第五讲：太阳能电池效率极限

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（EghEg）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ResourceCharacteristics——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Theabsorptiondepthsofsilicon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），α是吸收系数，x是到表面的距离。xGNe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-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]LqVIIInkT1.2光照的影响0[exp()1]qVIInkT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IVDarkCharacteristicLightCharacteristicIVPowerGeneratingRegionPowerDissipatingRegionPowerDissipatingRegion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]LqVIIInkT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TheVIcharacteristicofasolarcellisusuallydisplayedlikethis:VIVIThecoordinatesystemisflippedaroundthevoltageaxis.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（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。0ln(1)LOCInkTVqI0[exp()1]LqVIIInkT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=ISCR=0Doesitsurpriseyouthatthecurrentatshortcircuitisnotinfinite?Orthatacurrentcanflowwithnovoltage?Wheredoestheenergyoriginate?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=0R=Question#2:+_V=VOC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RS,RSHISCVOCTheslopesoftheselinesarecharacteristicresistances.RSHRS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ISCRSRSHRLOADEquivalentcircuitforasolarcellwithload.InternalresistancesRSandRSHrepresentpowerlossmechanismsinsidethecell.CellCell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ISCRS=0RSH=RLOADTheidealsolarcellwouldhavenointernallossesatall!WhatwouldtheVIcharacteristicofTHIScelllooklike?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ISCVOCRSH=RS=0TheIdealSolarCell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Noticethattheareaundertherectangle=PMAXfortheidealcell.Forthiscell,PMAX=VOCISCISCVOCTheIdealSolarCell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，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：ImpmpocscVFFVImpocscPVIFF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ISC,PMAX,VOC(0.5V,0mA)VI=0mW(0.43V,142mA)VI=61mWISCVOCPMAX(0V,150mA)VI=0mWSometypicalvalues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ISCVOCFillFactorInfact,PMAX/(ISCVOC)measuresthecell’squalityasapowersource.Thequantityiscalledthe“FillFactor.”Canyouseewhy?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mpocscPVIFF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1.0~1.6eV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，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11(0.004~0.005)CmmmmdPPdT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