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第五讲 太阳能电池效率极限课件

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3.3 太阳能电池效率的极限、损失与测量解析

3.3 太阳能电池效率的极限、损失与测量解析
2.开路电压Voc的考虑：
• 饱和电流越小开路电压越大，尽可能使饱和电流小。 Eg • 由 2 ni N C N V exp( ) kT • 将高品质电池参数代入，可得：
Eg I 0 1.5 10 exp( )A / cm 2 kT
5
• 由上式可看到，开路电压随着禁带宽度的减小而减小。 • 而短路电流是随着宽度的减小而增加，那么总存在一 个最佳禁带宽度使效率最大。
开路电压Voc的最大值，在理想情况下有下式决定：
影响因素：光强、温度、材料特性 2.开路电压Voc的考虑：
IL kT Voc ln( 1) q I0
式中IL是光生电流，Io是二极管反向饱和电流，其满足：
qDn ni2 qDh ni2 I 0 A( ) N A Ln N D Lh
Eg
黄淮学院
3.4太阳能电池效率的极限、损失与测量
1
复旦大学
一、太阳电池转换效率的理论上限
太阳能电池的理论效率
太阳能电池的理论效率由下式决定：
VOC I SC FF Pin
当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定以后，其值就取 决于开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大 值。
2018/10/10
Voc ln(Voc 0.72) FF Voc 1
oc Voc
kt q
这样，当开路电压Voc的最大值确定后，就可计 算得到FF的最大值。
2018/10/10
9/27
世界主要太阳电池新纪录
电池种类
单晶硅电池 GaAs多结电池 多晶硅电池
转换效率 (%)
24.7±0.5 34.7±1.7 20.3±0.5
如何进一步提高太阳能电池的转换效 率是当前的研究课题，这也就是所谓 的高效率化技术的开发。

太阳能电池极限效率推导

太阳能电池极限效率推导

太阳能电池极限效率推导(中英文版)Title: Derivation of the Ultimate Efficiency of Solar CellsTitle: 太阳能电池极限效率推导Section 1: Introduction to Solar Cell EfficiencySection 1: 太阳能电池效率简介Solar cells, also known as photovoltaic cells, are devices that convert sunlight into electricity.The efficiency of a solar cell is a measure of how effectively it can convert sunlight into usable electrical energy.The ultimate efficiency of a solar cell is a theoretical limit that represents the maximum possible efficiency that the cell can achieve under ideal conditions.太阳能电池，也称为photovoltaic 电池，是将太阳光转换为电能的装置。

太阳能电池的效率是衡量其将太阳光转换为可用电能效率的指标。

太阳能电池的极限效率是一个理论上的极限，代表在理想条件下，电池能达到的最大可能效率。

Section 2: Shockley-Queisser LimitSection 2: 肖克利-奎瑟极限The Shockley-Queisser limit is a fundamental limit that governs the maximum efficiency of a single-junction solar cell.According to this limit, the maximum efficiency of a single-junction solar cell is approximately 33% under standard solar concentration conditions, where the sunlight is concentrated to the equivalent of sunlight at the Earth"s surface.肖克利-奎瑟极限是一个基本的极限，它决定了单结太阳能电池的最大效率。

