太阳能电池的等效电路和转化效率理论上限.ppt

三、太阳能电池的等效电路等效电路是描述太阳能电池的最一般方法1、理想pn结太阳能电池的等效电路理想pn结太阳能电池可以 用一恒定电流源Iph（光生电流）及一理想二极管的并联 来表示其等效电路如左图 所示其电流电压关系满足 我们上一节所介绍的方程I = IF-IL = Is[exp(qV/kT)-1]-IL2、pn结太阳能电池的实际等效电路实际上，pn结太阳能电池存 在着Rs和Rsh的影响其中， Rs是由材料体电阻、薄层电阻、 电极接触电阻及电极本身传导 电流的电阻所构成的总串联电 阻 Rsh是在pn结形成的不完全的部分所导致的漏电流，称 为旁路电阻或漏电电阻这样 构成的等效电路如右图所示下面我们来分析一下串联电阻Rs和漏电电阻Rsh对光电池效率的影响根据图示的电路 ，对同一个太阳能 电池，当入射光强 度较弱时，IL较小， 二极管电流和漏电 流大小相差不多， 此时，Rsh的影响较 大 I = IL-Is[exp(qV/kT)-1]-V/Rsh漏电电阻 对光电池输出特 性的影响可用右 图表示可以看 出，漏电电阻Rsh 对光电流的影响 较小，而对开路 电压的影响较大 入射光功率一定（100 mW/cm2)，并假 设Voc=0.51V，Jsc = 30 mA/cm2，Rs=0。

当光照较强时，二 极管电流远大于漏电 电流，此时，Rsh对光 电池的影响较小，而 相反的，Rs的影响就变 大起来I = IL-Is{exp[q(V+RsI)/kT]-1}右图给出了Rs对光电池 输出特性的影响可以看 出光电池的输出特性随着 Rs有着较大的变化，并且 Rs对开路电压的影响几乎 没有，但对短路电流却有 很大的影响入射光功率一定（100 mW/cm2)，并假 设Voc=0.51V，Jsc = 30 mA/cm2，Rsh= 四、太阳能电池转换效率的理论上限1、太阳能电池的理论效率太阳能电池的理论效率由下式决定：= Voc•Isc•FF Pin • S当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定以后，其值就 取决于开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最 大值下面我们就来分别考虑开路电压Voc、短路电 流Isc和填充因子FF的最大值短路电流Isc的考虑：我们假设在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳 能电池没有贡献，其中长波限满足：max = 1.24(m)/Eg(eV)而其余部分的光子，因其能量h大于材料的禁带宽度 Eg，被材料吸收而激发电子-空穴对假设其量子产额为1 ，而且被激发出的光生少子在最理想的情况下，百分之 百地被收集起来。

在上述理想的假设下，最大短路电流 值显然仅与材料带隙Eg有关，其计算结果如图所示在 AMO和AM1.5光照射下的最大短路电流值开路电压Voc的考虑：开路电压Voc的最大值，在理想情况下有下式决定：Voc = kT qln(IL Is+1)式中IL是光生电流，在理想情况即为上图所对应的 最大短路电流 Is是二极管反向饱和电流，其满足：Is = Aq(Dn/LnNA+Dp/LpND)ni2 ni2= NcNvexp(-Eg/kT)显然， Is取决于Eg、Ln、Lp、NA、ND和绝对温度T的大 小，同时也与光电池结构有关为了提高Voc，常常采用 Eg 大，少子寿命长及低电阻率（例如对硅单晶片选用0.2欧姆 厘米）的材料，代入合适的半导体参数的数值，给出硅的最 大Voc值约700mV左右填充因子FF的考虑：在理想情况下，填充因子FF仅是开路电压Voc的 函数，可用以下经验公式表示：FF =Uoc-ln(Uoc+0.72) Uoc+1Uoc = Voc(kT/q)1/2这样，当开路电压Voc的最大值确定后，就可计 算得到FF的最大值综合上述结果，可得到作为带隙Eg的函数的最大转 换效率，其结果示于下图中。

2、影响太阳能电池转换效率的一些因素我们前面介绍了太阳能电池转换效率的 理论值，这些理论值都是在理想情况下得到 的而太阳能电池在光电能量转换过程中， 由于存在各种附加的能量损失，实际效率比 上述的理论极限效率低下面以pn结硅电池为例，介绍一些影响太阳能电池转换效率的 因素光生电流的光学损失：太阳能电池的效率损失中，有三种是属于光学损失 ，其主要影响是降低了光生电流值反射损失：从空气（或真空 ）垂直入射到半导体材料的 光的反射以硅为例，在感 兴趣的太阳光谱中，超过 30%的光能被裸露的硅表面 发射掉了栅指电极遮光损失c：定义 为栅指电极遮光面积在太 阳能总面积中所占的百分 比（见下图）对一般电 池来说，c约为4%-15%透射损失：如果电池厚 度不足够大，某些能量 合适能被吸收的光子可 能从电池背面穿出这 决定了半导体材料之最 小厚度间接带隙半导 体要求材料的厚度比直 接带隙的厚如图为对 硅和砷化镓的计算结果 光生少子的收集几率：在太阳能电池内，由于存在少子的复合， 所产生的每一个光生少数载流子不可能百分之 百地被收集起来定义光激发少子中对太阳能 电池的短路电流有贡献的百分数为收集几率 该参数决定于电池内个区域的复合机理，也与 电池结构与空间位置有关。

影响开路电压的实际因素：决定开路电压Voc大小的主要物理过程是半导体的复 合半导体复合率越高，少子扩散长度越短， Voc也就越 低体复合和表面复合都是重要的在p-Si衬底中，影响非平衡少子总复合率的三种复合 机理是：复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合总复 合率主要取决三种复合中复合率最大的一个例如：对于 高质量的硅单晶，当掺杂浓度高于 1017cm-3时，则俄歇复 合产生影响，使少子寿命降低通常，电池表面还存在表面复合，表面复合也会降 低Voc值复合中心复合、俄歇复合、直接辐射复合和表面复合？）除了上述因素外，前面我们介绍过的串联电阻和旁路电阻的影响，以及后面会介绍到 的一些因素，导致实际的太阳能电池的转换效 率的降低，通过对这些因素的了解，可以作为 改进太阳能电池设计及工艺，提高其效率的基 础。