第3章-太阳能电池的特性-1

第三章：

太阳能电池的特性&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2/1/20231UNSW新南威尔士大学&3.1.1理想太阳能电池

太阳能电池的结构2/1/20232UNSW新南威尔士大学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。&3.1.1理想太阳能电池

太阳能电池的结构2/1/20233UNSW新南威尔士大学&3.1.1理想太阳能电池

太阳能电池的结构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穿过电池的高电压的产生能量在电路和外接电阻中消耗2/1/20234UNSW新南威尔士大学&3.1.2理想太阳能电池

光生电流理想短路情况下电子和空穴在p-n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p-n结的收集。2/1/20235UNSW新南威尔士大学&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电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，电子和空穴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，光生电子空穴对将消失，也没有电流和电能产生。第二个过程是，p-n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。P-n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p-n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。2/1/20236UNSW新南威尔士大学&3.1.3理想太阳能电池

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载流子被p-n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。在耗尽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。在离开耗尽区，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。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。前端表面在电池中位置收集概率2/1/20237UNSW新南威尔士大学

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2/1/20238UNSW新南威尔士大学&3.1.3理想太阳能电池

收集概率收集概率与载流子的产生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于那一处的收集概率。下面计算光生电流的方程包括了生成率和收集概率，其材料为硅，光照为1.5AM。2/1/20239UNSW新南威尔士大学&3.1.3理想太阳能电池

收集概率在1.5光谱下硅的载流子产生率。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。2/1/202310UNSW新南威尔士大学&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，入射光中将没有蓝光对光生电池做出贡献。2/1/202311UNSW新南威尔士大学&3.1.3理想太阳能电池

收集概率不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长0.45μm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0.8μm的红光的吸收率103cm-1，因此其吸收长度更深一些。1.1μm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2/1/202312UNSW新南威尔士大学&3.1.4理想太阳能电池

量子效率所谓“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。能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以长波长的量子效率为零。量子效率2/1/202313UNSW新南威尔士大学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。&3.1.4理想太阳能电池

量子效率2/1/202314UNSW新南威尔士大学&3.1.4理想太阳能电池

量子效率尽管理想的量子效率曲线是矩形的，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。

2/1/202315UNSW新南威尔士大学&3.1.4理想太阳能电池

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。2/1/202316UNSW新南威尔士大学&3.1.5理想太阳能电池

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。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。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。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2/1/202317UNSW新南威尔士大学硅太阳能电池的光伏响应曲线&3.1.5理想太阳能电池

光谱响应2/1/202318UNSW新南威尔士大学&3.1.6理想太阳能电池

光伏效应被收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。p-n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。

载流子在分别在短路和开路的下的流动情况2/1/202319UNSW新南威尔士大学被收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。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&3.1.6理想太阳能电池

光伏效应2/1/202320UNSW新南威尔士大学&3.1.6理想太阳能电池

光伏效应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。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，p-n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。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。2/1/202321UNSW新南威尔士大学

&3.2.1太阳能电池的参数

电池的伏安曲线太阳能电池的伏安曲线是电池二极管在无光照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：式中IL为光生电流光照对p-n结的电流电压特性的影响及计算2/1/202322UNSW新南威尔士大学

&3.2.1太阳能电池的参数

电池的伏安曲线接下来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（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。2/1/202323UNSW新南威尔士大学

&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，ISC。短路电流源于光生载流子的产生的收集。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的最大电流。2/1/202324UNSW新南威尔士大学

&3.2.2太阳能电池的参数

短路电流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密度（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。入射光的光谱。测量太阳能电池是通常使用标准的AM1.5光谱。电池的光学特性（吸收和反射）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。

在比较材料相同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。2/1/202325UNSW新南威尔士大学

&3.2.2太阳能电池的参数

短路电流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。可以看出，短路电流很大程度上取决于载流子的产生率和扩散长度。

在AM1.5下的硅太阳能电池，可能的最大电流为46mA/cm2。实验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。2/1/202326UNSW新南威尔士大学

&3.2.3太阳电池的参数

开路电压2/1/202327UNSW新南威尔士大学开路电压取决了太阳能电池的饱和电流和光生电流。短路电流的变化很小，所以关键影响在于饱和电流，因为饱和电流的大小可以改变几个数量级。饱和电流Io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。

&3.2.3太阳电池的参数

开路电压太阳能电池的开路电压方程2/1/202328UNSW新南威尔士大学

&3.2.4太阳能电池的参数

填充因子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。FF就是能够占据IV曲线区域最大的面积。2/1/202329UNSW新南威尔士大学

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点、开路电压点以及最大功率点。2/1/202330UNSW新南威尔士大学

&3.2.4太阳能电池的参数

填充因子测量填充