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1、中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 2 第四章太阳电池基础第四章太阳电池基础 光生载流子的浓度和电流光生载流子的浓度和电流 4 2 太阳电池的测试技术太阳电池的测试技术 4 4 光生伏特效应光生伏特效应34 1 太阳电池的伏安特性太阳电池的伏安特性 34 3 4 5 太阳电池的效率分析太阳电池的效率分析 太阳电池的性能表征太阳电池的性能表征 4 6 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 3 太阳电池的理论效率太阳电池的理论效率 当入射太阳光谱AM0或AM1 5确定后 为获得较高的转换效率 需要增加Voc Isc和FF 100 in SCOC P FFI
2、V 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 极限效率极限效率 在理想情况下 当voc 10 填充因子FF仅是开路电压Voc的函数 1 72 0ln oc ococ v vv FF ococ kT q Vv Voc的函 数 填充因子FF填充因子FF 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 4 短路电流I短路电流Isc sc Leh IqAG LWL scL II 假设到达电池表面的每一个能量大于材料禁 带宽度Eg的光子 会产生一个电子 空穴对 将光通量对波长进行积分 可以得到产生率G 0 ln1 L oc IkT V qI 开路电压V开路电压Voc oc 5 0 1 5 10
3、 exp g E I kT 2 exp g iCV E nN N kT 禁带宽度禁带宽度E Eg g减小 减小 I I0 0增加 增加 V Voc oc减小 减小 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 极限效率极限效率 I0 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 5 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 极限效率极限效率 禁带宽度Eg减小Isc增加Voc减小 最佳带隙宽度最佳带隙宽度 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 6 电池能够吸收所有能量大于Eg的光子 能量低于Eg的光子不能吸收 一个光子最多只能产生一个电子空穴对 吸收的光子能量都用于激
4、发电子空穴对并储存为电子空穴对的势能 光生载流子可实现完全分离 即载流子迁移率为无限大 系统满足细致平衡原理 因此辐射复合是电池的唯一复合机制 半导体材料完全符合黑体的行为 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 极限效率极限效率 细致平衡效率极限 细致平衡效率极限 detailed balance limit of efficiency William Shockley Hans J Queisser 1961年 把太阳的光子能量分布以能量为变量积分得到总的电池吸收的能量 J J 得到的光子流 电池本身辐射掉的电子流 X 电子电量 V V 电子空穴对的 电势差 输出能量 电流X电压 理论极
5、限 输出能量 输入能量 细致平衡原理 细致平衡原理 在热平衡状态 太阳能电池受激吸收的光子数 和自发辐射的光子数一样多 在热平衡状态 太阳能电池受激吸收的光子数 和自发辐射的光子数一样多 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 7 单节电池的理论极限效率为单节电池的理论极限效率为33 7 称为 称为SQ Shockley and Queisser 极限 也称为细致平衡效率极限 极限 也称为细致平衡效率极限 最大输出效率与带隙关系 细致平衡效率极限之所以不高 是因为它的假设条件很严格 如 一个光子最多只 能产生一个电子空穴对 实际通过冲击电离的方法 已经能做到一个光子打出多 个
6、电子空穴对了 再有 能量小于禁带宽度的光子能量不被吸收 实际的情况和 试验也有表明并不是完全不吸收 如 激子 吸收 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 极限效率极限效率 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 8 高能光子超过带隙 的能量未被利用 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 极限效率极限效率 1 光子能量Eph大于Eg时 多余的能量以热能形式释放 使得最高效 率限制在44 2 载流子被相当于禁带宽度的电势差所分离 pn结电池得到的输出 电压也仅是这个电势差的一部分 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 9 M A Green et al
7、 Prog Photovolt Res Appl 23 805 2015 单节电池目前最高效率还远小于SQ极限效率 33 7 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 极限效率极限效率 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 10 材料带隙宽度材料带隙宽度 少数载流子寿命少数载流子寿命 表面复合的影响表面复合的影响 寄生电阻效应寄生电阻效应 温度的影响温度的影响 光强的影响光强的影响 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 影响因素影响因素 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 11 带隙对电流影响带隙对电流影响 理论上理论上带隙越小 所能获得电流越大带
8、隙越小 所能获得电流越大 但材料吸收系数 吸收层 厚度等对电流大小的影响也至关重要 但材料吸收系数 吸收层 厚度等对电流大小的影响也至关重要 不同半导体材料的吸收系数不同带隙半导体材料能给出最大电流 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 影响因素影响因素 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 12 开路电压的来源开路电压的来源 准费米能级的差值 Voc EVoc Efn fn E Efp fp 带隙越小 准费米能级 之间的差值越小 开路电压越小 开路电压与反向饱和电流的关系开路电压与反向饱和电流的关系 带隙越小 载流子越易激发 本征载流子 浓度越大 反向饱和电流越大 所
