填充因子FF

FF7.4.6光-电能量转换效率太阳能电池最重要的和综合性的特性参数是光-电能量转换效率，经常简称为效率，用符号表示，它的值是太阳能电池最大输出电功率与入射光功率之比，即：inocscinmminmPFFVIPVIPP(7.14)式中，Pin是在整个太阳能电池正面光入射面积的总入射光功率；Pm是太阳能电池最大输出电功率，Im和Vm就是对应于Pm时的电流和电压，即Pm=ImVm；Isc是短路电流；Voc是开路电压；FF是填充因子。对于地面上应用，标准测试条件是光谱AM1.5G，入射光功率100mW/cm2，温度25oC。从上式可知道，三个参数Isc，Voc和FF，能决定电池的效率。影响电池性能Voc，Isc，FF的因素:Voc:硅(Si)基片性质(晶向,p型/n型,电阻率,少子寿命等),p/n结掺杂浓度,电池结构形式,并联电阻等;Isc:硅基片性质(少子寿命等),表面反射,光陷作用,硅片对光不全吸收,p/n结对载流子不全收集和收集面积等;FF:硅(Si)基片性质(电阻率,少子寿命等),电池结构,电极接触,串联电阻，并联电阻等.为了获得高效率，这三个参数应尽可能高。这就意味着(1)要获得较高的短路电流Isc。太阳能电池有源材料和太阳能电池结构应在紫外光，可见光和近红外光的光谱范围上，有较高，较宽和较平坦的光谱响应，内量子效率应接近于1。(2)要获得较高的开路电压Voc。太阳能电池内部必需正向暗电流Io较低而并联电阻Rsh较高。(3)要获得较高的填充因子FF。太阳能电池必需正向暗电流Io较低，理想因子“n”接近于1，串联电阻Rs必需较低(1cm2的太阳能电池面积应该Rs1)，而并联电阻Rsh必须较高(104.cm2)。7.4.5填充因子FF填充因子，FF，是太阳能电池品质(串联电阻和并联电阻)的量度。填充因子FF定义为实际的最大输出功率除以理想目标的输出功率(IscVoc)，即ocscmmVIVIFF(7.10)因而FFIVPscocm(7.11)理想情况下，FF只是开路电压Voc的函数，可用下面的近似经验公式计算：1)72.0ln(ocococFF(7.12)这里的FF,事实上就是实际应用的FFo。式中，oc定义为归一化开路电压，ococVnkTq(7.13)上式只适用于理想情况下，即没有寄生电阻损失的情况。数值可精确到四位数字。由式(7.10)可见，FF是太阳能电池IV特性曲线内所含最大功率面积与开路短路相应的矩形面积(理想形状)比较的量度。很清楚，FF应尽可能接近于1(即100%)，但指数函数的p-n结特性会阻止它达到1。FF越大，太阳能电池的质量越高。FF的典型值通常处于60~85%，并由太阳能电池的材料和器件结构决定。我们假定Isc,Voc保持恒定,研究填充因子FF(实际上是Rs,Rsh)对效率η的影响.图2填充因子FF是面积之比。实际上是在有光照的I－V曲线内最大矩形面积(Imp×Vmp)相对于理想情况下矩形面积(Isc×Voc)的测量。为了获得高的开路电压Voc,电池必须有低的暗电流Io,高的并联电阻Rsh;为了获得高的短路电流Isc(光电流),电池材料和结构应该在紫光,可见光和近红外光谱范围有高的,宽的和平坦的光谱响应,内量子效率接近于1;为了获得高的填充因子FF,电池必须有低的暗电流Io,理想因子”n”接近于1,串联电阻必须很低(1Ω·cm2),并联电阻Rsh必须大(6我们假定Isc,Voc保持恒定,研究填充因子FF(实际上是Rs,Rsh)对效率η的影响.图2填充因子FF是面积之比。实际上是在有光照的I－V曲线内最大矩形面积(Imp×Vmp)相对于理想情况下矩形面积(Isc×Voc)的测量。为了获得高的开路电压Voc,电池必须有低的暗电流Io,高的并联电阻Rsh;为了获得高的短路电流Isc(光电流),电池材料和结构应该在紫光,可见光和近红外光谱范围有高的,宽的和平坦的光谱响应,内量子效率接近于1;为了获得高的填充因子FF,电池必须有低的暗电流Io,理想因子”n”接近于1,串联电阻必须很低(1Ω·cm2),并联电阻Rsh必须大(20Ω·cm2).0Ω·cm2).7.7.5填充因子FF随温度升高而减少填充因子FF随着温度升高而减少。对硅(Si)太阳能电池可表示为：CTdTdVVdTdFFFFoococ/0015.06/]11[1(7.22)意思是温度每升高1oC，填充因子FF的值会降低0.0015FF。太阳能电池总是有寄生串联电阻Rs和寄生并联电阻Rsh的，这两种电阻都会把填充因子FF和输出功率降低，也就是降低太阳能电池的效率。7.8.1寄生串联电阻串联电阻Rs的组成，主要是：(1)半导体内部的体电阻；(2)电极用的金属与半导体表面层之间的接触电阻；(3)电极用的金属本身的电阻；(4)器件内部和外部线路互相连接的引线接触电阻。图7.14给出了太阳能电池IV特性随着寄生串联电阻Rs变化的曲线变化。图7.14随着串联电阻而变化的IV特性曲线。