【精品课件】太阳能电池的效率和

【精品课件】太阳能电池的效率和

太阳辐射经过日-地平均 距离(约1.5×108公里)， 传播到地球大气层外面， 其辐射能面密度已大大 降低。
在这个距离上，垂直于太 阳辐射方向单位面积上 的辐射功率基本上是个 常数，称为太阳常数。 其数值是1.353kW／m2。
目前世界上许多国家把太阳常数作为计算 太空用太阳电池的入射光功率密度的依据， 又称AMO光谱条件。
式中(λ)为投射在电池上、波长为λ，单位带宽的光子数；ηi为量子产额，
即一个能量大于带隙Eg的光子产生一对光生电子空穴对的几率，通常可 令ηi=1；dx为距电池表面xt处厚度为dx的薄层；H为电池厚度；
G（λ、x）表示由波长为λ、单位带宽的光子射进材料在x处的产生率。
2．光生少子的收集几率fc
在太阳电池内，由于存在少子复合，所产生的每一个 光生少数载流子不可能百分之百地被收集起来。
硅折射率的实部n与虚 部k与光子能量的关系
电池厚度对Isc的影响
每种材料的n和k都与入射光之波长有关。对硅来说， 其关系曲线如图所示。把n、k的结果代入式中，发现 在感兴趣的太阳光谱中，超过30%的光能被裸露硅表 面反射掉了。
Pn结硅太阳电池的截面图
(2)栅指电极遮光损失c， 定义为栅指电极遮光面积在 太阳电池总面积中所占的百 分比。对一般电池来说，c 约为4%～15%。
qDpni2 LpND
太阳电池光电转换效率
与材料带隙Eg的关系
综合上述结果，作为带隙
Eg的函数所计算的最大光
电转换效率画于图中。
显 然 Io 取 决 于 Eg 、 Ln ， Lp 、 NA 、 ND 和 绝 对 温 度 T 之 高 低 ，
也与光伏结构有关。
通过分析看出，为提高Voc，常 常采用Eg大，少子寿命长及低

第五章 效率的极限、损失和测量

第五章 效率的极限、损失和测量

5.4 黑体电池的效率极限
黑体太阳能电池吸收所有入射的阳光。
同时以辐射复合的形式释放能量大于禁带宽度的光子。 I0与复合率有关。 从而得到I0的最小值。 此时， Voc为850mV，效率极限超过了30%。
12
5.2 温度的影响
13
太阳能电池对温度非常敏感。温度T的升高使得半导体 的禁带宽度Eg降低，相当于材料中的电子能量提高，这 影响了大多数的半导体材料参数。
温度
Isc
Voc FF
光吸收 增加
温度对开路电压的影响
短路电流Isc和开路电压Voc的关系：
14
I sc I 0 eqVoc /kT 1
-Eg0


pn结两边的I0的方程为
I 0 AT e kT 式中A与温度无关，γ包含了其余与温度有关的参数，它的数 值一般在1~4之间，Eg0为半导体材料在绝对零度时的禁带宽 度。
20
如果考虑耗尽区的复合，那么在无光照时，pn结的IV关系为：
式中： 或者写成：
I I 0 eqV / nkT 1
相当于增 加了I0
Voc降低
5.3.3 填充因子FF损失
21
1.耗尽区的复合
2.寄生的串联电阻和分流电阻
21
1. 耗尽区的复合
22
耗尽区的复合将会降低填充因子FF。对于非理想二极管， n>1，则voc变为 q voc Voc , nkT 同样的，当voc>10时，有：
15
温度对短路电流的影响
16
当温度升高时，禁带宽度Eg减小，将有更多的光子有能力 激发电子-空穴对，短路电流Isc会轻微上升。硅太阳能电池中 短路电流受温度影响程度：
1 dI sc 0.0006/C Isc dT

太阳能电池效率的极限、损失与测量

太阳能电池效率的极限、损失与测量
2015-6-26 28/27
作业
4. 一只太阳电池具有接近于理想的特性，其理想因子子等于1， 另一只电池的特性主要受耗尽区复合的影响，其理想因子为2。 在300K时，如果这两只电池的开路电压均为0.6V，试比较它们 的理想填充因子。 5. 某太阳能电池， 300K时的开路电压为550mV，短路电流为 2A,理想因子为1.3。求下列各种情况下的填充因子:〔a)串联电 阻为0.08Ω，分流电阻很大；（b）串联电阻可以忽略，分流 电阻为1 Ω；（c）串联电阻为0.08Ω，分流电阻为2 Ω；（d） 串联电阻为0.04Ω，分流电阻为1 Ω。
例题
解：
2015-6-26
22/27
例题
解：
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23/27
例题
解：
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24/27
例题
解：
2015-6-26
25/27
例题
解：
2015-6-26
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提高太阳能电池效率的途经
在硅太阳能电池的制造历史中已经采用过许多措施来提高太 阳能电池的光电转换效率，并且随着能源的不断消耗，高效太 阳能的研究正热火朝天地进行。主要针对： 1.降低光电子的表面复合，如降低表面态等； 2.降低入射光的表面反射，用多种太阳光减反射技术，如沉 积减反层、硅片表面织构技术、局部背表面场技术，最大限度 地减少太阳光在硅表面的反射； 3.电极低接触电阻，如激光刻槽埋栅技术和表面浓度扩散技 术，使电极接触电阻低和增加硅表面受光面积。 4.降低P-N结的结深； 5.采用高效廉价光电转换材料.
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世界主要太阳电池新纪录
电池种类
单晶硅电池 GaAs多结电池 多晶硅电池 InGaP/GaAs 非晶硅电池 CIGS电池 CdTe电池 多晶硅薄膜电池 纳米硅电池 氧化钛有机纳米电 池 GaInP/GaAs/Ge 背接触聚光硅电池