9、以开路电压小 带隙对开压的影响带隙对开压的影响 0 ln1 L oc IkT V qI 带隙的减小会增加短路电流 但同时会减少开路电 压 因此 合适的带隙才能获得最佳光电转换效率 带隙的减小会增加短路电流 但同时会减少开路电 压 因此 合适的带隙才能获得最佳光电转换效率 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 影响因素影响因素 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 13 少数载流子寿命少数载流子寿命 少数载流子寿命越小 反向饱和电流越大 开压越小开压越小 另一方面 少数 载流子寿命越小 载流子扩散长度越小 载流子扩散长度可能小于器件 的有效吸收厚度 在没有被收集之前 载流
10、子就被复合了 因此 小的 载流子寿命也会导致短路电流小短路电流小 为了提高器件的性能 一般会尽量提高的少数载流子的寿命 为了提高器件的性能 一般会尽量提高的少数载流子的寿命 1 0 n nn TkqV n phn B en L qD Jj TkVVq Tk qV wwqn J Bbi B pn pni scr dark 2 2 sinh 2 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 影响因素影响因素 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 14 少数载流子寿命增加 开路电压 短路电流以及填充因子均会增加 提高载流子寿命途径 提高材料质量 减少深能级缺陷以及晶界复合 少数载流子
11、寿命增加 开路电压 短路电流以及填充因子均会增加 提高载流子寿命途径 提高材料质量 减少深能级缺陷以及晶界复合 少数载流子寿命少数载流子寿命 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 影响因素影响因素 Ln Wp 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 15 电池效率对于如Ta Mo Nb W Ti及V等金属是非常敏感 10 5ppm 但对 有些金属杂质对效率影响不大 可能使用较低成本的工艺技术提炼的所谓太阳级硅 制备出低成本的电池 晶体硅 p型Si基区 中金 属杂质浓度对电池相对效率 晶体硅 p型Si基区 中金 属杂质浓度对电池相对效率 少数载流子寿命少数载流子寿命 非平衡
12、载流子复合是决定少 子寿命的关键因素 非平衡载流子复合是决定少 子寿命的关键因素 在体材 料中 深能级复合是主要过 程 体材料的深能级往往是 制备过程中引进的 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 影响因素影响因素 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 16 表面复合的影响表面复合的影响 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 影响因素影响因素 前电极或背电极的表面复合对电池 效率都有重要的影响 当Ln Wp时 载流子扩散不到背电极 背表面复合不影响饱和电流 当少子寿命足够长 基区载流子扩 散到背表面并通过背表面输出 饱 和电流将受背表面复合速度SBSF影响 背表面复
13、合主要影响电池长波响应 前表面复合影响电池的短波响应 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 17 串联电阻串联电阻 串联电阻Rs不会影响开路电压Voc 但当Rs值较高时 Isc将降低 在串联电阻作用下 太阳能电池的 最大输出功率为 smp CH s mp s oc sc mps mp mp mpmp 2 mpmpmpmp 11 11 rP R R P R V I PR V I IV RIIVP s 式中 CH s sCH R R r I V R sc oc 假设Rs没有改变Isc 则 1 0s rFFFF 提高输出功率 需要减小rs 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析
14、 影响因素影响因素 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 18 随着串联电阻Rs的增加 FF减小 减小串联电阻方法减小串联电阻方法 减小接触电阻 尽可能是电极与半导体材料和界面材料的欧姆接触完美 尽量减小横向电阻 例如利用导电率好的衬底材料等 串联电阻串联电阻 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 影响因素影响因素 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 19 并联电阻并联电阻R Rsh sh减小了流经pn结的电流 减小了流经pn结的电流 R Rsh sh值较高时 值较高时 V Voc oc降低 降低 sh mp sh CH mp shsc mp sh
15、mp mp mpmp sh 2 mp mpmpmp 1 1 1 1 1 1 1 R r P R R P RI V P RI V IV V IVP oc 在分流电阻作用下 最大功率近似为 提高输出功率 需要增加Rsh 式中 CH sh sh R R r 填充因子FF为 并联电阻并联电阻 oc0 sh0 ocsh 0 7 1 vFF FFFF vr 提高薄膜的晶体质量 减少空洞来提高Rsh 提高薄膜的晶体质量 减少空洞来提高Rsh 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 影响因素影响因素 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 20 温度的影响温度的影响 温度升高 导致带隙减少
16、 本征 载流子浓度增加 暗饱和电流显 著增加 导致Voc降低 温度升高 导致带隙减少 本征 载流子浓度增加 暗饱和电流显 著增加 导致Voc降低 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 影响因素影响因素 0 0 2 g dT TdE T T ETE g g 0 ln1 L oc IkT V qI kT g E eT L nqD L pqD I n pn p np 2 300 0 温度升高 带隙减小 温度升高 带隙减小 I Isc sc增加 增加 温度增加 温度增加 I Isc sc稍有提高 稍有提高 V Voc oc明显下降 明显下降 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 21 光强的影响光强的影响 4 6 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 影响因素影响因素 00 SCSC OCOC XIInkTnkTnkT V lnlnlnXVlnX qIqIq jdSC VIxII I Isc sc线性增加 线性增加 V Voc oc对数增加 对数增加 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 22 qV 高能光子热损失高能光子热损失 内建势电压损失内建势电压
