【文章內(nèi)容簡介】 并不一致，一般來說，量子效率 (外量子效率 )是指入射多少光子產(chǎn)生多少電子的比率，即入射到電池上的每個(gè)光子產(chǎn)生的電子 空穴對(duì)或少數(shù)載流子的數(shù)目，而收集效率 (內(nèi)量子效率 )是指吸收多少光子產(chǎn)生多少電子的比率，即在電池中被 吸收的每個(gè)光子產(chǎn)生的電子空穴對(duì)或少數(shù)載流子的數(shù)目。能量轉(zhuǎn)換效率是輸入多少的光能夠產(chǎn)生多少電能的比率數(shù)。由于入射的光子不一定都被吸收，產(chǎn)生的電子不一定都產(chǎn)生電能，因此一般而言，內(nèi)量子效率最高，而能量轉(zhuǎn)換效率最低，但它們都是可以測(cè)量或計(jì)算的。在太陽能電池中，只有那些能量大于其材料禁帶寬度的光子才能在被吸收時(shí)產(chǎn)生電子 空穴對(duì)，而那些能量小于禁帶寬度的光子即使被吸收也不能產(chǎn)生電子 空穴對(duì) (它們只是使材料變熱 )。這就是說，材料對(duì)光的吸收存在一個(gè)截止頻率（長波限）。并且當(dāng)禁帶寬度增加時(shí)，被材料吸收的總太陽能就越來越少。 對(duì)太陽輻射光線來說，能得到最好工作性能的半導(dǎo)體材料，其截止波長應(yīng)在 m?以上，包括從紅色到紫色全部可見光。每種太陽能電池對(duì)太陽光線都有其自己的光譜響應(yīng)曲線，它表示電池對(duì)不同波長的光的靈敏度 (光電轉(zhuǎn)換能力 )。太陽能電池的光譜響應(yīng)特性在很大程度上依賴于太陽能電池的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料的特性、結(jié)的深度和光學(xué)涂層。使用濾光膜和玻璃蓋片可以進(jìn)一步改善光譜響應(yīng)。太陽能電池的光譜響應(yīng)隨著溫度和輻照度損失而變化。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 12 頁 共 42 頁 伏安特 性 太陽能電池在短路條件下的工作電流稱為短路光電流（ scI ） ，短路光電流等于光子轉(zhuǎn)換成電子 空穴對(duì)的絕對(duì)數(shù)量。此時(shí)，電池輸出的電壓為零。太陽能電池在開路條件下的輸出電壓稱為開路光電壓 ( ocV )，此時(shí)，電池的輸出電流為零。具有 PN結(jié)的太陽能電池在不受光照時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)二極管，外加電壓和電流的關(guān)系曲線叫作光電池的暗特性曲線，如圖 b 曲線。在一定的光照下，可以得出端電壓和電路中通過負(fù)載的工作電流的關(guān)系曲線，叫作光電池的伏安特性曲線，如圖 a 曲線。其中，mV 表示最大功率點(diǎn)電壓， mI 表示最大功率點(diǎn)電流， mP 為最大功率點(diǎn)功率，表示為：mmm VIP ?? 。在一定的日照強(qiáng)度和溫度下，太陽能電池有唯一的最大輸出功率點(diǎn)，太陽能電池只有工作在最大功率點(diǎn)才會(huì)使其輸出的功率最大。 圖 太陽能電池在無光照和光照下的電流 電壓曲線 在一定的光照下，光生電流 IL是一個(gè)常量。這兩條曲線在第四象限所包圍的區(qū)域就是太陽能電池的輸出功率區(qū)域。把曲線上下翻轉(zhuǎn)，平移坐 標(biāo)軸位置，即可以得到通常使用的伏安特性曲線，如圖 。曲線在 I 軸上的截距為短路電流 scI ，在 V 軸上的截距為開路電壓 ocV 。圖 R 時(shí)的 VI? 關(guān)系，稱為負(fù)載線 。負(fù)載電阻 R為某一值時(shí)的直線與特性曲線的交點(diǎn)坐標(biāo)為使用這個(gè)負(fù)載電阻時(shí)的端電壓 V 和電流 I。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 13 頁 共 42 頁 圖 太陽能電池的伏安特性曲線 溫度特性 太陽能電池的開路電壓 ocV 隨著溫度的上升而下降，大體上溫度每上升 1℃，電壓下降 ；短路電流 scI 則隨著溫度的上升而微微地上升；電池的輸出功率 P則隨著溫度的上升而下降，每升高 1℃，約損失 ％ ％。