應用光伏學課件 第三章 太陽能電池的特性

1、應用光伏學課件 第三章 太陽能電池的特性 3.1.1 理想太陽能電池太陽能電池的結(jié)構(gòu) 太陽能電池是一種能直接把太陽光轉(zhuǎn)化為電的電子器件。入射到電池的太陽光通過同時產(chǎn)生電流和電壓的形式來產(chǎn)生電能。這個過程的發(fā)生需要兩個條件： 首先，被吸收的光要能在材料中把一個電子激發(fā)到高能級。第二，處于高能級的電子能從電池中移動到外部電路。在外部電路的電子消耗了能量然后回到電池中。許多不同的材料和工藝都基本上能滿足太陽能轉(zhuǎn)化的需求，但實際上，幾乎所有的光伏電池轉(zhuǎn)化過程都是使用組成 pn結(jié)形式的半導體材料來完成的。2022/7/252 3.1.1 理想太陽能電池太陽能電池的結(jié)構(gòu)太陽能電池的橫截面減反射膜前端接觸電

2、極發(fā)射區(qū)基區(qū)背接觸電極電子空穴對 太陽能電池運行的基本步驟：光生載流子的產(chǎn)生光生載流子聚集成電流產(chǎn)生跨越太陽能電池的高電壓能量在電路和外接電阻中消耗 3.1.1 理想太陽能電池太陽能電池的結(jié)構(gòu)2022/7/258UNSW新南威爾士大學 3.1.2 理想太陽能電池光生電流 在太陽能電池中產(chǎn)生的電流叫做“光生電流”，它的產(chǎn)生包括了兩個主要的過程。 第一個過程是吸收入射光子并產(chǎn)生電子空穴對。電子空穴對只能由能量大于太陽能電池的禁帶寬度的光子產(chǎn)生。 第二個過程是pn結(jié)通過對這些光生載流子的收集，即把電子和空穴分散到不同的區(qū)域，阻止了它們的復合。pn結(jié)是通過其內(nèi)建電場的作用把載流子分開的。 如果用一根導

3、線把發(fā)射區(qū)跟基區(qū)連接在一起（使電池短路），光生載流子將流到外部電路。2022/7/259UNSW新南威爾士大學動畫展示了短路情況下的理想電流。如果要阻止復合并對電流有貢獻的話，必須通過pn結(jié)的收集。 3.1.2 理想太陽能電池光生電流2022/7/2510UNSW新南威爾士大學 “收集概率”描述了光照射到電池的某個區(qū)域產(chǎn)生的載流子被pn結(jié)收集并參與到電流流動的概率。它的大小取決于光生載流子需要運動的距離和電池的表面特性。1. 在耗散區(qū)的所有光生載流子的收集概率都是相同的，因為在這個區(qū)域的電子空穴對會被電場迅速地分開。 2. 在遠離電場的區(qū)域，其收集概率將下降。當載流子在與電場的距離大于擴散長度

4、的區(qū)域產(chǎn)生時，那么它的收集概率是相當?shù)偷?。相似的，如果載流子是在靠近電池表面這樣的高復合區(qū)的區(qū)域產(chǎn)生，那么它將會被復合。 理想太陽能電池收集概率 理想太陽能電池收集概率前端表面在高復合率的情況下，其表面的收集概率很低。低擴散長度的太陽能電池。電池中距離表面的距離弱鈍化的太陽能電池強鈍化的太陽能電池在耗散區(qū)的收集概率相同背表面收集概率下面的圖描述了表面鈍化和擴散長度對收集概率的影響。收集概率與載流子的生成率決定了電池的光生電流的大小。 光生電流大小等于電池各處的載流子生成速率乘以該處的收集概率。下面是硅在光照為AM1.5下光生電流的方程，包括了生成率和收集概率。 理想太陽能電池收集概率2022/

5、7/2513 在AM1.5光譜下硅片中的載流子生成率。注意，電池表面的生成率是最高的，因此電池對表面特性是很敏感的。 理想太陽能電池收集概率2022/7/2514UNSW新南威爾士大學 上圖顯示了不同波長的光在硅材料中的載流子生成率。波長0.45m的藍光擁有高吸收率，為 cm-1，也因此它在非?？拷敹吮砻嫣幈晃?。波長0.8m的紅光的吸收率 cm-1，因此其吸收長度更深一些。1.1m紅外光的吸收率為 cm-1，但是它幾乎不被吸收因為它的能量接近于硅材料的禁帶寬度。 理想太陽能電池收集概率歸一化的E-H對生成率 理想太陽能電池收集概率 電池各區(qū)域截流子的收集概率是不一致。例如，表面的收集概率低

