太阳能电池基本参数的影响因素分析

太阳能电池基本参数的影响因素分析1.短路电流Isc2.开路电压Voc3.最大工作电压Vm4.最大工作电流Im5.填充系数FF6.转换效率η7.串联电阻Rs8.并联电阻Rsh第一、一个理想的光伏电池，因串联的Rs很小、并联电阻的Rsh很大，所以进行理想电路计算时，他们都可忽略不计。所以负载电流满足式(1)，I=IL-ID=IL-Is[exp(qV/kT)-1]（1）短路电流Isc=ILIL——光生电流；ID——暗电流；IS——反响饱和电流；Rs——串联电阻;Rsh——并联电阻所以根据上式，就会得到右图。RshIDIsc+-vIRLRsLSIkTVln(1)qII(1)LocSIkTVInqI第二、但在实际过程中，就要将串联电阻和并联电阻考虑进去，Isc的方程如下：当负载被短路时，V=0，并且此时流经二极管的暗电流ID非常小，可以忽略，上式可变为：第三、由此可知，短路电流总小于光生电流IL且Isc的大小也与Rs和Rsh有关。1.短路电流Isc当V=0时，Isc=IL。IL为光生电流，正比于光伏电池的面积和入射光的辐照度。1cm2光伏电池的IL值均为16~30mA。环境温度的升高，IL值也会略有上升，一般来讲温度每升高1℃，IL值上升78μA2.开路电压Voc开路时，当I=0时，Voc=kT/qln(IL/IS+1)太阳能电池的光伏电压与入射光辐照度的对数成正比，与环境温度成反比，与电池面积的大小无关。温度每上升1℃，UOC值约下降2~3mV。该值一般用高内阻的直流毫伏计测量。同时也与暗电流有关。而对太阳能电池而言，暗电流不仅仅包括反向饱和电流，还包括薄层漏电流和体漏电流。（由于杂质或缺陷引起的载流子的复合而产生的微小电流）漏电流：太阳能电池片可以分3层，即薄层（即N区），耗尽层（即PN结），体区（即P区），对电池片而言，始终是有一些有害的杂质和缺陷的，有些是材料本身就有的，也有的是工艺中形成的，这些有害的杂质和缺陷可以起到复合中心的作用，可以虏获空穴和电子，使它们复合，复合的过程始终伴随着载流子的定向移动，必然会有微小的电流产生，这些电流对测试所得的暗电流的值是有贡献的，由薄层贡献的部分称之为薄层漏电流，由体区贡献的部分称之为体漏电流。3.填充系数FFFF是一个重要参数，反映太阳能电池的质量。太阳电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充系数越大。反映到太阳电池的电流-电压特性曲线上是曲线接近正方形，此时太阳电池可以实现很高的转换效率()sh1SqVIRSkTSCLDPLSVIRIIIIIIeR1/SLSCLSCSCSshshRIIIIIRRRmmocscVIFFVImImmscocinininPVFFIVPPP4.转换效率η根据上式可得：填充系数越大，即转换效率越大。因此，影响η的主要因素为串联电阻和并联电阻综上所述，影响Voc、Isc、Vm、Im、FF和η的主要因素就是串联电阻和并联电阻。mImmscocinininPVFFIVPPP二、串联电阻Rs和并联电阻Rsh1.串联电阻Rs一般小于1Ω，主要包括金属电极与半导体材料的接触电阻、半导体材料的体电阻和电极电阻三部分。2.并联电阻Rsh一般为几千欧姆，主要是电池边缘漏电、电池表面污浊或耗尽区内的复合电流引起的，这几种电流构成了漏电流。而且并联电阻越大，漏电流也就越小。3.