太陽(yáng)電池原理及主要電池介紹(編輯修改稿)
2025-02-15 00:16 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 外量子效率 (EQE) （ external quantum efficiency) ? 定義：對(duì)整個(gè)入射太陽(yáng)光譜，每個(gè)波長(zhǎng)為 λ 的入射光子能對(duì)外電路提供一個(gè)電子的概率 ? EQE(λ)=Isc(λ)/[qAQ(λ)],Q(λ) 為入射光子流密度， A為電子面積， q為電荷電量 ? 它反映的是對(duì)短路電流有貢獻(xiàn)的光生載流子密度與入射光子密度之比 ? 一般小于 1 ? 外量子效率低表明電池活性層對(duì)光子的利用率低，但也可能表明光的反射、透射比較多 46 內(nèi)量子效率 (IQE) （ internal quantum efficiency) ? 定義： 被電池吸收 的波長(zhǎng)為 λ 的一個(gè)入射光子能對(duì)外電路提供一個(gè)電子的概率 ? IQE(λ)=Isc(λ)/[qA （ 1s)(qR(λ))Q(λ)(e a(λ) Wopt1)],Q(λ) 為入射光子流密度， A為電子面積， q為電荷電量 ,Wopt是電池的光學(xué)厚度， R(λ) 是電池半球角反射 ? 內(nèi)量子效率低表明電池活性層對(duì)光子的利用率低 47 內(nèi)外量子效率的關(guān)系 ? IQE(λ)=EQE(λ)/[1 R(λ) T(λ)],T(λ)是電池半球投射 ? 內(nèi)量子效率通常大于外量子效率 ? 量子效率可以從一個(gè)角度反映電池性能 48 最大功率點(diǎn) 在太陽(yáng)電池的伏安特性曲線上對(duì)應(yīng)最大功率的點(diǎn)，又稱最佳工作點(diǎn)。 最佳工作電壓 太陽(yáng)電池伏安特性曲線上最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓。通常用 Vmp表示 最佳工作電流 太陽(yáng)電池伏安特性曲線上最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流。通常用 Imp表示 49 轉(zhuǎn)換效率 受光照太陽(yáng)電池的最大功率與入射到該太陽(yáng)電池上的全部輻射功率的百分比。 η = Vmp Imp / At Pin ? 其中 Vmp和 Imp分別為最大輸出功率點(diǎn)的電壓和電流， At為太陽(yáng)電池的總面積， Pin為單位面積太陽(yáng)入射光的功率。 50 51 Typical solar cell numbers ? Voc = V ? Jsc = 30 mA/cm2 (300 A/m2) ? FF = 7585 % ? Current and voltage not very practical numbers! ? Solution: connect small cells in series to modules! 52 Losses in a solar cell ? Absorption losses ? Too thin ? Bandgap too high ? Thermalization losses ? Difference between bandgap energy and photon energy wasted as heat ? Rebination losses ? Electron hole pairs rebine instead of separate 53 種類 材料 單電池效率 模塊效率 主要制備方法 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池 砷化鎵 19~ 32% 23~30% MOVPE和LPE技術(shù) 效率較高 成本較單晶硅低 易于規(guī)模生產(chǎn) 原材料鎘有劇毒 碲化鎘 10~ 15% 7~10% 銅銦硒 10~ 12% 8~10% 真空蒸鍍法和硒化法 價(jià)格低廉 性能良好 工藝簡(jiǎn)單 原材料來源比較有限 納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池 8~11% ~8% 溶膠凝膠法 水熱反應(yīng) 濺射法 成本低廉 工藝簡(jiǎn)單 性能穩(wěn)定 聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池 3~5% 處于研發(fā)當(dāng)中 易制作 材料廣泛 成本低 壽命短 53 54 無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展 名稱 禁帶寬度 ( e V ) 轉(zhuǎn)換效率 應(yīng)用實(shí)況 單晶硅 1 . 