6、于其他部分的收集概率。藍光在硅表面的零點幾微米處幾乎被全部吸收。因此，如果頂端表面的收集概率非常低的話，入射光中藍光將不對光生電池做出貢獻。收集概率生成率在電池中的距離所謂“量子效率”，即太陽能電池所收集的載流子的數(shù)量與入射光子的數(shù)量的比例。如果某個特定波長的所有光子都被吸收，并且其所產(chǎn)生的少數(shù)載流子都能被收集，則這個特定波長的所有光子的量子效率都是相同的。而能量低于禁帶寬度的光子的量子效率為零。下圖將描述理想太陽能電池的量子效率曲線。 理想太陽能電池量子效率2022/7/2517UNSW新南威爾士大學 理想太陽能電池量子效率總量子效率的減小是由反射效應和過短的擴散長度引起的。理想量子效率曲線

7、能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以長波長的量子效率為零。量子效率前端表面復合導致藍光響應的減小。紅光響應的降低是由于背表面反射、對長波光的吸收的減少和短擴散長度 下圖為硅太陽能電池的量子效率。通常，波長小于350nm的光子的量子效率不予測量，因為在1.5大氣質(zhì)量光譜中，這些短波的光所包含能量很小。 盡管理想的量子效率曲線是矩形的（如上圖），但是實際上幾乎所有的太陽能電池的都會因為復合效應而減小。影響收集效率的因素同樣影響著量子效率。例如:頂端表面鈍化會影響靠近表面的載流子的生成，藍光是在非?？拷砻嫣幈晃盏?，所以頂端表面的高復合效應會強烈地影響藍光部分量子效率。綠光能在電池體內(nèi)的大部分被吸

8、收，但是電池內(nèi)過低的擴散長度將影響收集概率并減小光譜中綠光部分的量子效率。 理想太陽能電池量子效率2022/7/2519UNSW新南威爾士大學 硅太陽能電池中，“外部”量子效率：包括光的損失，如透射和反射?！皟?nèi)部”量子效率：指的是那些沒有被反射和透射且能夠產(chǎn)生可收集的載流子的光的量子效率。通過測量電池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲線并得到內(nèi)部量子效率。 理想太陽能電池量子效率2022/7/2520UNSW新南威爾士大學 “光譜響應”在概念上類似于量子效率。量子效率描述的是電池產(chǎn)生的光生電子數(shù)量與入射到電池的光子數(shù)量的比，而光譜響應指的是太陽能電池產(chǎn)生的電流大小與入射能量的比例。下圖將描述

9、一光譜響應曲線。理想的光譜響應硅太陽能電池的響應曲線能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以在長波長段的光譜響應為零。光譜響應 理想太陽能電池光譜響應短波長的光子的能量很高，導致光子與能量的比例下降。因高光子能量的不能完全利用，所以光譜響應隨著波長減小而下降。2022/7/2521UNSW新南威爾士大學光子的能量中，所有超出禁帶寬度的部分都不能被電池利用，而是只能加熱電池。在太陽能電池中，高光子能量的不能完全利用以及低光子能量的無法吸收，導致了顯著的能量損失。光譜響應是非常重要的量，因為只有測量了光譜響應才能計算出量子效率。公式如下： 理想太陽能電池光譜響應SR（光譜響應）2022/7/2522U

10、NSW新南威爾士大學 被收集的光生載流子并不是靠其本身來產(chǎn)生電能的。為了產(chǎn)生電能，必須同時產(chǎn)生電壓和電流。在太陽能電池中，電壓是由所謂的“光生伏打效應”過程產(chǎn)生的。 理想太陽能電池光伏效應2022/7/2523UNSW新南威爾士大學耗盡區(qū)：由N指向P的漂移電流在耗盡區(qū)外：光照產(chǎn)生的電子空穴對，由于沒有內(nèi)建電場的作用，并且多子濃度基本上不受光照效應的影響，所以在光照下，少子濃度增加，會產(chǎn)生的擴散電流。 P區(qū)內(nèi)：由于耗盡層靠近P區(qū)邊緣的電子濃度較低，所以P區(qū)內(nèi)光照產(chǎn)生的光生電子（少子）會擴散進入耜盡區(qū)，再流入N型區(qū)，光生空穴（多子）留在P區(qū)； N區(qū)內(nèi)：光照產(chǎn)生的光生空穴（少子）會擴散進入耜盡層，進