太阳能电池极限效率的原理

太阳能电池极限效率的原理

一、细致平衡原理的提出细致平衡原理是考量太阳能电池极限理论效率最重要和最常用的手段。

Detailed balance这个概念是1954年Roosbroeck和Shockley在在应用物理（Journal of Applied Physics）杂志上发的一篇文章提出来的。

1961年William Shockley, Hans J. Queisser在应用物理上发了Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells的文章，在这篇文章中提出了细致平衡效率极限（detailed balance limit of efficiency）的概念，在一些假设的基础上推导出一个公式用来计算效率极限，得出单结太阳电池效率极限为31%。

其中这几个假设为：1、太阳和电池被假设为温度分别为6000K和300K的黑体。

2、电子和空穴的复合只有一种辐射复合（radiative recombination），这是detailed balance原理所要求的。

3、radiative recombination只是总复合的特定的一小部分，其余的都是非辐射(nonradiative)的。

温度为6000K（Tsource）和300K（Tsink）的两个热库之间的能量转换效率受卡诺循环限制为95%。

这个数值没有考虑电池光子发射损失，模型假设这些损失能量又回到了太阳，使太阳保持自身的温度。

修正模型考虑这些光子损失，并假设过程是可逆的，满足卡诺循环的条件，由此得到的转换效率是93.3%。

二、所有的因素都最优化，太阳能电池最终能够达到怎么样的极限效率如果所有的因素都最优化，包括电学的，光学的，材料的，那么太阳能电池最终能够达到怎么样的极限效率？这是人们最关心的问题之一，也是各种优化期望达到的方向。

细致平衡原理的重要性就在于它是人们现今发现的最低的理论极限，低于卡洛效率，低于朗斯堡（Landsberg）极限，它是客观上能达的最高效率。

第五讲-太阳能电池材料化学共31页文档

第五讲-太阳能电池材料化学共31页文档

单晶硅表面清洗
晶体硅最表面层的原子具有不饱和键，即所谓的悬挂键，这是 由晶体结构周期性在表面中断引起的。这些原子具有高度的不稳定 性，很容易与环境中的化学粒子快速反应，特别是氧气和水，形成 化学上更稳定的表面层。在空气中，硅表面容易与氧反应形成薄膜 氧化物，即自然氧化物。对于单晶硅也是这样。在水和水溶液中， 硅表面可以被氢、羟基、氟和氧化物等各种粒子所终止。另外，清 洁方法不当时，硅表面也可能被金属、有机和陶瓷粒子所污染。例 如刚生产的硅片通常有几千个陶瓷粒子，Fe、Ni、Cu和Zn等金属 离子 。因此，除非在真空中，否则硅的表面由于外来粒子的吸附不 可能“干净”。
图 1-2 纯的硅晶体电中性示意图 图1-3 p型单晶硅电性示意图
图 1-4 n型单晶硅电性示意图
图 1-5 单晶硅内电场示意图
通常对于p型单晶硅，当其与外界物质相接触时，所形成的空间 电荷区为耗尽层，所形成的表面带弯向下，自建电场的方向由样品 的表面到体相。当受光激发后，光生载流子在自建电场的作用下定 向运动，光生空穴向体相运动，光生电子向表面扩散，导致表面正 电荷减少，产生正的光电压。当在样品表面垂直施加一正电场，由 于自建电场的方向与正电场的方向一致，二者叠加的结果使表面带 弯向下增大，从而增加光生电子-空穴对的分离，导致光伏响应降低。 从而减少光生载流子的复合几率，到达表面的在样品上的
单晶硅的结构
单晶硅中的硅与硅之间具有4个共价键，具有特有的金刚石结 构。晶体中每个Si原子的配位数为4，形成4个Si-Si单键，体对角线 的两个原子和六个面心原子构成棱立方，其内包含一个距顶角1/4体 对角线的原子，硅晶体结构中的金刚石晶格常数a为0.543 nm。如果 使用硬球模型(硅原子的半径是0.118nm)，最近的两个相邻原子间的 距离为0.235 nm，如下图所示。

