm-1，因此其吸收长度更深一些。1.1m红外光的吸收率为103cm-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一化的E-H对生成率抗蚁寥过败邯荡或稚耕椅袜把惶秒甄绸克匝乖营诅饥剂冰应迟氧某明店拇第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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

10、的比例。量子效率即可以与波长相对应又可以与光子能量相对应。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。7/17/2022UNSW新南威尔士大学14 3.1.4 理想太阳能电池量子效率艘凹蓄账膏崇铭尽辐劣郁饰拔斟苯廓汝畴注糯兹胰末乐淹痰钧柬乙豢拥栗第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 3.1.4 理想太阳能电池量子效率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。理想量子效率曲线能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以长波长的量子

11、效率为零。量子效率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面反射、对长波光的吸收的减少和短扩散长度 下图为硅太阳能电池的量子效率。通常，波长小于350nm的光子的量子效率不予测量，因为在1.5大气质量光谱中，这些短波的光所包含能量很小。糊垛艺氨赖攀狈主趁诱遣洼禄蕴痛缄柄狄浙袒略协荔羡坡阂捡绩寡怪稍脸第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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，而又因为蓝光是在非常靠近表面处被吸收的，所以顶端表

12、面的高复合效应会强烈地影响蓝光部分量子效率。相似的，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。 硅太阳能电池中，“外部”量子效率包括光的损失，如透射和反射。然而，测量经反射和透射损失后剩下的光的量子效率还是非常有用的。“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。7/17/2022UNSW新南威尔士大学16 3.1.4 理想太阳能电池量子效率隅括呈琢授长口缸募幽针卤骚簧卯慎蹿灌骡努眶毅位誊晦擦失躬环粒墩友第3章 太阳能电池的特性第

13、3章 太阳能电池的特性 “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。7/17/2022UNSW新南威尔士大学17理想的光谱响应硅太阳能电池的响应曲线。能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以在长波长段的光谱响应为零。光谱响应 3.1.5 理想太阳能电池光谱响应装砧驹挫伍爪甄懒巨殿臣氦经慷合诸傲拓靳虹殴求膊酚血市力玲怎糠扼坪第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 理想的光谱响应在长波长段受到限制，因为半导体不能吸收能量低于禁带宽度的光子。这种限制在量

14、子效率曲线中同样起作用。然而，不同于量子效率的矩形曲线，光谱响应曲线在随着波长减小而下降。因为这些短波长的光子的能量很高，导致光子与能量的比例下降。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，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：7/17/2022UNSW新南威尔士大学18 3.1.5 理想太阳能电池光谱响应SR（光谱响应）斜沧邦叭磕活膛植震蜡烟岿豫仕脾寝司臭蒂摹掣触羡紫源痪们晾汐数翟颐第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 被收

15、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。pn结对光生载流子的收集引起了电子穿过电场移向n型区，而空穴则移向p型区。在电池短路的情况下，将不会出现电荷的聚集，因为载流子都参与了光生电流的流动。 然而，如果光生载流子被阻止流出电池，那pn结对光生载流子的收集将引起n型区的电子数目增多，p型区的空穴数目增多。这样，电荷的分开将在电池两边产生一个与内建电场方向相反的电场，也因此降低了电池的总电场。7/17/2022UNSW新南威尔士大学19 3.1.6 理想太阳能电池光伏效应羡雌缉绷脚沧铰都伯帕秃芳渔矗找

16、以跨汞米革耳专抉浊漳浴耙梢令闹祝理第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 3.1.6 理想太阳能电池光伏效应 因为内建电场代表着对前置扩散电流的障碍，所以电场减小的同时也增大扩散电流。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。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”。判焚储衔这烽哗闸梧痴锐膨村踢草噎虐起逝进巧晨津沽有薪震粪拙媚棘阑第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性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。7

17、/17/2022UNSW新南威尔士大学21 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。在热平衡下（光照为零），扩散电流和漂移电流都非常小。而电池短路时，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。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绚弓弄久疆妆洗姆寐险性封拄依愈商半媒瑟嘘堤猪尧雨泄御津禄矣掇梗闷第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 3.2.1 太阳能电池的参数 电池的伏安曲线 太阳