11、而再流入P型區(qū)，光生電子（多子）留在N區(qū)。這樣便在P-N結(jié)兩側(cè)形成了正、負電荷的積累，使N區(qū)儲存了過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，從而形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。耗盡層內(nèi)的漂移電流（NP），P區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子擴散電流（PN）和N區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的空穴擴散電流（NP）的總和就是所說的“光生電流” ，也就是短路電流。其流向與PN結(jié)正向偏壓下的電流流向相反。 理想太陽能電池光伏效應 光生電場除了部分抵消內(nèi)建電場的作用外，還使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生了電動勢，這就是光生伏打效應。 因為內(nèi)建電場代表著對多數(shù)載流子擴散電流的障礙，所以電場減小的同時也增大擴散電流，這就抵消了部分的光電

12、流。穿過pn結(jié)的電壓將達到新的平衡。流出電池的電流大小就等于光生電流與擴散電流的差。 理想太陽能電池光伏效應 在電池開路的情況下，pn結(jié)的正向偏壓處在新的一點，此時，光生電流大小等于擴散電流大小，且方向相反，即總的電流為零。當兩個電流達到平衡時的電壓叫做“開路電壓Voc”。 對晶體硅電池來說，開路電壓的典型型為0.50.6V。 如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過，這個電流稱為短路電流 Isc.下面動畫展示了載流子分別在短路和開路情況下的流動情況。 動畫顯示了太陽能電池分別在熱平衡、短路和開路下的載流子運動狀態(tài)。請注意不同情況下，流過pn結(jié)的電流的不同。1、在熱平衡下

13、（光照為零），擴散電流和漂移電流都非常小。2、電池短路時，pn結(jié)兩邊的少數(shù)載流子濃度以及由少數(shù)載流子決定大小的漂移電流都將增加。3、在開路時，光生載流子引起正向偏壓，因此增加了擴散電流。因為擴散電流和漂移電流的方向相反，所以開路時電池總電流為零。 理想太陽能電池光伏效應2022/7/2530UNSW新南威爾士大學 太陽能電池的參數(shù) 電池的伏安曲線動畫展示了光對一個pn結(jié)的電流電壓特性的影響。沒有光照時，太陽能電池與普通二極管的電性能沒什么不同。 點擊繼續(xù)太陽能電池的伏安曲線是電池二極管在黑暗時的伏安曲線與光生電流的疊加。光的照射能使伏安曲線移動到第四象限，意味著能量來自電池。 太陽能電池的參數(shù)

14、 電池的伏安曲線用光照射電池并加上二極管的暗電流，則二極管的方程變?yōu)椋菏街蠭L為光生電流。第一象限的伏安曲線方程為： 接下來的幾節(jié)將討論幾個用于描述太陽能電池特性的重要參數(shù)。短路電流（ISC），開路電壓（VOC），填充因子（FF）和轉(zhuǎn)換效率都可以從伏安曲線測算出來的重要參數(shù)。2022/7/2532UNSW新南威爾士大學 太陽能電池的參數(shù)短路電流 短路電流是指當穿過電池的電壓為零時流過電池的電流（或者說電池被短路時的電流）。通常記作ISC。太陽能電池的伏安曲線短路電流ISC是電池流出的最大電流，此時穿過電池的電壓為零。電池產(chǎn)生的電能 短路電流源于光生載流子的產(chǎn)生和收集。對于電阻阻抗最小的理想太陽

