第五講：太陽(yáng)能電池效率極限

1、太陽(yáng)能電池 工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用,作者：馬丁.格林,2,第 四講效率極限,復(fù)習(xí),1 太陽(yáng)能發(fā)電原理和影響因素,1.1 光的吸收與載流子復(fù)合 1.2 光照的影響 1.3 光譜響應(yīng) 1.4 溫度的影響 1.5 寄生電阻的影響,1.1 光的吸收與載流子復(fù)合,當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，擁有比禁帶寬（Eg）還小的能量（Eph）的光子與半導(dǎo)體的相互左右極弱，于是順利地穿透半導(dǎo)體，就如半導(dǎo)體是透明的一樣。 然而，能量比帶隙能量大的光子（EghEg）會(huì)與形成共價(jià)鍵的電子相作用，用它自身所具有的能量去破壞共價(jià)鍵，形成可以自有流動(dòng)的電子-空穴對(duì)。,光照時(shí)電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生,光子的能量越高，被吸收的位置就越接近半

2、導(dǎo)體表面，較低能量的光子則在距半導(dǎo)體表面較深處被吸收。,光的能量與電子-空穴對(duì)產(chǎn)生的位置間的聯(lián)系,Resource Characteristics 地面附近太陽(yáng)輻射光譜圖,The absorption depths of silicon,單位體積內(nèi)電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生率可用下式表示： N為光子的流量（每秒流過(guò)單位面積的光子數(shù)量），是吸收系數(shù)，x是到表面的距離。,物理意義 相當(dāng)于某波長(zhǎng)的光在媒質(zhì)中傳播1/距離時(shí)能量減弱到原來(lái)能量的1/e。一般用吸收系數(shù)的倒數(shù)1/來(lái)表征該波長(zhǎng)的光在材料中的透入深度。,在300K時(shí)，對(duì)于硅材料，和波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系,1.1 光的吸收與載流子復(fù)合,當(dāng)光源被關(guān)掉后，系統(tǒng)勢(shì)必會(huì)

3、回到一個(gè)平衡狀態(tài)。在沒(méi)有外界能量來(lái)源的情況下，電子和空穴會(huì)無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)直到他們相遇并復(fù)合。 任何表面或內(nèi)部的缺陷、雜質(zhì)都會(huì)促進(jìn)復(fù)合的產(chǎn)生。 材料的載流子壽命可以定義為電子空穴對(duì)從產(chǎn)生到復(fù)合的平均存在時(shí)間。對(duì)于硅，典型的載流子壽命約為1s。,類(lèi)似的，載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度就是載流子從產(chǎn)生到復(fù)合所能移動(dòng)的平均距離。對(duì)于硅，擴(kuò)散長(zhǎng)度一般是100300m。 這兩個(gè)參數(shù)為太陽(yáng)能電池應(yīng)用的材料提出參考。 如果沒(méi)有一個(gè)使電子定向移動(dòng)的方法，半導(dǎo)體就無(wú)法輸出能量。因此，一個(gè)功能完善的太陽(yáng)能電池，通常需要增加一個(gè)整流P-N結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。,1.2 光照的影響,照射到電池上的光可呈現(xiàn)多種不同的情形。為了使太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效

4、率最大化，必須設(shè)計(jì)使之得到最大的直接吸收以及反射后的吸收。,1-頂電極上的反射與吸收；2-在電池表面的反射；3-可用的吸收； 4-電池底部的反射（僅對(duì)吸收較弱的光線有效）；5-反射后的吸收； 6-背電極處的吸收,在P-N結(jié)電場(chǎng)E的作用下，電子受力向N型一側(cè)移動(dòng)，空穴受力向P型一側(cè)移動(dòng)。短路時(shí)，在外電路產(chǎn)生光電流。,理想短路情況下P-N結(jié)區(qū)域電子與空穴的流動(dòng)（電子、空穴產(chǎn)生、定向移動(dòng)、被收集、外電路流動(dòng)）,盡管如此，一部分電子和空穴在被收集之前就已經(jīng)消失了。,電子空穴對(duì)復(fù)合的一些可能模式，以及未復(fù)合的載流子被收集的情況,總體來(lái)說(shuō)，在P-N結(jié)越近的地方產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越容易被收集。當(dāng)V=0時(shí)，那些