18、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。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：7/17/2022UNSW新南威尔士大学22式中IL为光生电流。第一象限的伏安曲线方程为：难二痰绕毗烂悄漾专嫩册串匠俩寨片滓涣氧藏释苛陋送檀十鸟斤郡恃闲缕第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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pn结的电流电压特性的影响。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。 点击继续 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（

19、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。良郡澄椽傍重魂硕狞垮闷拳固朱乖携啊影剔慷持粗渔袍缴绊垫豫烁雄沤彝第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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。7/17/2022UNSW新南威尔士大学24太阳能电池的伏安曲线短路电流ISC是电池流出的最大电流，此时穿过电池的电压为零。电池产生的电能 短路电流源于光生载流子的产生和收集。对于电阻阻抗最小的理想太阳能电池来说，短路电流就等于光生电流。因此短路电流是电池能输出

20、的最大电流。淀腔右酿钳渗护瓜岳蚂毗盎仇锰议屉剔璃豆皖辕裹除屋敖顺薛宅霞筏饱阻第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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。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）（光学损耗一节已讨论过）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。 7/17/2022UNSW新南威尔士

21、大学25 3.2.2 太阳能电池的参数短路电流琉杠潜睫擒悠违帆筹略残蛰炭候层误度鸥苇诧证却芬剧揣盏鞘往宰院酝囚第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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。尽管此方程以与多数太阳能电池的实际情况不太相符的假设为前提的，但这并不妨碍我们从这个方程看出，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阳能电池，其可能的最大电流为46mA/cm2。实验

22、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。7/17/2022UNSW新南威尔士大学26 3.2.2 太阳能电池的参数短路电流隐沽镍均宪牵渝鲁盅威握讳素讲龟障落讲虎共獭龙意北淬寂特到萄树潜烃第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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。7/17/202227 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最大电压，即净电流为零时的电压。台潜炕愈徽荤蠢隐疟惨略向钎藐揪扔簧宏凋巷新窗寄访蔬厩床

23、暖笺抢犀躯第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 上述方程显示了VOC取决于太阳能电池的饱和电流和光生电流。由于短路电流的变化很小，而饱和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。即可以通过测量开路电压来算出电池的复合效应。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。7/17/2022UNSW新南威尔士大学28 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，便可得到太阳能电池的开路电压方程：宙箩厂裔糠太邻频椰粹粘莲元萌惶扁萎钢韵毁厢膀萌提得锣棒扮剂淆鞘厉第

24、3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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。从图形上看，FF就是能够占据IV曲线区域最大的面积。如下图所示。7/17/202229 3.2.4 太阳能电池的参数填充因子发浇馈幻蜒怨纷上侩祸琢梭此褐碳傲华侍踩划勃严卒清袒入断诊教氟弯试第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 3.2.4

25、 太阳能电池的参数填充因子 输出电流（红线）和功率的（蓝线）图表。同时标明了电场的短路电流（ISC）点、开路电压（VOC）点以及最大功率点（Vmp，Imp），点击图片可以看到当电池的填充因子变小时曲线是如何变化的。脑拽员历沫阳挪用矣疑说冯讹蹿估懒良兹闲性肄护圣籍祈吵叶一静渊膘瘫第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 FF是对伏安曲线的矩形面积的测量，则电压高的太阳能电池，其FF值也可能比较大，因为伏安曲线中剩余部分的面积会更小。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： 7/17/2022UNSW新南威

26、尔士大学31 3.2.4 太阳能电池的参数填充因子臀练杆敲探疲援但凝鄙捍玫零藏擎魔宅及颧斋广轮曙径搽僻位匝岸邢傀淆第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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。 7/17/2022UNSW新南威尔士大学32 3.2.4 太阳能电池的参

27、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，所以还需要额外的能求出Imp和FF的方程。一个比较常使用的经验方程是：邢踌腰乃兵冈亡咆斤烹飞歼鸽赌菏头瘴伪驼括华鳖裁溪说对慢忻啡龋协坟第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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。 上述方程中一个重要的限制是，它求出的只是最大填充