15、能電池來說，短路電流就等于光生電流。因此短路電流是電池能輸出的最大電流。2022/7/2533UNSW新南威爾士大學硅的禁帶寬度約為1.1eV，相應的波長是1.13um。禁帶寬度減小使能夠產(chǎn)生電子空穴對的光子數(shù)目增多。 短路電流的大小取決于以下幾個因素：太陽能電池的表面積。要消除太陽能電池對表面積的依賴，通常需改變短路電流強度（JSC單位為mA/cm2）而不是短路電流。硅在光照為AM1.5下光生電流的方程 太陽能電池的參數(shù)短路電流2022/7/2536UNSW新南威爾士大學 短路電流的大小取決于以下幾個因素：光子的數(shù)量（即入射光的強度）。電池輸出的短路電流ISC的大小直接取決于光照強度（在入射

16、光強度一節(jié)有討論）。入射光的光譜。測量太陽能電池是通常使用標準的1.5大氣質(zhì)量光譜。電池的光學特性（吸收和反射）（光學損耗一節(jié)有討論）電池的收集概率，主要取決于電池表面鈍化和基區(qū)的少數(shù)載流子壽命。 太陽能電池的參數(shù)短路電流2022/7/2537UNSW新南威爾士大學在比較相同材料的兩塊太陽能電池時，最重要的參數(shù)是擴散長度和表面鈍化。對于表面完全鈍化和生成率完全相同的電池來說，短路電流方程近似于： JSC=qG(Ln+Lp) 式中G代表生成率，而Ln和Lp分別為電子和空穴的擴散長度。 從這個方程看出，短路電流很大程度上取決于生成率和擴散長度。 在AM1.5大氣質(zhì)量光譜下的硅太陽能電池，其可能的最

17、大電流為46mA/cm2。實驗室測得的數(shù)據(jù)已經(jīng)達到42mA/cm2，而商業(yè)用太陽能電池的短路電流在28到35mA/cm2之間。 太陽能電池的參數(shù)短路電流2022/7/2538UNSW新南威爾士大學 開路電壓VOC是太陽能電池能輸出的最大電壓，此時輸出電流為零。開路電壓的大小相當于光生電流在電池兩邊加的正向偏壓。開路電壓如下圖伏安曲線所示。 太陽電池的參數(shù)開路電壓開路電壓是太陽能電池的最大電壓，即凈電流為零時的電壓。2022/7/2539 上述方程顯示了VOC取決于太陽能電池的飽和暗電流和光生電流。增加光生電流、減少飽和暗電流可提高開路電壓。 短路電流與入射光強成正比，開路電壓與入射光強的對數(shù)成

18、正比。所以增加入射光強，可增大開路電壓。 太陽電池的參數(shù)開路電壓 通過把輸出電流設(shè)置成零，便可得到太陽能電池的開路電壓方程：2022/7/2540UNSW新南威爾士大學但由于短路電流的變化很小，而飽和暗電流的大小可以改變幾個數(shù)量級，所以主要影響是飽和電流。飽和電流I0主要取決于電池的復合效應。 當 ，即：少子壽命無 限長，復合率趨于零時，飽和暗電流將趨于零。最小暗飽和電流與禁帶寬度之間關(guān)系的經(jīng)驗公式：Eg減小Isc增大，但Voc減小。 太陽電池的參數(shù)開路電壓太陽能電池的開路電壓方程：2022/7/2541UNSW新南威爾士大學存在一個最佳的半導體禁帶寬度，可使效率達到最高。在太陽能電池的伏它特

19、性中，習慣上把光生電流JL的方向作為電流的正方向。伏安特性曲線中，電壓V在0VOC之間時，電壓V和電流J的乘積為正值，表明太陽能電池產(chǎn)生電能；當V0，電壓V和電流J的乘積為負值，器件消耗功率。實驗室測得的硅太陽能電池在AM1.5光譜下的最大開路電壓能達到720mV，而商業(yè)用太陽能電池通常為600mV。 短路電流和開路電壓分別是太陽能電池能輸出的最大電流和最大電壓。然而，當電池輸出狀態(tài)在這兩點時，電池的輸出功率都為零。 “填充因子”，通常使用它的簡寫“FF”，是由開路電壓VOC和短路電流ISC共同決定的參數(shù)，它決定了太陽能電池的輸出效率。填充因子被定義為電池的最大輸出功率與開路VOC和ISC的乘