5、被收集的載流子將會(huì)產(chǎn)生一定大小的電流。如果電子空穴對(duì)在P-N結(jié)附近小于一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度的范圍內(nèi)產(chǎn)生，收集的幾率就比較大。,在無(wú)光照的情況下，描述二極管電流I和電壓V間函數(shù)關(guān)系的特征曲線（I-V曲線）為： 光線的照射對(duì)太陽(yáng)電池的作用，可以認(rèn)為是在原有的二極管暗電流基礎(chǔ)之上疊加了一個(gè)電流增量，于是二極管公式變?yōu)椋?1.2 光照的影響,光的照射對(duì)P-N結(jié)電流-電壓間函數(shù)特性的影響,電壓電流 方向？,I,V,Dark Characteristic Light Characteristic,I,V,Power Generating Region,Power Dissipating Region,Power

6、Dissipating Region,光照能使電池的I-V曲線向下平移到第四象限，于是二極管的電能可以被獲取。 為便于討論，太陽(yáng)電池的I-V特性曲線通常被上下翻轉(zhuǎn)，將輸出曲線置于第一象限，并用下式表示：,The VI characteristic of a solar cell is usually displayed like this:,V,I,V,I,The coordinate system is flipped around the voltage axis.,用于衡量在一定照射強(qiáng)度、工作溫度以及面積條件下，太陽(yáng)能電池電力輸出的兩個(gè)主要制約參數(shù)為： 短路電流（Isc， Short c

7、ircuit current ） 當(dāng)電壓為零時(shí)電池輸出的最大電流，Isc=IL。Isc與所接受到的光照強(qiáng)度成正比。 開(kāi)路電壓（Voc， Open circuit voltage ） 電流為零時(shí)，電池輸出的最大電壓。Voc的值隨輻照強(qiáng)度的增加成對(duì)數(shù)方式增長(zhǎng)。,I = ISC,R = 0,Does it surprise you that the current at short circuit is not infinite? Or that a current can flow with no voltage? Where does the energy originate?,Question

8、 #1:,I = 0,R = ,Question #2:,+ _,V = VOC,RS , RSH,ISC,VOC,The slopes of these lines are characteristic resistances.,RSH,RS,ISC,RS,RSH,RLOAD,Equivalent circuit for a solar cell with load. Internal resistances RS and RSH represent power loss mechanisms inside the cell.,Cell,Cell,ISC,RS = 0,RSH = ,RLOA

9、D,The ideal solar cell would have no internal losses at all! What would the VI characteristic of THIS cell look like?,ISC,VOC,RSH = ,RS = 0,The Ideal Solar Cell,Notice that the area under the rectangle = PMAX for the ideal cell. For this cell, PMAX = VOC ISC,ISC,VOC,The Ideal Solar Cell,對(duì)于I-V曲線上的每一點(diǎn)

10、，都可取該點(diǎn)上電流與電壓的乘積，以反映此工作情形下的輸出電功率。 填充因子（FF，F(xiàn)ill Factor）是衡量電池P-N結(jié)的質(zhì)量以及串聯(lián)電阻的參數(shù)。 填充因子定義為： 所以：,ISC , PMAX , VOC,(0.5V, 0 mA) V I = 0 mW,(0.43 V, 142 mA) V I = 61 mW,ISC,VOC,PMAX,(0V, 150 mA) V I = 0 mW,Some typical values,ISC,VOC,Fill Factor,In fact, PMAX/(ISC VOC) measures the cells quality as a power so