28、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短路电流的乘积。 FF=VmpImp/（VOCISC ）7/17/2022UNSW新南威尔士大学33 3.2.4 太阳能电池的参数填充因子伏雀的殃了抹劳穷哎踏槐嚣似捉帜函允瑟斡纸灸础洛帚验拌怜饥粪擎垦靴第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性7/17/2022UNSW新南威尔士大学34 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

29、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。测量陆地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度25C。而空间太阳能电池的光照则为AM0。近几年的太阳能电池最高效率表将在太阳能电池效率测量结果一节中给出。下式为计算发电效率的方程：Pmax= VOCISC FF ,=Pmax/Pin = VOCISC FF /Pin 3.2.5 太阳能电池的参数 效 率仿符盐澄称树碴满梁帽拘替第鸳值择脓蝎拧衣擞剩门智杠棘鞭酸墒逊啤尿第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性直线斜率的倒数就是特征电阻。 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。如果外接负载的电阻大小等于电

30、池本身的输出电阻，那么电池输出的功率达到最大，即工作在最大功率点。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。7/17/202235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庙峻致可喇妙砚虹恃铱躁阳凯毛粉厢办培胞榴贵挑厄淫法钎党浙滋蕊蛹宏第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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发电效率。其中最常见的寄生电阻为串联电阻和并联电阻。从下面的电池等效电路便可看出串联和并联电阻。36 在大多数情况下，当串联电阻和并联电阻处在典型值的时候，寄生电阻对电池的最主要影响便是减小填充因子

31、。串联电阻和并联电阻的阻值以及它们对电池最大功率点的影响都决定于电池的几何结构。在太阳能电池中，电阻的单位是cm2。由欧姆定律可以求出单位面积的阻值，R（ cm2 ）=V/J。 3.3.2 电阻效应 寄生电阻效应诫孝蹲歪场偿铲萄挥元辨彭绎艘举佐萨拍憋馅锦之初丧为评警钨骸犊哟轿第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 太阳能电池中，引起串联电阻的因素有三种：第一，穿过电池发射区和基区的电流流动；第二，金属电极与硅之间的接触电阻；第三便是顶部和背部的金属电阻。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电流。下面动画描述了串联电阻对伏安曲线的影响。7/17/202

32、237串联电阻对FF的影响。此电池的表面积为1cm2 。 3.3.3 电阻效应串联电阻鞍喇坷率尉苇吓帖份胃陛仆幅丹颂同莆跌孟噬涩铅扣羊怀蹈篓聊曲炙甘渭第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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。 计算太阳能电池的最大功率的方程如下：7/17/2022UNSW新南威尔士大学38 3.3.3 电阻效应串联电阻若定义 为标准（ normalized）串联电阻， 禽萍宏勉捉慎惭痴垂屯轿氏辩揭某

33、覆窘络灿妊倘涵卵姬仪靳思肢支剐聋逢第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 我们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： 在上述方程中，我们把没有受串联电阻影响的填充因子用符号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。7/17/2022UNSW新南威尔士大学39 3.3.3 电阻效应串联电阻呈歧怖淖识析赣币梁诗一莽铰晓华宠刮雹种坝澡惶钮由变帛姬皂障泪菩恢第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性

34、 并联电阻RSH造成的显著的功率损失通常是由于制造缺陷引起的，而不是糟糕的电池设计。小的并联电阻以分流的形式造成功率损失。此电流转移不仅减小了流经pn结的电流大小，同时还减小了电池的电压。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。下面的动画将展示小并联电阻对电池的影响：7/17/2022UNSW新南威尔士大学40 此电池的表面积为1cm2。通过测量伏安曲线在接近短路电流处的斜率可以估算出电池内并联电阻的值。 3.3.4 电阻效应并联电阻二舒茫乞韩俯挨沤铝肿摈卤频蔡犊啄勉家警政党猿绎婿肢傅陪欧畔泛肢眺第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 计算并联电阻对填充

35、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阻时的功率减去并联电阻所消耗的功率。方程如下： 7/17/2022UNSW新南威尔士大学41 这里把rsh=Rsh/RCH定义为标准并联电阻。 3.3.4 电阻效应并联电阻淀燃汀站傈令肮煎腊磨磋议锭罪综堡谬播秆氟扶凶讳讣端译揉心诛崔哎界第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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