20、積的比值。 太陽能電池的參數(shù)填充因子2022/7/2544 太陽能電池的參數(shù)填充因子輸出電流（紅線）和功率的（藍線）圖表。同時標明了電場的短路電流（ISC）點、開路電壓（VOC）點以及最大功率點（Vmp，Imp）。從圖形上看，F(xiàn)F就是能夠占據(jù)IV曲線區(qū)域最大的面積。小長方形面積，表征最大功率ImVm，大長方形面積，表征ISCVOC。FF表征兩個長方形面積的接近程度。對有適當效率的電池來說，F(xiàn)F的值在0.70.85之間。要計算電池的FF可以對電池的功率進行求導，令其值為零，便可找出功率最大時的電壓電流值了。即： d（IV）/dV=0 并給出： 太陽能電池的參數(shù)填充因子然而，單從上面的步驟并不能得

21、出一個簡單或近似的方程。上面的方程只與VOC和Vmp有關(guān)，所以還需要額外的能求出Imp和FF的方程。2022/7/2546UNSW新南威爾士大學 1、上述方程顯示了電池的開路電壓越高，填充因子就越大。然而，材料相同的電池的開路電壓，它們的變化也相對較小。例如，(At one sun)在一個AM1.0下，實驗室硅太陽能電池和典型的商業(yè)硅太陽能電池的開路電壓之差大約為120mV，填充因子分別為0.85和0.83.然而，不同材料的電池的填充因子的差別則可能非常大。例如，GaAs太陽能電池的填充因子能達到0.89。 太陽能電池的參數(shù)填充因子一個比較常使用的經(jīng)驗方程是：規(guī)定 ，為規(guī)一化的開路電壓2022

22、/7/2547UNSW新南威爾士大學 2、上述方程還說明了理想因子（也叫n因子）的重要性。理想因子是描述pn結(jié)質(zhì)量和電池的復合類型的測量量。對于復合類型那一節(jié)所討論的簡單的復合來說，n的值為1。然而對于其它特別是效應很強的復合類型來說，n的值應該為2。大的n值不僅會降低填充因子，還會因為高復合效應而降低開路電壓。 太陽能電池的參數(shù)填充因子規(guī)定 ，為規(guī)一化的開路電壓2022/7/2548UNSW新南威爾士大學3、上述方程中一個重要的限制是，它求出的只是最大填充因子，然而實際上因為電池中寄生電阻的存在，填充因子的值可能會更低一些。因此，測量填充因子最常用的方法還是測量伏安曲線，即最大功率除以開路電

23、壓與短路電流的乘積。 FF=VmpImp/（VOCISC ） 太陽能電池的參數(shù)填充因子FF是衡量太陽能電池輸出特性好壞的重要指標。在一定光譜輻照 度下，F(xiàn)F越大，曲線愈方，輸出功率也越高。2022/7/2549UNSW新南威爾士大學 發(fā)電效率是人們在比較兩塊電池好壞時最常使用參數(shù)。效率定義為電池輸出的電能與射入電池的光能的比例。除了反映太陽能電池的性能之外，效率還決定于入射光的光譜和光強以及電池本身的溫度。所以在比較兩塊電池的性能時，必須嚴格控制其所處的環(huán)境。（1）測量陸地太陽能電池的條件是光照AM1.5和溫度25C。（2）空間太陽能電池的光照則為AM0。 太陽能電池的參數(shù) 效 率2022/7

24、/2550UNSW新南威爾士大學計算電池效率的方程：Pmax= VOCISC FF , =Pmax/Pin = VOCISC FF /Pin 太陽能電池的參數(shù) 效 率2022/7/2551UNSW新南威爾士大學直線斜率的倒數(shù)就是特征電阻。 太陽能電池的特征電阻就是指電池在輸出最大功率時的輸出電阻。此參數(shù)在分析電池特性，特別是研究寄生電阻損失機制時非常重要。圖上的公式還可代之以： RCH=VOC/ISC 電阻效應 太陽能電池的特征電阻2022/7/2552 電池的電阻效應以在電阻上消耗能量的形式降低了電池的效率。其中最常見的寄生電阻為串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻。 在大多數(shù)情況下，寄生電阻對電池的最主要影