溫度對(duì)太陽能電池的影響：載流子的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的增高而增大，所以少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度也隨著溫度的升高稍有增大，因此，光生電流也隨著溫度的升高有所提高。但是 I 隨溫度的升高指數(shù)增大，而ocV 隨溫度的升高急劇下降。當(dāng)溫度升高時(shí)， IU 曲線形狀改變，填充因子下降，故轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增加而降低。圖 特性曲線和常溫下不同日照的輸出特性曲線。 圖 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 14 頁 共 42 頁 圖 由特性曲線可知，效率隨著照度的上升而上升，因此可以通過提高電池單位面積上的照度來提高電池效率，即使用聚光技術(shù)。效率又隨著溫度的上升而下降，即太陽能電池轉(zhuǎn)換率具有負(fù)的溫度系數(shù)。所以在應(yīng)用時(shí)，如果使用聚光器，則聚光器的聚光倍數(shù)不能過大，以免造成結(jié)溫過高使電池轉(zhuǎn)換率下降甚至損害電池。此外，在聚光電池系統(tǒng)中應(yīng)加有相應(yīng)的電池冷卻裝置。 太陽能電池主要參數(shù) 不論是一般的化學(xué)電池還是太陽能電池，其輸出特性一般都是用如圖 安特性曲線來表示，短路電流 scI ，開路電壓 ocV ，最大輸出功率 mP 是它的主要輸出參數(shù)。轉(zhuǎn)換效率 ? 和填充因子 FF 是衡量電池品質(zhì)的主要參數(shù)。 (1)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率是指電池受光照時(shí)的最大輸出功率 mP 與照射到電池上的入射光的功率 inP 的比值，用式子表示為： %100???? in mminm P IVPP? () 式中， mI 和 mV 分別為光伏陣列最大電流 (A)和最大電壓 (V)。 光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率是衡量電池質(zhì)量和技術(shù)水平的重要參數(shù)，它與電池的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)特性、材料特性、工作溫度和環(huán)境溫度變化等有關(guān)。在溫度恒定的情況下，電池的轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨光強(qiáng)的增加而增加。對(duì)于一個(gè)給定的功率輸出，電池的轉(zhuǎn)換效率決定了所需的電池 板的數(shù)量，所以電池達(dá)到盡可能高的轉(zhuǎn)換效率是極其重要的。而這個(gè)結(jié)論清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 15 頁 共 42 頁 就為提高轉(zhuǎn)換效率提供了一種途徑：可以通過加裝聚光器來加強(qiáng)光照強(qiáng)度，從而減少光伏電池的使用，降低光伏發(fā)電的成本。 (2)填充因子 又稱曲線因子，即光伏電池最大功率與開路電壓 Voc 和短路電流 Isc乘積的比值，用符號(hào) FF表示： scocmmSCocm IV IVIV PFF ????? () 填充因子是評(píng)價(jià)光伏電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。影響填充因子的因素是 多方面的，它既和電池材料的 PN結(jié)曲線因子常數(shù)、串聯(lián)電阻 sR ，并聯(lián)電阻 shR 等內(nèi)部參數(shù)有關(guān)，還與光伏電池的工作溫度、光照強(qiáng)度等外部條件有關(guān)。一般 FF l，它的值越高，表明光伏電池輸出特性越近于矩形，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高 [1315]。 