第五讲：太阳能电池效率极限解析

第五讲：太阳能电池效率极限解析

第一讲太阳能电池和太阳光
• 单位体积内电子-空穴对的产生率可用下式表示：
G Nex
• N为光子的流量（每秒流过单位面积的光子数量 ），α是吸收系数，x是到表面的距离。
α物理意义 α相当于某波长的光在媒质中传播1/α距离时能量减弱到 原来能量的1/e。一般用吸收系数的倒数1/α来表征该波 长的光在材料中的透入深度。
Region
Dark Characteristic
I V
Power Generating
Region
江西L工ig业h工t程职Ch业a技r术a学c院t电er子i系st林i梅c
第一讲太阳能电池和太阳光
• 光照能使电池的I-V曲线向下平移到第四象限，于 是二极管的电能可以被获取。
• 为便于讨论，太阳电池的I-V特性曲线通常被上下
翻转，将输出曲线置于第一象限，并用下式表示
：
I
ILI0[ex Nhomakorabea(qV nkT
)
1]
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
The VI characteristic of a solar cell is usually displayed like this: I V
I
V
The coordinate system is flipped around the
江西工业工程职业技术学院电子系林梅
1.2 光照的影响 第一讲太阳能电池和太阳光
• 在无光照的情况下，描述二极管电流I和电压V间 函数关系的特征曲线（I-V曲线）为：
I
qV I0[exp( nkT
)
1]
• 光线的照射对太阳电池的作用，可以认为是在原
有的二极管暗电流基础之上叠加了一个电流增量

第五章 效率极限1

第五章 效率极限1

5.2.3 黑体电池的效率极限
• 细致平衡原理是考量太阳能电池极限理论效率最重要和最 常用的手段。 Detailed balance这个概念是1954年Roosbroeck和 Shockley在在应用物理（Journal of Applied Physics）杂 志上发的一篇文章提出来的。 1961年William Shockley, Hans J. Queisser在应用 物理上发了Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells的文章，在这篇文章中提出了细致平衡 效率极限（detailed balance limit of efficiency）的概念， 在一些假设的基础上推导出一个公式用来计算效率极限， 得出单结太阳电池效率极限为31%。
2
2
估算开路电压
• 估算开路电压上限，可以将上式中涉及到 的参数取高品质电池所要求的值范围，可 得到上限。 • 对于硅，最大开路电压为700mV，填充因 子为0.84.
• 饱和电流越小开路电压越大，尽可能使饱 和电流小。 Eg 2 ni = N C N V exp(− ) • 由
kT
• 将高品质电池参数代入，可得：
禁带宽度影 响
总结：
• 半导体的阈值限制了光的吸收（主要因素） • 是不是阈值（禁带宽度）越小越好呢？
5.2.2 开路电压和效率极限
• 上一章中给出的开路电压表达示：
Voc＝ kT q ln( IL I0 +1)
• 其中I0为饱和电流，表达式为：
qDe ni qD h ni I 0 = A( + ) Le N A Lh N D
二、所有的因素都最优化，太阳能电池最终 所有的因素都最优化， 能够达到怎么样的极限效率