11、urce. The quantity is called the “Fill Factor.” Can you see why?,補(bǔ)充：最大轉(zhuǎn)換效率為帶隙Eg的函數(shù),定性結(jié)論： 短路電流隨Eg的增大而減??； 開(kāi)路電壓隨Eg的增大而增大； 在Eg為1.4eV時(shí)出現(xiàn)太陽(yáng)電池的最大轉(zhuǎn)換效率,1.3 光譜響應(yīng),當(dāng)單個(gè)光子的能量比半導(dǎo)體材料的禁帶寬度大時(shí)，太陽(yáng)電池就會(huì)吸收這個(gè)光子并產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，在這種情況下，太陽(yáng)能電池對(duì)入射光的光子產(chǎn)生響應(yīng)。光子能量超出禁帶寬度的部分以熱量形式散失。,電子空穴對(duì)的產(chǎn)生與超過(guò)帶隙部分能量的散失,太陽(yáng)電池能夠響應(yīng)的最大波長(zhǎng)被半導(dǎo)體材料的禁帶寬度所限制。當(dāng)禁帶寬度在1.

12、01.6eV時(shí)，入射陽(yáng)光的能量才有可能被最大限度地利用。 單獨(dú)考慮這個(gè)因素，就將太陽(yáng)電池的最大可能轉(zhuǎn)換效率限制在44%以下。,光譜響應(yīng)度,另一個(gè)值得注意的物理量是太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)度，用每瓦特功率入射光所產(chǎn)生的電流強(qiáng)度來(lái)表示。 理想情況下，光譜響應(yīng)度隨著波長(zhǎng)的增加而增加。,光譜響應(yīng)度,然而，在短波長(zhǎng)輻射下，電池?zé)o法利用光子的全部能量，長(zhǎng)波長(zhǎng)輻射下，電池對(duì)光線的吸收作用較弱，導(dǎo)致大部分光子在遠(yuǎn)離P-N結(jié)的區(qū)域被吸收。 半導(dǎo)體材料的有限擴(kuò)散長(zhǎng)度也限制了電池對(duì)光的響應(yīng)。,典型的實(shí)際太陽(yáng)電池的外部量子效率和光譜響應(yīng),恒定的電池溫度下，不同的輻照度對(duì)光生電流密度 和電壓輸出特性曲線的影響,1.4 溫度

13、的影響,溫度的影響包括：短路電流隨溫度上升而增加，因?yàn)閹赌芰肯陆盗?，更多的光子具有足夠的能量?lái)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，但是，這是一個(gè)比較微弱的影響。 對(duì)硅電池來(lái)說(shuō)，溫度的上升主要致使開(kāi)路電壓和填充因子下降，因而導(dǎo)致了輸出電功率下降。 對(duì)硅電池而言，溫度對(duì)最大輸出功率的影響如下,溫度對(duì)太陽(yáng)電池I-V特性的影響,1.5 寄生電阻的影響,太陽(yáng)能電池通常伴有寄生的串聯(lián)和分流電阻，此寄生電阻都會(huì)導(dǎo)致FF降低。,串聯(lián)電阻主要來(lái)源于半導(dǎo)體材料的體電阻、金屬接觸電阻、載流子在頂部擴(kuò)散層的輸運(yùn)等。,串聯(lián)電阻對(duì)太陽(yáng)電池填充因子的影響,分流電阻是由于P-N結(jié)的非理想性和結(jié)附近的雜質(zhì)造成的，它引起結(jié)的局部短路，尤其在電池的

14、邊緣部分。,分流電阻對(duì)太陽(yáng)電池填充因子的影響,2 太陽(yáng)電池效率和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),2.1 太陽(yáng)電池效率 2.2 光學(xué)損失 2.3 復(fù)合損失 2.4 電極設(shè)計(jì),2.1 太陽(yáng)電池效率,在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用最先進(jìn)的技術(shù)，單晶硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率可能超過(guò)24%，然而，工業(yè)上大批量生產(chǎn)電池的效率普遍只有1314%。 原因？最重要的是實(shí)驗(yàn)室在生產(chǎn)電池時(shí)可以把效率當(dāng)成是最主要的目標(biāo)，而不考慮費(fèi)用、工藝的復(fù)雜程度或生產(chǎn)效率。 從生產(chǎn)角度來(lái)看，提高轉(zhuǎn)換效率，對(duì)于固定的功率輸出需要的組件較少，則相對(duì)而言降低了成本。所以，同時(shí)提高轉(zhuǎn)換效率和降低硅晶片的成本是全面降低光伏成本的關(guān)鍵。,影響太陽(yáng)電池效率的因素,影響太陽(yáng)電池效率