太陽能電池等效電路和效率分 析 太陽能電池等效電路 太陽能電池受光的照射便產(chǎn)生電流。這個(gè)電流隨著光強(qiáng)的增加而增大，當(dāng)接受的光強(qiáng)度一定時(shí)，可以將電池看作恒流電源。太陽能電池可看作 PN結(jié)型二極管，在光的照射下產(chǎn)生正向偏壓，所以在 PN結(jié)為理想狀態(tài)的情況下，可等效為電流源和一個(gè)理想二極管的并聯(lián)電路。但是在實(shí)際的太陽能電池中，由于電池表面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，流經(jīng)負(fù)載的電流經(jīng)過它們時(shí)，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻 sR 來表示；同時(shí)，由于電池邊沿的漏電，在電池的微裂痕、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本該通過負(fù)載的電流短路，這種作用可用一個(gè)并聯(lián)電阻 shR 來等效表示 [16]。此時(shí)的等效電路可用圖 ，太陽能電池的輸出電流 I 可表示為： shsn K TIRVqssh R IRVeIII s ?????????? ??? ? 1)( () 式中， shI 為光生電流 (A)； sI 為二極管的反向飽和電流 (A)； V 為太陽能電池輸出電壓(V)； q 為單位電荷 ( k庫侖 )； K 為玻耳茲曼常數(shù) ( J／ K)； T 為絕對(duì)溫清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 16 頁 共 42 頁 度 (K)； n 為二極管指數(shù)。 圖 太陽能電池等效電路 當(dāng)太陽能電池兩端開路時(shí)，即負(fù)載阻抗為無窮大時(shí)，電池的輸出電流 I 為零，此時(shí)的電壓為電池的開路電壓 ocV 。在式 ()中，令 0?I ，則有： shoK TqVssh RVeII oc ????????? ?? 1 () ????????????? 1lnsshocshoc IRVIqn K TV () 式 ()表明，開 路電壓 ocV 不受串聯(lián)電阻 sR 的影響，但與并聯(lián)電阻 shR 有關(guān)?？梢钥闯?，shR 減小時(shí)， ocV 會(huì)隨之減小。 太陽能電池兩 端短路即負(fù)載阻抗為零時(shí)，電池電壓 V 為零時(shí)，此時(shí)的電流為短路電流 scI 。在式 ()中令 0?V ，得： shss K TRqIsshsc R RIeIII ssc ????????? ??? 1 () 考慮到一般情況下 RsRsh，可化為： ???????? ??? 1nK TRqIsshscssceIII () 式 ()表明，短路電流基本與并聯(lián)電阻 shR 無關(guān)，但受串聯(lián)電阻 sR 的影響，隨著 sR 的清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 17 頁 共 42 頁 增大，短路 scI 電流會(huì)減小。 通常，在現(xiàn)代太陽能電池中， shR 的值一般很大，故式 ()中的最后一項(xiàng)通常忽略不計(jì)，這時(shí)式 ()變成： ???????? ??? ? 1)( nK TIRVqssh seIII () 當(dāng)參數(shù) shI ， sI ， sR ， n 確定之后，根據(jù)上式可以確定太陽能電池的輸出特性。 影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素 前面所敘述的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的理論值都是在理想狀況下得到的。而太陽能電池在光電轉(zhuǎn)換過程中，由于存在各種附加的能量損失，實(shí)際效率比理論極限效率要低。以 PN結(jié)硅電池為例，下面我們來分 析影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素。 (1)光生電流的光學(xué)損失 太陽能電池的效率損失中，有三種是屬于光學(xué)損失，其主要影響是降低了光生電流值。