1 2 24 .4 用于空間及地面太陽(yáng)電池 多晶硅 1 . 1 2 18 與單晶硅占市場(chǎng) 7 0 ~ 8 0 % 非晶硅 1 . 5 ~ 2 . 0 13 占市場(chǎng) 1 0 ~ 2 0 % 消費(fèi)電子 , 能源 復(fù)合 型 1 7 . 3 已 商業(yè) 化 C d T e 1 . 4 4 15 與 C d S 結(jié)合構(gòu)成的太陽(yáng)電池已商業(yè)化 C u I n S e2 1 . 0 4 17 探索大面積應(yīng)用批量生產(chǎn)技術(shù) G a A s 1 . 4 2 3 7 . 4 已開始用于空間太陽(yáng)電池 I n P 1 . 3 5 1 9 . 1 耐輻射性能優(yōu)異 , 處于研究開發(fā)階段 表 1 無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的性能及應(yīng)用 54 55 硅太陽(yáng)電池 單晶硅 多晶硅 非晶硅 Type Efficiency in Lab Efficiency in Production Monocrystalluiine 24 1417 Polycrystalline 18 1315 Amorphous 13 57 55 電池效率損失分析 電池設(shè)計(jì)原則 電池設(shè)計(jì) 56 ? 單結(jié)太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率理論值可達(dá)到 31%(GaAs)，目前最高的單結(jié)電池效率接近 25%，產(chǎn)業(yè)化的最高效率 20%多，與理論值還有較大差距。 電池效率損失分析 57 太陽(yáng)電池的工作過程 ? 吸收光子，產(chǎn)生 電子空穴 對(duì)。 ? 電子空穴對(duì)被 內(nèi)建電場(chǎng) 分離，在 PN結(jié)兩端產(chǎn)生電勢(shì)。 ? 將 PN結(jié)用導(dǎo)線連接，形成電流。 ? 在太陽(yáng)電池兩端連接負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了將光能向電能的轉(zhuǎn)換。 58 太陽(yáng)電池工作時(shí)引起效率損失的過程 主要損失是過程： ? 光學(xué)損失： 反射、投射、失去超過禁帶寬度的冗余能量。能量較低的光子與能量很高的光子在在激發(fā)電子空穴對(duì)產(chǎn)生輸出時(shí)是等效的。僅這一項(xiàng)損失就使標(biāo)準(zhǔn)電池的轉(zhuǎn)換效率局限至 44％左右。 ?光激發(fā)電子空穴對(duì)的復(fù)合 。采用具有合適性能的半導(dǎo)體材料 (尤其是光生載流產(chǎn)壽命長(zhǎng)的材料 )可以將載流產(chǎn)復(fù)合損失降至最低，也就是減少材料缺陷從而消除載流子復(fù)合通道。載流子壽命此時(shí)決定于電池內(nèi)部的輻射復(fù)合，它是光激發(fā)過程的逆過程。 ?電流輸出過程的損失： 串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻等 59 ? 盡可能的增加電池的光收集能力和被電池吸收的光轉(zhuǎn)變?yōu)檩d流子數(shù)量 . ? 盡力提高 pn結(jié)對(duì)光生載流子的收集能力 ? 盡可能的減少正向偏壓下暗電流 ? 盡可能降低電流流出太陽(yáng)電池時(shí)的電阻損失 設(shè)計(jì)原則 60 材料禁帶寬度 ? 決定了入射光譜進(jìn)入電池的下限，太陽(yáng)光譜的利用范圍 ? 小的禁帶寬度可以拓寬電池對(duì)太陽(yáng)光的吸收，但是會(huì)提高反向飽和電流，降低開路電壓 ? 寬帶隙提高開路電壓，但是使材料的吸收光譜變窄，減少光電流 ? 禁帶寬度有一個(gè)優(yōu)化值（ ~） 61 （ 1）光學(xué)損失 ? 光學(xué)損失降低電池的短路電流，從而影響其發(fā)電功率 ? 光學(xué)損失主要包括由于電池表面的反射或由于沒有被電池 吸收的本來能夠產(chǎn)生電子 空穴對(duì)的那些光 ? 對(duì)于常見的太陽(yáng)電池，全部可見光譜的能量都足以在電池中產(chǎn) 生電子 空穴對(duì)，因此，理想狀態(tài)下所有可見光都可以電池吸收 表面反射 被電極
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