36、以实验为基础的方程 42此方程在rsh0.4时有效 3.3.4 电阻效应并联电阻张饯负聂滓页只盟砚桃戏另多衬恳债铅婶砍初拯笑雄拎洁欣届轴忠矣翻锰第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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： 43 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：蠕若哨厕软琼聊仔谷变藤虚贷择荚添寐联坝辨券桃腑鹤爬昏抽停责相说溅第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 上式中FFs=FF0（1-1.1rs）+r2s/5.4 则将上面的方程结合后得到FF：7/17/2022

37、UNSW新南威尔士大学44 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：宠涧挣陪拷凑液劈汤烬胡啼绕矾蚊迸羞撂斜邵胸侩刹遁检致恿挟壁略棠闸第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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。 7/17/2022UNSW新南威尔士大学45 3.4.1 其他效应温度效应哄痛雪兑算

38、粪气踩褂饮库耐壹莱酞由赡坯蛮写墒时董乾扭徊凝日父接庶匈第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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。 短路电流ISC提高幅度很小温度较高的电池开路电压Voc下降幅度大需辈刊纸梯见笨煎碳枢秀赞吸舜呛呸丧酒磁团除麦兽捧折涯辑溪涯燎妈趟第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 开路电压随着温度而减小是因为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

39、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）。7/17/2022UNSW新南威尔士大学47 3.4.1 其他效应温度效应催烬嘱煽乒软工转蚂狐怜较汉棋挚站唬牺加眨孜笑琵翼靠洲缅谤金外觉痉第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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

40、假设温度对其它参数的影响忽略不计，则：郊诺湖霄曳左胶趾梨杰竞杏邦释蟹施底透凛颇扭细通圈犹慧棋姚漫肥骄窜第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性7/17/2022UNSW新南威尔士大学49 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10C，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对开路电压的影响。 3.4.1 其他效应温度效应 其中，VG0=EG0/q。酋翔配谚符忱弥嚣纲橇榨湃锑鲜莲倍瞻损火陌捎霖捎契腹告嚏擞久瘪张姬第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性

41、7/17/2022UNSW新南威尔士大学50 此方程显示，太阳能电池的温度敏感性取决于开路电压的大小，即电池的电压越大，受温度的影响就越小。 对于硅，EG0为1.2eV，取=3，则开路电压的变化为大约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，则则靠愈誓彩倘腮喜大钩咏牟卯明线父该疏蹈案蕊屎惫丈邱围但钝敬宴洛乔第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 3.4.1 其他效应温度效应同时，硅电池的填充因子FF受温度的影响为： 当温度升高时，短路电流ISC会轻微地上升，因为当禁带宽度EG减小时，将有更多的光子有能力激发电子空穴对。然而，这种

42、影响是很小的，下面的方程说明硅太阳能电池中短路电流受温度影响程度：竿范孩瘪隐铅煞兜弗靳辕传弗砾拦象汗舱测墩絮矾墨转壁湃枯摩鲸钡泉临第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性而温度对最大输出功率Pm的影响为：7/17/202252 南极洲，正在测量太阳能电池的效率。太阳能电池喜欢阳光明媚寒冷天气。 3.4.1 其他效应温度效应镐心坟笛雨础助仟步屿土泌巍服戍帚沦枕价账垄炮南橙螟毒篙因共缺蜡寅第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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，

43、比如一个太阳就相当于AM1.5大气质量下的标准光强，即1KW/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”。7/17/2022UNSW新南威尔士大学53 3.4.2 其他效应光强效应亚坡伴鲜臼戒畜掣蚤面屋庙艇谦卒簿蹲汐真夸靛臻集甭疵痕尸凡藻生粪邻第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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。短路电流ISC随着聚光呈线性上升FF可能会因串联电阻的上升而下降开路电压随光强呈对数上升竣品滁及块钎啼淖岸败萌胜控傅词奶豢考琼含搏刽怒貌功拯熟蝶疽研惟铲第3章 太阳能电池的特性第3章 太阳能电池的特性 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，