反射損失就是從空氣 (或真空 )入射到半導(dǎo)體材料的光的反射。以硅為例，在工作范圍內(nèi)的太陽能光譜中，超過 30％的光能被裸露的硅表面反射掉了，因而硅電池表面一般會(huì)涂上減反射膜 SiN。柵指電極遮光損失就是定義為柵指電極遮光面積在太陽能總面積中所占的百分比。對(duì)一般電池來說， c 約為 415％。 透射損失 就是如果電池厚度不足夠大，某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出，這決定了半導(dǎo)體材料的最小厚度。間接帶隙半導(dǎo)體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。 (2)光生載流子的收集效率 由于材料的缺陷等原因，所產(chǎn)生的電子及空穴等載流子發(fā)生再結(jié)合作用，使部分載流子消失掉。光照射 PN結(jié)激發(fā)出來的電子 空穴對(duì)不一定會(huì)全部被 PN結(jié)的自建電場(chǎng)所分離。我們把受激產(chǎn)生的電子 空穴對(duì)數(shù)目與被 PN結(jié)勢(shì)壘所分離的電子 空穴對(duì)數(shù)目之比叫做收集效率。半導(dǎo)體中電場(chǎng)產(chǎn)生的偏移效應(yīng)和電荷濃度梯度產(chǎn)生的擴(kuò)散效應(yīng)導(dǎo)致電子 空穴的移動(dòng)。過剩載流子是超過 熱平衡狀態(tài)存在的載流子，通常在某個(gè)時(shí)間常數(shù)下，具有返回平衡狀態(tài)的傾向。人們把這個(gè)時(shí)間常數(shù)叫做過剩載流子壽命。因此，在電子 空清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 18 頁 共 42 頁 穴對(duì)從產(chǎn)生的地方分別向 PN兩層移動(dòng)所需要的時(shí)間比過剩載流子壽命還要長的情況下，電荷將不會(huì)被 PN結(jié)勢(shì)壘所分離，對(duì)光生電壓的產(chǎn)生沒有貢獻(xiàn)。這樣，收集效率就由過剩載流子的壽命和 PN結(jié)的位置來決定。 (3)影響開路電壓的實(shí)際因素 決定開路電壓 ocV 大小的主要物理過程是半導(dǎo)體的復(fù)合。半導(dǎo)體復(fù)合率越高，少子擴(kuò)散長度越短， ocV 也就越低。在 PSi襯底中，影響非平衡少子總復(fù)合率的三種復(fù)合機(jī)理是：復(fù)合中心復(fù)合、俄歇復(fù)合及直接輻射復(fù)合?？倧?fù)合率主要取決于三種復(fù)合中復(fù)合率最大的一個(gè)。對(duì)于高質(zhì)量的硅單晶，當(dāng)摻雜濃度高于 1017 3?cm 時(shí)，則俄歇復(fù)合產(chǎn)生影響，使少子壽命降低。通常，電池表面還存在表面復(fù)合，也會(huì)降低 ocV 值。 (4)輻射效應(yīng) 應(yīng)用在衛(wèi)星上的太陽能電池受到太空中高能離子輻射，產(chǎn)生缺陷，使電池輸出功率下降，影響其使用壽命。 (5)電極接觸不良或設(shè)計(jì)不合理使串聯(lián)電阻增加，不能有效地收集載流子。 提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的各種技術(shù) 針對(duì) ，我認(rèn)為有以下幾種提高其轉(zhuǎn)換效率的方法，見表 。 表 損失原因 防止技術(shù) 表面光反射 采用減反射膜 表面進(jìn)行凹凸處理 合理設(shè)計(jì)電極 載流子再結(jié)合 加一層鈍化膜層 控制雜質(zhì)濃度 加背面場(chǎng) 合理設(shè)計(jì)電極 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 19 頁 共 42 頁 (1)減反射損失技術(shù) 為了減少太陽光的反射損失，一般采用下面兩種技術(shù)： 1)采用減反射膜。常用減反射膜有含氧量為 12的硅氧化物 (SiOx )與鈦氧化物 (TiOx )等。單獨(dú)采用一層反射膜效果不好，為此，大多采用二層減反射膜，如由 Ti02和 MgF2所組成的減反射膜或由