太阳能电池的等效电路和转化效率理论上限 ppt课件

太阳能电池的等效电路和转化效率理论上限 ppt课件
太阳能电池的I理等s论为效上电饱限路和和转电化效流率
2、pn结太阳能电池的实际等效电路
实际上，pn结太阳能电池存 在着Rs和Rsh的影响。其中， Rs 是由材料体电阻、薄层电阻、 电极接触电阻及电极本身传导 电流的电阻所构成的总串联电 阻。 Rsh是在pn结形成的不完 全的部分所导致的漏电流，称 为旁路电阻或漏电电阻。这样 构成的等效电路如右图所示。
理论上限
填充因子FF的考虑：
在理想情况下，填充因子FF仅是开路电压Voc的函 数，可用以下经验公式表示：
FF =
Uoc-ln(Uoc+0.72) Uoc+1
Uoc = Biblioteka oc(kT/q)1/2这样，当开路电压Voc的最大值确定后，就可计 算得到FF的最大值。
太阳能电池的等效电路和转化效率 理论上限
max = 1.24(m)/Eg(eV)
而其余部分的光子，因其能量h大于材料的禁带宽度 Eg，被材料吸收而激发电子-空穴对。假设其量子产额为1 ，而且被激发出的光生少子在最理想的情况下，百分之 百地被收集起来。在上述理想的假设下，最大短路电流 值显然仅与材料带隙Eg有关，其计算结果如图所示。
太阳能电池的等效电路和转化效率 理论上限
当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定以后，其值就 取决于开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最 大值。
下面我们就来分别考虑开路电压Voc、短路电 流Isc和填充因子FF的最大值。
太阳能电池的等效电路和转化效率 理论上限
短路电流Isc的考虑：
我们假设在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳 能电池没有贡献，其中长波限满足：
综合上述结果，可得到作为带隙Eg的函数的最大转 换效率，其结果示于下图中。

3.3 太阳能电池效率的极限、损失与测量解读

3.3 太阳能电池效率的极限、损失与测量解读

ILmax=qNph（Eg）
式中Nph(Eg)为每秒钟投射到电池上能量大于Eg的总光子数 。 2019/2/22 3/27
一、太阳电池转换效率的理论上限
1.短路电流Isc的考虑： 在AMO和AM1.5光照射下的最大短路电流值。
当禁带宽度减小时，短路电流密度增加。
2019/2/22 4/27
一、太阳电池转换效率的理论上限
下面我们就来分别考虑开路电压 Voc、短路电流Isc和填充因子FF的 最大值。
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一、太阳电池转换效率的理论上限
1.短路电流Isc的考虑： 影响因素：面积、光强、温度
我们假设在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳 能电池没有贡献，其中长波限满足：
max
1.24 (um) Eg (eV )
而其余部分的光子，因其能量hν 大于材料的禁带宽度Eg，被 材料吸收而激发电子-空穴对。假设其量子产额为1，而且被激 发出的光生少子在最理想的情况下，百分之百地被收集起来。 光生载流子的定向运动形成光生电流IL最大光生电流值为：
开路电压Voc的最大值，在理想情况下有下式决定：
影响因素：光强、温度、材料特性 2.开路电压Voc的考虑：
IL kT Voc ln( 1) q I0
式中IL是光生电流，Io是二极管反向饱和电流，其满足：
qDn ni2 qDh ni2 I 0 A( ) N A Ln N D Lh
Eg
2019/2/22 6/27
一、太阳电池转换效率的理论上限
2.开路电压Voc的考Байду номын сангаас： 为什么最高效率比较低？
2019/2/22
7/27
一、太阳电池转换效率的理论上限
2.开路电压Voc的考虑：

太阳能电池极限效率的原理

太阳能电池极限效率的原理

太陽能電池極限效率的原理一、細緻平衡原理的提出細緻平衡原理是考量太陽能電池極限理論效率最重要和最常用的手段。

Detailed balance這個概念是1954年Roosbroeck和Shockley在在應用物理（Journal of Applied Physics）雜誌上發的一篇文章提出來的。

1961年William Shockley, Hans J. Queisser在應用物理上發了Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells的文章，在這篇文章中提出了細緻平衡效率極限（detailed balance limit of efficiency）的概念，在一些假設的基礎上推導出一個公式用來計算效率極限，得出單結太陽電池效率極限為31%。

其中這幾個假設為：1、太陽和電池被假設為溫度分別為6000K和300K的黑體。

2、電子和空穴的複合只有一種輻射複合（radiative recombination），這是detailed balance原理所要求的。

3、radiative recombination只是總複合的特定的一小部分，其餘的都是非輻射(nonradiative)的。

溫度為6000K（Tsource）和300K（Tsink）的兩個熱庫之間的能量轉換效率受卡諾迴圈限制為95%。

這個數值沒有考慮電池光子發射損失，模型假設這些損失能量又回到了太陽，使太陽保持自身的溫度。

修正模型考慮這些光子損失，並假設過程是可逆的，滿足卡諾迴圈的條件，由此得到的轉換效率是93.3%。

二、所有的因素都最優化，太陽能電池最終能夠達到怎麼樣的極限效率如果所有的因素都最優化，包括電學的，光學的，材料的，那麼太陽能電池最終能夠達到怎麼樣的極限效率？這是人們最關心的問題之一，也是各種優化期望達到的方向。

