第五讲太阳能电池效率极限

第五讲太阳能电池效率极限第1页，共93页，2023年，2月20日，星期一2

第四讲

效率极限第2页，共93页，2023年，2月20日，星期一复习第3页，共93页，2023年，2月20日，星期一1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4页，共93页，2023年，2月20日，星期一1.1光的吸收与载流子复合当光照射到半导体材料时，拥有比禁带宽（Eg）还小的能量（Eph）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（Egh>Eg）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Eg导带(禁带宽)价带第5页，共93页，2023年，2月20日，星期一光子的能量越高，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6页，共93页，2023年，2月20日，星期一ResourceCharacteristics——地面附近太阳辐射光谱图第7页，共93页，2023年，2月20日，星期一Theabsorptiondepthsofsilicon第8页，共93页，2023年，2月20日，星期一单位体积内电子-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），α是吸收系数，x是到表面的距离。

α物理意义α相当于某波长的光在媒质中传播1/α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/α来表征该波长的光在材料中的透入深度。第9页，共93页，2023年，2月20日，星期一在300K时，对于硅材料，α和波长的函数关系第10页，共93页，2023年，2月20日，星期一1.1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1μs。第11页，共93页，2023年，2月20日，星期一类似的，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100~300μm。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池，通常需要增加一个整流P-N结来实现。第12页，共93页，2023年，2月20日，星期一1.2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13页，共93页，2023年，2月20日，星期一在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-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14页，共93页，2023年，2月20日，星期一尽管如此，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15页，共93页，2023年，2月20日，星期一总体来说，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16页，共93页，2023年，2月20日，星期一在无光照的情况下，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：1.2光照的影响第17页，共93页，2023年，2月20日，星期一光的照射对P-N结电流-电压间函数特性的影响电压电流方向？第18页，共93页，2023年，2月20日，星期一IVDarkCharacteristic

LightCharacteristicIVPowerGeneratingRegionPowerDissipatingRegionPowerDissipatingRegion第19页，共93页，2023年，2月20日，星期一光照能使电池的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：第20页，共93页，2023年，2月20日，星期一TheVIcharacteristicofasolarcellisusuallydisplayedlikethis:VIVIThecoordinatesystemisflippedaroundthevoltageaxis.第21页，共93页，2023年，2月20日，星期一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（Isc，Shortcircuitcurrent）当电压为零时电池输出的最大电流，Isc=IL。Isc与所接受到的光照强度成正比。开路电压（Voc，Opencircuitvoltage）电流为零时，电池输出的最大电压。Voc的值随辐照强度的增加成对数方式增长。第22页，共93页，2023年，2月20日，星期一I=ISCR=0Doesitsurpriseyouthatthecurrentatshortcircuitisnotinfinite?Orthatacurrentcanflowwithnovoltage?Wheredoestheenergyoriginate?Question#1:第23页，共93页，2023年，2月20日，星期一I=0R=Question#2:+_V=VOC第24页，共93页，2023年，2月20日，星期一RS,RSH

ISCVOCTheslopesoftheselinesarecharacteristicresistances.RSHRS第25页，共93页，2023年，2月20日，星期一ISCRSRSHRLOADEquivalentcircuitforasolarcellwithload.InternalresistancesRSandRSHrepresentpowerlossmechanismsinsidethecell.CellCell第26页，共93页，2023年，2月20日，星期一ISCRS=0RSH=RLOADTheidealsolarcellwouldhavenointernallossesatall!WhatwouldtheVIcharacteristicofTHIScelllooklike?第27页，共93页，2023年，2月20日，星期一ISCVOCRSH=RS=0TheIdealSolarCell第28页，共93页，2023年，2月20日，星期一Noticethattheareaundertherectangle=PMAXfortheidealcell.Forthiscell,PMAX=VOCISCISCVOCTheIdealSolarCell第29页，共93页，2023年，2月20日，星期一对于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，FillFactor）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：第30页，共93页，2023年，2月20日，星期一ISC,PMAX,VOC(0.5V,0mA)VI=0mW(0.43V,142mA)VI=61mWISCVOCPMAX(0V,150mA)VI=0mWSometypicalvalues第31页，共93页，2023年，2月20日，星期一ISCVOCFillFactorInfact,PMAX/(ISC

