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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34.34.5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%100inSCOC PFFIV4.6 太阳电池效率分析太阳电池效
2、率分析-极限效率极限效率在理想情况下（当voc10），填充因子FF仅是开路电压Voc的函数172. 0lnocococ vvvFF）（,ocockTqVvVoc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Iscsc,LehIqAG LWLscLII 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。0ln1L ocIkTVqI开路电压V开路电压Vococ5 0=1.5 10 expgEIkT2exp()g iCVEnN NkT禁带宽度禁带宽度E Eg g减
3、小，减小，I I0 0增加，增加，V Vococ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54.6 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
4、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
5、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
6、“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9M. A. Green et al., Prog. Photovolt: Res. Appl. 23, 805 (2015). 单节电池目前
7、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
8、、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 VocEVocEfnfn-E-Efpfp,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，所以开路电压小。带隙对开压的影响带隙对开压的影响0ln1L ocIkTVqI带隙的减小会增加短路电流，但同时会
9、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
10、器件的性能，一般会尽量提高的少数载流子的寿命。 1/ 0 nnnTkqVnphnBenLqDJjTkVVqTkqV wwqnJBbiBpnpni scr-dark2/ )()2sinh(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
11、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
12、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
13、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 CHs mps ocsc mps mpmp mpmp2 mpmpmpmp1111 rPRRPRVIPRVIIVRIIVPs 式中：。CHs sCHRRrIVR ,scoc假设Rs没有改变Isc，则)1 (0srFFFF提高输出功率 需要减小rs4.6 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
14、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 Rshsh减小了流经pn结的电流。减小了流经pn结的电流。R Rshsh值较高时，值较高时，V Vococ降低。降低。 shmpshCH mp shscmpshmpmp mpmp sh2 mp mpmpmp11111 11RrPRRPRIVPRIVIVVIVPoc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：。CHsh shRRr 填充因子FF为：并联电阻并联电阻oc0 sh0 ocsh0.71v
15、FFFFFFvr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，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 002gdTTdETTETEg g，0ln1L ocIkTVqIkTgE eTLnqDLpqDInpnpnp2300 0温度升高，带隙减小，温度升高，带隙减小，I Iscsc增加增加温度增加，温度增加，I Iscsc稍有提高，稍有提高， V Vococ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00SCSC OCOCXIInkTnkTnkTVlnlnlnXVlnXqIqIq)(jdSCVIxIII Is