細緻平衡原理的重要性就在於它是人們現今發現的最低的理論極限，低於卡洛效率，低於朗斯堡（Landsberg）極限，它是客觀上能達的最高效率。

太阳能电池工作效率

太阳能电池工作效率

太阳能电池工作效率
太阳能电池是一种将太阳能转换为电能的设备。

它的工作效率是指从太阳能中转换成电能的比例。

目前，太阳能电池的工作效率已经不断提高，最高可达到约23%。

这意味着当太阳能照射到太阳能电池上时，有23%的能量被转换为电能，其余的能量则被反射或散失。

提高太阳能电池的工作效率是太阳能产业发展的重要课题之一。

目前主要的提高方法包括：改善太阳能电池的材料和结构、提高太阳能电池的光吸收率、减少能量损失等。

同时，还有一些新技术如多层太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等也被不断研究和开发，有望进一步提高太阳能电池的工作效率。

太阳能电池的工作效率不仅影响着太阳能产业的发展，也直接关系到我们的能源利用效率。

因此，科学家们将继续探索提高太阳能电池工作效率的方法，以利用太阳这个源源不断的可再生能源。

- 1 -。

《太阳能电池机理》PPT课件

《太阳能电池机理》PPT课件
• 对于液态电解质可以不用考虑离子 的扩散影响，主要是光吸收
• 对于固态电池，离子扩散将成为影 响光电流的重要因素
精选ppt
36
DSC的IPCE与理论效率
N719染料
black染料
带边：750nm
带边：900nm
Eg：1.65-1.7ev Eg：1.3-1.4ev
理论效率 ＞20% 理论效率 ~30%
• 总体来说不是重点
精选ppt
42
DSC的主要研究方向
• 半导体纳晶电极
• 染料 • 电解质体系
提高电池效率
• 对电极
• 柔性电池 • 提高寿命和长期稳定型
电池实用化
• 大面积电池和电池阵列
精选ppt
43
计算重点
• 半导体
– 导带位置 – 输运机制 – 复合反应速度 – 表面状态
• 染料
– 能带位置 – 激发态性质 – 聚集态性质
电池结构
背接触电池（Sunpower）
商业化单晶硅电池组件
27
精选ppt
26
单晶硅电池的实验室效率进展
精选ppt
27
工业化单晶硅电池效率路线图与关键技术
22%
20% 18%
16% 14%
14.5%
15.9%
16.9%
17.1%
19.0%
18.9%
19.8%
20.0%
Efficiency
12%
10%
impact ionisation
tandem (n = 2)
down-converters
single cell
0%
精选ppt
2232
实际电池效率
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• 然而，能量比带隙能量大的光子（Egh>Eg）会与形成共 价键的电子相作用，用它自身所具有的能量去破坏共 价键，形成可以自有流动的电子-空穴对。
导带
Eg (禁带宽)
价带
光照时电子-空穴对的产生
• 光子的能量越高，被吸收的位置就越接近半导体表面， 较低能量的光子则在距半导体表面较深处被吸收。
光的能量与电子-空穴对产生的位置间的联系
1.2 光照的影响
• 在无光照的情况下，描述二极管电流I和电压V间 函数关系的特征曲线（I-V曲线）为：
I I0[exp(nqkVT)1]
• 光线的照射对太阳电池的作用，可以认为是在原 有的二极管暗电流基础之上叠加了一个电流增量， 于是二极管公式变为：
II0[exp(nqkVT)1]IL
电压电流 方向？
voltage axis.
• 用于衡量在一定照射强度、工作温度以及面积条件 下，太阳能电池电力输出的两个主要制约参数为：
• 短路电流（Isc， Short circuit current ） 当电压为零时电池输出的最大电流，Isc=IL。Isc与 所接受到的光照强度成正比。
• 开路电压（Voc， Open circuit voltage ） 电流为零时，电池输出的最大电压。Voc的值随辐 照强度的增加成对数方式增长。
Cell
Equivalent circuit for a solar cell with load. Internal resistances RS and RSH represent
power loss mechanisms inside the cell.
