【文章內容簡介】 外量子效率 (EQE) （ external quantum efficiency) ? 定義：對整個入射太陽光譜，每個波長為 λ 的入射光子能對外電路提供一個電子的概率 ? 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 ? 它反映的是對短路電流有貢獻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光子的利用率低，但也可能表明光的反射、透射比較多 46 內量子效率 (IQE) （ internal quantum efficiency) ? 定義： 被電池吸收 的波長為 λ 的一個入射光子能對外電路提供一個電子的概率 ? 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是電池的光學厚度， R(λ) 是電池半球角反射 ? 內量子效率低表明電池活性層對光子的利用率低 47 內外量子效率的關系 ? IQE(λ)=EQE(λ)/[1 R(λ) T(λ)],T(λ)是電池半球投射 ? 內量子效率通常大于外量子效率 ? 量子效率可以從一個角度反映電池性能 48 最大功率點 在太陽電池的伏安特性曲線上對應最大功率的點，又稱最佳工作點。 最佳工作電壓 太陽電池伏安特性曲線上最大功率點所對應的電壓。通常用 Vmp表示 最佳工作電流 太陽電池伏安特性曲線上最大功率點所對應的電流。通常用 Imp表示 49 轉換效率 受光照太陽電池的最大功率與入射到該太陽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的電壓和電流， At為太陽電池的總面積， Pin為單位面積太陽入射光的功率。 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 缺點 多元化合物薄膜太陽能電池 砷化鎵 19~ 32% 23~30% MOVPE和LPE技術 效率較高 成本較單晶硅低 易于規(guī)模生產 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 價格低廉 性能良好 工藝簡單 原材料來源比較有限 納米晶化學太陽能電池 8~11% ~8% 溶膠凝膠法 水熱反應 濺射法 成本低廉 工藝簡單 性能穩(wěn)定 聚合物多層修飾電極型太陽能電池 3~5% 處于研發(fā)當中 易制作 材料廣泛 成本低 壽命短 53 54 無機太陽能電池研究進展 名稱 禁帶寬度 ( e V ) 轉換效率 應用實況 單晶硅 1 . 1 2 24 .4 用于空間及地面太陽電池 多晶硅 1 . 1 2 18 與單晶硅占市場 7 0 ~ 8 0 % 非晶硅 1 . 5 ~ 2 . 0 13 占市場 1 0 ~ 2 0 % 消費電子 , 能源 復合 型 1 7 . 3 已 商業(yè) 化 C d T e 1 . 4 4 15 與 C d S 結合構成的太陽電池已商業(yè)化 C u I n S e2 1 . 0 4 17 探索大面積應用批量生產技術 G a A s 1 . 4 2 3 7 . 4 已開始用于空間太陽電池 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 無機太陽能電池的性能及應用 54 55 硅太陽電池 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 電池設計原則 電池設計 56 ? 單結太陽電池轉換效率理論值可達到 31%(GaAs)，目前最高的單結電池效率接近 25%，產業(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 太陽電池的工作過程 ? 吸收光子，產生 電子空穴 對。 ? 電子空穴對被 內建電場 分離，在 PN結兩端產生電勢。 ? 將 PN結用導線連接，形成電流。 ? 在太陽電池兩端連接負載，實現了將光能向電能的轉換。 58 太陽電池工作時引起效率損失的過程 主要損失是過程： ? 光學損失： 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)電子空穴對產生輸出時是等效的。僅這一項損失就使標準電池的轉換效率局限至 44％左右。 ?光激發(fā)電子空穴對的復合 。采用具有合適性能的半導體材料 (尤其是光生載流產壽命長的材料 )可以將載流產復合損失降至最低，也就是減少材料缺陷從而消除載流子復合通道。載流子壽命此時決定于電池內部的輻射復合，它是光激發(fā)過程的逆過程。 ?電流輸出過程的損失： 串聯電阻、并聯電阻等 59 ? 盡可能的增加電池的光收集能力和被電池吸收的光轉變?yōu)檩d流子數量 . ? 盡力提高 pn結對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電池時的電阻損失 設計原則 60 材料禁帶寬度 ? 決定了入射光譜進入電池的下限，太陽光譜的利用范圍 ? 小的禁帶寬度可以拓寬電池對太陽光的吸收，但是會提高反向飽和電流，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 ? 禁帶寬度有一個優(yōu)化值（ ~） 61 （ 1）光學損失 ? 光學損失降低電池的短路電流，從而影響其發(fā)電功率 ? 光學損失主要包括由于電池表面的反射或由于沒有被電池 吸收的本來能夠產生電子 空穴對的那些光 ? 對于常見的太陽電池，全部可見光譜的能量都足以在電池中產 生電子 空穴對，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