25、響是減小填充因子。在太陽能電池中，電阻的單位是cm2。由歐姆定律可以求出單位面積的阻值，R（ cm2 ）=V/J。 電阻效應 寄生電阻效應電池等效電路53 太陽能電池中，引起串聯(lián)電阻的因素有：制造電池的半導體材料的體電阻、電極和互聯(lián)金屬的電阻，以及電極和半導體之間的接觸電阻。 電阻效應串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻對電池的主要影響是減小填充因子，此外，當阻值過大時還會減小短路電流。但對開路電壓無影響。下畫描述了串聯(lián)電阻對伏安曲線的影響。與特性電阻RCH相比，如果RS很小，則對FF就幾乎沒有影響。2022/7/2554 串聯(lián)電阻并不會影響到電池的開路電壓，因為此時電池的總電流為零，所以串聯(lián)電阻也為零。然而，在

26、接近開路電壓處，伏安曲線會受到串聯(lián)電阻的強烈影響。一種直接估計電池的串聯(lián)電阻的方法是找出伏安曲線在開路電壓處的斜率。 電阻效應串聯(lián)電阻2022/7/2555計算太陽能電池的最大功率的方程如下： 電阻效應串聯(lián)電阻若定義 為規(guī)一化（ normalized）串聯(lián)電阻， 2022/7/2556 假設(shè)開路電壓和短路電流沒有受到串聯(lián)電阻的影響，則可以算出串聯(lián)電阻對填充因子的影響： 在上述方程中，把沒有受串聯(lián)電阻影響的填充因子FF用符號FF0表示，而FF則用FFs代替。則方程改為： 而下面以實驗為基礎(chǔ)的方程能更加精確地表示FF0與FFS之間的關(guān)系： FFs=FF0（1-1.1rs）+r2s/5.4 此式在r

27、s10時有效。 電阻效應串聯(lián)電阻2022/7/2557UNSW新南威爾士大學 并聯(lián)電阻RSH通常是由于制造缺陷引起的。它的主要來源為：PN結(jié)漏電，包括繞過電池邊緣的漏電及由于結(jié)區(qū)存在晶體缺陷和外來雜質(zhì)的沉淀物所引起的內(nèi)部漏電。 電阻效應并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻對電池的主要影響是減小填充因子，此外，當阻值過小時還會減小開路電壓。但對短路電流無影響。下畫描述了并聯(lián)電阻對伏安曲線的影響。與特性電阻RCH相比，如果RSH很大，則對FF就幾乎沒有影響。2022/7/2558UNSW新南威爾士大學通過測量伏安曲線在接近短路電流處的斜率可以估算出電池內(nèi)并聯(lián)電阻的值。 電阻效應并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻以分流的形式造成功率損失

28、。在光強很低的情況下，并聯(lián)電阻對電池的影響最大，因為此時電池的電流很小。2022/7/2559UNSW新南威爾士大學 計算并聯(lián)電阻對填充因子的影響與計算串聯(lián)電阻對填充因子的影響時所使用的方法相似。即最大功率近似等于無并聯(lián)電阻時的功率減去并聯(lián)電阻所消耗的功率。方程如下： 這里把rsh=Rsh/RCH定義為規(guī)一化的并聯(lián)電阻。 電阻效應并聯(lián)電阻2022/7/2560UNSW新南威爾士大學 我們假設(shè)開路電壓和短路電流都沒有受并聯(lián)電阻的影響，則可計算出并聯(lián)電阻對填充因子的影響： 同樣，對沒有被并聯(lián)電阻影響的填充因子，我們用FF0表示，而FF則改用FFsh表示： FFsh=FF0（1-1/rsh） 下面將

29、列出更加精確的以實驗為基礎(chǔ)的方程 此方程在rsh0.4時有效 電阻效應并聯(lián)電阻61 當并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻同時存在時，太陽能電池的電流與電壓的關(guān)系為： 而電池的等效電路圖為： 電阻效應串、并聯(lián)電阻的共同影響式中IL為光生電流。）（第一象限的伏安曲線方程為：62 上式中FFs=FF0（1-1.1rs）+r2s/5.4 則將上面的方程結(jié)合后得到FF： 電阻效應串、并聯(lián)電阻的共同影響結(jié)合串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的影響，總的方程為：2022/7/2564UNSW新南威爾士大學 像所有其它半導體器件一樣，太陽能電池對溫度非常敏感。溫度的升高降低了半導體的禁帶寬度，因此影響了大多數(shù)的半導體材料參數(shù)?？梢园寻雽w的