VOC)measuresthecell’squalityasapowersource.Thequantityiscalledthe“FillFactor.”Canyouseewhy?第32页，共93页，2023年，2月20日，星期一补充：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第33页，共93页，2023年，2月20日，星期一1.3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。电子空穴对的产生与超过带隙部分能量的散失第34页，共93页，2023年，2月20日，星期一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1.0~1.6eV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35页，共93页，2023年，2月20日，星期一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36页，共93页，2023年，2月20日，星期一光谱响应度然而，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37页，共93页，2023年，2月20日，星期一恒定的电池温度下，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38页，共93页，2023年，2月20日，星期一1.4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第39页，共93页，2023年，2月20日，星期一温度对太阳电池I-V特性的影响第40页，共93页，2023年，2月20日，星期一1.5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41页，共93页，2023年，2月20日，星期一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影响第42页，共93页，2023年，2月20日，星期一分流电阻是由于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43页，共93页，2023年，2月20日，星期一2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44页，共93页，2023年，2月20日，星期一2.1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13~14%。原因？最重要的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45页，共93页，2023年，2月20日，星期一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，或材料本身的结构缺陷等。第46页，共93页，2023年，2月20日，星期一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（reflectionloss）表面再结合损失（surfacerecombinationloss）内部再结合损失（bulkrecombinationloss）串联电阻损失（seriesresistanceloss）电压因子损失（voltagefactorloss）影响太阳电池效率的因素第47页，共93页，2023年，2月20日，星期一2.2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；3-背电极的反射第48页，共93页，2023年，2月20日，星期一减少光学损失方法（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49页，共93页，2023年，2月20日，星期一四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50页，共93页，2023年，2月20日，星期一使用四分之一波长的减反膜抵消表面反射示意图第51页，共93页，2023年，2月20日，星期一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：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52页，共93页，2023年，2月20日，星期一Comparisonofsurfacereflectionfromasiliconsolarcell,withandwithoutatypicalanti-reflectioncoating.第53页，共93页，2023年，2月20日，星期一（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（pyramidtexture）及逆金字塔型表面（invertedpyramidtexture）。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：第54页，共93页，2023年，2月20日，星期一Reflectionandtransmissionoflightforatexturedsiliconsolarcell第55页，共93页，2023年，2月20日，星期一金字塔型（pyramidtexture）型表面第56页，共93页，2023年，2月20日，星期一逆金字塔型表面（invertedpyramidtexture）第57页，共93页，2023年，2月20日，星期一Scanningelectronmicroscopephotographofatexturedsiliconsurface第58页，共93页，2023年，2月20日，星期一Scanningelectronmicroscopephotographofatexturedmulticrystallinesiliconsurface第59页，共93页，2023年，2月20日，星期一V字型沟槽第60页，共93页，2023年，2月20日，星期一（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61页，共93页，2023年，2月20日，星期一Lighttrappingusingarandomisedreflectorontherearofthecell第62页，共93页，2023年，2月20日，星期一（5）将太阳电池制成串叠型电池（tandemcell）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63页，共93页，2023年，2月20日，星期一2.3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图所示：光伏电池中电子空穴对可能复合的途径第64页，共93页，2023年，2月20日，星期一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65页，共93页，2023年，2月20日，星期一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66页，共93页，2023年，2月20日，星期一2.4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67页，共93页，2023年，2月20日，星期一太阳电池中电子从产生点到外部电极的流动示意图第68页，共93页，2023年，2月20日，星期一Useofafourpointprobetomeasurethesheetresistivityofasolarcell第69页，共93页，2023年，2月20日，星期一将电极做成手指状，可以减少光线的反射第70页，共93页，2023年，2月20日，星期一Resistivecomponentsandcurrentflowsinasolarcell.第71页，共93页，2023年，2月20日，星期一Topcontactdesigninasolarcell.Thebusbarsconnectthefingerstogetherandpassthegeneratedcurrenttotheexternalelectricalcontacts.第72页，共93页，2023年，2月20日，星期一Schematicofatopcontactdesignshowingbusbarsandfingers优化遮光损失与收集损失第73页，共93页，2023年，2月20日，星期一Keyfeaturesofatopsurfacecontactingscheme优化电极的宽高比第74页，共93页，2023年，2月20日，星期一Pointsofcontactresistancelossesatinterfacebetweengridlinesandsemiconductor降低电极的接触电阻第75页，共93页，2023年，2月20日，星期一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76页，共93页，2023年，2月20日，星期一Basicschematicofasiliconsolarcell.Thetoplayerisreferredtoastheemitterandthebulkmaterialisreferredtoasthebase第77页，共93页，2023年，2月20日，星期一增加入射光的面积使用点接触式太阳电池（pointcontactcell），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78页，共93页，2023年，2月20日，星期一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：1.124eV300K1.052eV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79页，共93页，2023年，2月20日，星期一光生电流极限最大光生电流（纯硅）51.5mA/cm2，受自由载流子吸收的限制，要得到这样的电流，硅片的厚度需几米厚。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80页，共93页，2023年，2月20日，星期一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+PWB第81页，共93页，2023年，2月20日，星期一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=