前段工艺对Rs和Rsh的影响3.1CVDP层：P层如果太厚，造成了P层对光的吸收增加，从而减少了i层对光的吸收，而且由于空穴的扩散速率较低，使得空穴的寿命降低；但是P层太薄，在界面层产生的电子-空穴对还没有扩散出去就会由于复合而消失，不利于载流子的收集，增加能量损失。Buffer层：当缓冲层厚度较薄时，晶格失配问题得到初步改善，从而减少了载流子在界面的复合，因而随着沉积时间的增加，电池的开路电压增加，填充因子也得到较大的改善，电池效率增加。但是，随着沉积时间继续增长，由于没有掺硼，掺碳的缓冲层电阻升高，较厚的缓冲层虽然解决了晶格失配的问题，但是高阻层成为主要矛盾，所以随着掺碳缓冲层厚度的继续增加，填充因子下降，电池性能变差。在其他条件不变的情况下，沉积时间越长，膜的厚度越大。i层：该层是产生光生载流子的主要区域，膜厚越薄，复合中心较少，则并联电阻越小，同时空间电荷区变窄，使得光生电流减小，效率降低；膜厚增加，虽然增加对光的吸收，但缺陷越多，复合中心也就越多，大大降低了载流子的寿命，从而使得电池效率降低，同时使得光致衰减更加严重。N层：膜层太薄，在界面层产生的电子-空穴对还没有扩散出去就会由于复合而消失，增加能量损失；膜层过厚，虽然内建电场增加，但是方块电阻增加，即增加了Rs，同时，在总膜厚不变的情况下，增加了N层厚度，i层的厚度也就相对减少，不利于光生载流子的产生，使得电池效率降低。3.2.PVD主要考量的是薄层电阻，即方块电阻，它是太阳能电池串联电阻的一个组成部分。它的大小主要跟膜厚成反比，但是膜厚不能无限地增大，还要考虑其他因素的影响。ZnO为了减少接触电阻，背电极与n层之间必须形成良好的欧姆接触，尽量减少对载流子的阻挡作用，这就要求ZnO的电阻要尽可能地小。根据方块电阻的定义，增加膜厚，可以降低电阻，但是ZnO薄膜是太厚会影响到透过率，因此在特定的膜厚条件下，会有电阻和透过率的最佳值。从该图可以看出，在衬底温度达到某个值时，电阻值最小，透过率也较大。同时，在n层和金属Ag之间加入ZnO，会阻止Ag向n层扩散，阻止Ag的漏电，增加电池的并联电阻，从而增加电池效率。Ag根据实际分析，发现ZnO、Ag和Ti是并联在一起的，所以他们的电阻由最小的电阻决定，而Ag的电阻最小，降低方块电阻的关键就是降低Ag的电阻。根据上述分析，降低电阻，就要增加膜厚。可是增加膜厚就会增加成本，并且当膜厚增大到一定值后，它的电阻就不会降低的很多，这一点由Ag材料本身的性能决定。3.3.Laser线宽：划线宽度越宽，死区增大，导致电池的有效面积越小，使得Ioc减少；划线宽度越窄，电阻增大，同时线条的完整性就受到影响，对设备的要求也极高。划线深度P1：如果太浅，就代表有TCO残留在glass上，电流就会直接从TCO薄膜流过，将电池短路，这样就将少了串联电池的个数，从而减少电池效率；如果太深，理论上无影响。P2:如果太深，切到TCO薄膜，使得TCO薄膜变薄，从而增大了导电极的电阻，也就增加了Rs，Isc也随之减少；如果切得较浅，即没有将a-Si切断，仍有a-Si残留在TCO膜层上，就会增加TCO与金属层的接触阻抗，也就是增加了Rs。P3:如果切到TCO薄膜，增加了Rs；如果切到玻璃，就减少了串联电池的个数，从而减少了电池的效率；如果没有将a-Si切割完全，增加漏电流，减少了并联电阻，短路电流减少。P4：如果切割不完全，则增加漏电流，减少并联电阻，导致Ioc减少，效率降低；如果切割深度过深，导致玻璃漏在表面，应该对效率无影响。