15、的主要因素是半導(dǎo)體材料的選擇，由于每種材料能帶間隙的大小與其所吸收的光譜各有不同，所以每種材料有其一定的能量轉(zhuǎn)換效率。每種材料只能吸收一定范圍內(nèi)的光譜能量。 另外，轉(zhuǎn)換效率還受材料的品質(zhì)影響而無(wú)法達(dá)到理論值，如材料的純度較低，或材料本身的結(jié)構(gòu)缺陷等。,除了材料本身的影響之外，某些損失是由于太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起的，這包括： 反射損失（reflection loss） 表面再結(jié)合損失（surface recombination loss） 內(nèi)部再結(jié)合損失（bulk recombination loss） 串聯(lián)電阻損失（series resistance loss） 電壓因子損失（voltage

16、factor loss）,影響太陽(yáng)電池效率的因素,2.2 光學(xué)損失,太陽(yáng)電池光學(xué)損失原理 1-正面電極的遮光；2-表面反射；3-背電極的反射,減少光學(xué)損失方法,（1）將正面電極的面積減少到最小 但會(huì)導(dǎo)致串聯(lián)電阻增加 （2）在電池表面使用減反膜 特別是使用四分之一厚度的透明減反膜，這層膜將通過(guò)干涉作用，理論上將從膜的上表面反射的光和從半導(dǎo)體界面處反射回來(lái)的光相互抵消，其兩者的相位差為180。,四分之一波長(zhǎng)的減反膜,使用四分之一波長(zhǎng)的減反膜抵消表面反射示意圖,使用四分之一波長(zhǎng)的減反膜抵消表面反射示意圖,為了將反射進(jìn)一步最小化，可以將減反膜的折射率設(shè)計(jì)為膜兩邊材料（玻璃和半導(dǎo)體，或空氣和半導(dǎo)體）的幾

17、何平均值：,使用四分之一波長(zhǎng)減反膜的太陽(yáng)電池在不同波長(zhǎng)照射下的表面反射率 （半導(dǎo)體硅的折射率n2=3.8，空氣的折射率n0=1.0，玻璃的折射率n0=1.5）,Comparison of surface reflection from a silicon solar cell, with and without a typical anti-reflection coating.,（3）通過(guò)表面制絨也可以減少反射 將太陽(yáng)電池的表面制成凸凹不平的表面，可使得光線受到表面多重反射的作用，而更有效率的進(jìn)入半導(dǎo)體材料中。 常用做法有V字型溝槽、金字塔型（pyramid texture）及逆金字塔型表面

18、（inverted pyramid texture）。,絨化或粗糙化的表面的另一個(gè)好處是光可以按照斯涅爾定律傾斜地耦合進(jìn)硅晶體中：,Reflection and transmission of light for a textured silicon solar cell,金字塔型（pyramid texture）型表面,逆金字塔型表面（inverted pyramid texture）,Scanning electron microscope photograph of a textured silicon surface,Scanning electron microscope photo

19、graph of a textured multicrystalline silicon surface,V字型溝槽,（4）電池背表面的高反射 減少電池背電極的吸收，使得到達(dá)背表面的光線被彈回，再度進(jìn)入電池而有可能被吸收。 如果背面反射體能夠完全隨機(jī)式地打亂反射光的方向，光線可能會(huì)因?yàn)殡姵貎?nèi)部的全反射而被捕獲在電池內(nèi)。 通過(guò)這種陷光方式，最多可以將入射光的路徑擴(kuò)大至約50倍，因而光線被吸收的可能性將顯著增加。,Light trapping using a randomised reflector on the rear of the cell,（5）將太陽(yáng)電池制成串疊型電池（tandem ce