RS = 0 ISC
does the energy originate?
Question #2:
I=0
+ R = _ V = VOC
RS , RSH
RSH ISC
The slopes of
these lines are
RS
characteristic
resistances.
VOC
RS ISC
Cell RSH
RLOAD
Resource Characteristics ——地面附近太阳辐射光谱图
The absorption depths of silicon
• 单位体积内电子-空穴对的产生率可用下式表示：
GNex
• N为光子的流量（每秒流过单位面积的光子数量）， α是吸收系数，x是到表面的距离。
α物理意义 α相当于某波长的光在媒质中传播1/α距离时能量减弱到 原来能量的1/e。一般用吸收系数的倒数1/α来表征该波 长的光在材料中的透入深度。
• 类似的，载流子的扩散长度就是载流子从产生到 复合所能移动的平均距离。对于硅，扩散长度一 般是100~300μm。
• 这两个参数为太阳能电池应用的材料提出参考。
• 如果没有一个使电子定向移动的方法，半导体就 无法输出能量。因此，一个功能完善的太阳能电 池，通常需要增加一个整流P-N结来实现。
1.2 光照的影响
理想短路情况下P-N结区域电子与空穴的流动（电子、空穴产生、定向移 动、被收集、外电路流动）
• 尽管如此，一部分电子和空穴在被收集之前就已 经消失了。
电子空穴对复合的一些可能模式，以及未复合的载流子被收集的情况
• 总体来说，在P-N结越近的地方产生的电子空穴对 越容易被收集。当V=0时，那些被收集的载流子将 会产生一定大小的电流。如果电子空穴对在P-N结 附近小于一个扩散长度的范围内产生，收集的几 率就比较大。
• 为便于讨论，太阳电池的I-V特性曲线通常被上下 翻转，将输出曲线置于第一象限，并用下式表示：
IILI0[exp(nqkVT)1]
The VI characteristic of a solar cell is usually displayed like this:
I V
I
V
The coordinate system is flipped around the
• 照射到电池上的光可呈现多种不同的情形。为了使太 阳能电池的能量转换效率最大化，必须设计使之得到 最大的直接吸收以及反射后的吸收。
1-顶电极上的反射与吸收；2-在电池表面的反射；3-可用的吸收； 4-电池底部的反射（仅对吸收较弱的光线有效）；5-反射后的吸收； 6-背电极处的吸收
• 在P-N结电场E的作用下，电子受力向N型一侧移动，空穴 受力向P型一侧移动。短路时，在外电路产生光电流。
太阳能电池 工作原理、技术和系统应用
.格林
第 四讲 效率极限
2
• 复习
1 太阳能发电原理和影响因素
1.1 光的吸收与载流子复合 1.2 光照的影响 1.3 光谱响应 1.4 温度的影响 1.5 寄生电阻的影响
1.1 光的吸收与载流子复合
• 当光照射到半导体材料时，拥有比禁带宽（Eg）还小 的能量（Eph）的光子与半导体的相互左右极弱，于是 顺利地穿透半导体，就如半导体是透明的一样。
光的照射对P-N结电流-电压间函数特性的影响
I Power Dissipating Region V
Power Dissipating
Region
Dark Characteristic
I V
Power Generating
Region
Light Characteristic
• 光照能使电池的I-V曲线向下平移到第四象限，于 是二极管的电能可以被获取。
VOC
nkT q
ln(IL I0
1)
IILI0[exp(nqkV=0
Does it surprise you that the current at short circuit is not infinite? Or that a current can flow with no voltage? Where
1.1 光的吸收与载流子复合
• 当光源被关掉后，系统势必会回到一个平衡状态。 在没有外界能量来源的情况下，电子和空穴会无 规则运动直到他们相遇并复合。
• 任何表面或内部的缺陷、杂质都会促进复合的产 生。
• 材料的载流子寿命可以定义为电子空穴对从产生 到复合的平均存在时间。对于硅，典型的载流子 寿命约为1μs。