串联电阻的增大使最大输出功率减少，因此太阳能电池效率降低。因为填充因子FF决定着太阳能电池的输出功率水平，而最大输出功率Pm与串联电阻Rs相关，可近似表示为：)RIV(Ps'm'mm)RVI1(s'm'm)1(socscRVI(7.25)如果太阳能电池的特征电阻RCH定义为：scocCHIVR(7.26)那么，归一化串联电阻rs定义为：CHssRRr(7.27)因而FF=FFo(1rs)(7.28)有寄生电阻情况下引入FFo的符号。FFo是理想情况下的FF式(7.12)。或经验上而又更精确的表示为：4.5)1.11(2ssosrrFFFF(7.29)注意，本式只有当rs0.4和oc10才有效。7.8.2寄生并联电阻并联电阻Rsh的组成，主要是来自非理想的p-n结和p-n结附近的杂质，会引起p-n结部份地短路，特別是太阳能电池的边缘部份漏电现象，会使Rsh值减少。图7.15随着并联电阻而变化的IV特性曲线。并联电阻的减少使最大输出功率减少，因此太阳能电池效率降低。跟前面考虑串联电阻方法一样，归一化并联电阻rsh可定义为：CHshshRRr(7.30)因而)11(shorFFFF(7.31)或更精确的表示：])7.0(1[shoococoshrFFFFFF(7.32)注意，本式只有当rsh0.4时才有效。4．有那些参数影响填充因子FF的呢？(WhatparametersaffecttheFF)表面发射极掺杂层－高或低的磷浓度-方块电阻(Emitter–highorlowsurfacephosphorusconcentration)；去除周边pn结和去磷硅玻璃(Removeedgejunctionandphosphorussiliconglass)；串连电阻Rs(电极接触、金属指条宽度和纵横比大小)(Seriesresistance(contact,fingeretc));正面减反射膜(ARcoating)；金属电极接触的烧结(Firing)；并联电阻Rsh(Shuntresistance)。5．有那些参数影响填充因子FF的呢？(WhatparametersaffecttheFF)等效电路(EquivalentCircuit)（在光照下的太阳电池）(IlluminatedSolarCell)电池结构（损失的成分）CellStructure(LossComponents)6．为了提高丝网印刷（SP）填充因子FF，必须解决下列问题：(ToimproveSPfillfactors,thefollowingmustbedetermined):（1）金属电极接触的烧结对总串连电阻Rs（特别是对rc）的影响；(effectofcontactfiringontheoverallRseries(especiallyonrc))（2）金属电极接触的烧结对pn结质量（并联电阻Rsh和J02）的影响；(impactofcontactfiringonjunctionquality(RshuntandJo2))n+-Sip-SibackcontactGridlineBusbarContactSheetBulkContactShunting/Leakage.1exp1exp202101shsssLRJRVkTnJRVqJkTnJRVqJJJWhatparametersaffecttheFFEquivalentCircuit(IlluminatedSolarCell).1exp1exp202101shsssLRJRVkTnJRVqJkTnJRVqJJJn+-Sip-SibackcontactGridlineBusbarContactSheetBulkContactShunting/LeakageVJo1Jo2RshuntRseriesJscJ.1exp1exp202101shsssLRJRVkTnJRVqJkTnJRVqJJJCellStructure(LossComponents)ToimproveSPfillfactors,thefollowingmustbedetermined:effectofcontactfiringontheoverallRseries(especiallyonrc)impactofcontactfiringonjunctionquality(RshuntandJo2)*减少遮光损失，提升了短路电流Jsc，从而提高了能量转换效率η*Reduceshadingloss,improveJscandincreaseηFinalfingerwidth最后的金属指条宽度(μm)Shading遮光所占的面积(%)Jsc短路电流Jsc(mA/cm2)Efficiency能量转换效率η(%)EfficiencySolarfunStd能量转换效率η（林洋的标准）(%)1506.334.416.717.31205.034.816.917.51004.235.317.217.8