20、ll） 把兩個(gè)或兩個(gè)以上的元件堆疊起來(lái)，能夠吸收較高能量光譜的電池放在上層，吸收較低光譜能量的電池放在下層，通過(guò)不同材料的電池將光子的能量層層吸收。,2.3復(fù)合損失,太陽(yáng)電池的效率也會(huì)因?yàn)殡娮涌昭▽?duì)在被有效利用之前復(fù)合而降低，一些發(fā)生復(fù)合的可能途徑如圖所示：,光伏電池中電子空穴對(duì)可能復(fù)合的途徑,復(fù)合能夠以以下幾種機(jī)理發(fā)生： 輻射復(fù)合吸收的反過(guò)程。電子從高能態(tài)返回到較低能態(tài)，同時(shí)釋放出光能。此種機(jī)理在半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管中適用，但對(duì)硅太陽(yáng)電池并不顯著。 俄歇復(fù)合“碰撞電離”的反過(guò)程，在摻雜較重的材料中顯著。 通過(guò)陷阱復(fù)合當(dāng)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)或表面的界面陷阱在禁帶間隙中產(chǎn)生允許的能級(jí)時(shí)，這個(gè)復(fù)合就

21、能發(fā)生。,典型的實(shí)際太陽(yáng)電池的外部量子效率和光譜響應(yīng)，闡釋了光學(xué)和復(fù)合損失的影響,2.4 頂電極設(shè)計(jì),主柵線（busbar）和外部導(dǎo)線直接相連，而副柵線（finger）是更細(xì)小的金屬化區(qū)域，用來(lái)收集電流傳輸給主柵線。 頂電極的設(shè)計(jì)目標(biāo)是優(yōu)化電流收集來(lái)減少由于內(nèi)部電阻和電池遮蔽而產(chǎn)生的損失。,太陽(yáng)電池中電子從產(chǎn)生點(diǎn)到外部電極的流動(dòng)示意圖,Use of a four point probe to measure the sheet resistivity of a solar cell,將電極做成手指狀，可以減少光線的反射,Resistive components and current flow

22、s in a solar cell.,Top contact design in a solar cell. The busbars connect the fingers together and pass the generated current to the external electrical contacts.,Schematic of a top contact design showing busbars and fingers,優(yōu)化遮光損失與收集損失,Key features of a top surface contacting scheme,優(yōu)化電極的寬高比,Point

23、s of contact resistance losses at interface between grid lines and semiconductor,降低電極的接觸電阻,在做法上著重金屬電極構(gòu)造的最優(yōu)化，例如將金屬電極埋入基板中，以增加接觸面積，減少串聯(lián)電阻。,激光刻槽-埋柵太陽(yáng)能電池,Basic schematic of a silicon solar cell. The top layer is referred to as the emitter and the bulk material is referred to as the base,增加入射光的面積,使用點(diǎn)接觸式太

24、陽(yáng)電池（point contact cell），將正負(fù)電極全部放在背面，這樣可增加太陽(yáng)電池正面的入射光面積。,將正負(fù)電極全部放在背面的點(diǎn)接觸太陽(yáng)電池,光生電流極限,一個(gè)自身能量高于帶寬的光子產(chǎn)生一對(duì)或多對(duì) 電子空穴對(duì)。 能量閥值：1.124eV 300K 1.052eV 單聲子輔助吸收 0.987eV 雙聲子輔助吸收 自由載流子吸收 晶格吸收,光生電流極限,最大光生電流（純硅）51.5mA/cm2，受自由載 流子吸收的限制，要得到這樣的電流，硅片的厚 度需幾米厚。 對(duì)于正常厚度的太陽(yáng)電池（1mm），光的有 限吸收對(duì)電流的限制遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由載流子吸收對(duì)電流的影響。,開(kāi)路電壓的極限,兩個(gè)本征的復(fù)合原理：輻射復(fù)合，俄竭復(fù)合。,填充因子極限,俄竭復(fù)合：低注入n=1 高注入 輻射復(fù)合：低注入和高注入 n=1 缺陷復(fù)合：低注入n=1 高