30、禁帶寬度隨溫度的升高而下降看成是材料中的電子能量的提高。因此破壞共價鍵所需的能量更低。在半導體禁帶寬度的共價鍵模型中，價鍵能量的降低意味著禁帶寬度的下降。 其他效應溫度效應2022/7/2565UNSW新南威爾士大學 其他效應溫度效應 在太陽能電池中，受溫度影響最大的參數(shù)是開路電壓。溫度的改變對伏安曲線的影響如下圖所示。 短路電流ISC提高幅度很小溫度較高的電池開路電壓Voc下降幅度大1、開路電壓隨溫度的升高而減小；2、短路電流隨溫度的升高略有增加。 1、開路電壓隨著溫度而減小是因為I0對溫度的依賴。關(guān)于pn結(jié)兩邊的I0的方程如下： 式中，q為一個電子的電荷量；D為硅材料中少數(shù)載流子的擴散率；

31、L為少數(shù)載流子的擴散長度；ND為摻雜率；ni為硅的本征載流子濃度。 在上述方程中，許多參數(shù)都會受溫度影響，其中影響最大的是本征載流子濃度ni。本征載流子濃度決定于禁帶寬度（禁帶寬度越低本征載流子濃度越高）以及載流子所擁有的能量（載流子能量越高濃度越高）。 其他效應溫度效應2022/7/2567UNSW新南威爾士大學 其他效應溫度效應關(guān)于本征載流子的方程為： 式中，T表示溫度，h和k都是常數(shù)，me和mh分別是電子和空穴的有效質(zhì)量；EG0為禁帶寬度，B是也是一個常數(shù)，但基本不受溫度影響。把這個方程帶回到求解電流的方程中，并假設(shè)溫度對其它參數(shù)的影響忽略不計，則： 式中B為一個不受溫度影響的常數(shù)。常數(shù)

32、，被用來代替數(shù)字3以把其它參數(shù)可能受溫度的影響包括進去。對于溫度接近于室溫的硅太陽能電池來說，溫度每升高10C，I0將升高將近一倍。 把上述方程代入到VOC的方程中，便可計算出I0對開路電壓的影響。 其他效應溫度效應 其中，VG0=EG0/q。2022/7/2569UNSW新南威爾士大學 此方程顯示，隨著溫度升高，太陽能電池的開路電壓線性的減小。即電池的電壓越大，受溫度的影響就越小。 對于硅，EG0為1.2eV，取=3，則開路電壓的變化為大約2.2mV/C。 其他效應溫度效應我們假設(shè)dVOC /dT不受dISC /dT的影響，則2022/7/2570UNSW新南威爾士大學 其他效應溫度效應3、

33、同時，硅電池的填充因子FF受溫度的影響為： 2、 當溫度升高時，短路電流ISC會輕微地上升，因為當禁帶寬度EG減小時，將有更多的光子有能力激發(fā)電子空穴對。然而，這種影響是很小的，下面的方程說明硅太陽能電池中短路電流受溫度影響程度：而溫度對最大輸出功率Pm的影響為： 南極洲，正在測量太陽能電池的效率。太陽能電池喜歡陽光明媚寒冷天氣。 其他效應溫度效應2022/7/2572 改變?nèi)肷涔獾膹姸葘⒏淖兯刑柲茈姵氐膮?shù)，包括短路電流、開路電壓、填充因子FF、轉(zhuǎn)換效率以及并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻對電池的影響。通常用多少個太陽來形容光強，比如一個太陽就相當于AM1.5大氣質(zhì)量下的標準光強，即1KW/m2。如果太陽能電池在功率為10KW/m2的光照下工作，也可以說是在10個太陽下工作，或10X。被設(shè)計在一個太陽下工作的電池板叫“平板電池”，而那些使用聚光器的電池叫“聚光太陽能電池”。 其他效應光強效應2022/7/2573UNSW新南威爾士大學 其他效應光強效應聚光對太陽能電池的伏安特性的影響。短路電流ISC隨著聚光呈線性上升FF可能會因串聯(lián)電阻的上升而下降開路電壓隨光強呈對數(shù)上升 聚光太陽能電池 聚光太陽能電池是一種在光強大于一個太陽的光照下工作的太陽能電池。入射太陽光被聚焦或透過光學器件形成高強度的光束射到小面積的太