《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-1

第四章 太阳电池的标定和测量§4.1 太阳能电池的标定太阳电池效率的定义是：太阳电池在最佳工作状态下输出的电功率与投射到太阳电池上总的光功率之比。

电功率用一般的电子仪器很容易测出，但光功率——光的能量的测量，因涉及光谱问题，就比较复杂。

光照时太阳电池的电流特性和电压特性基本上概括了整个太阳能电池电性能，前者主要是收集效率的问题，后者是太阳电池二极管的特性问题。

对同一片电池，收集效率与光谱特性密切相关，而二极管特性和填充因素则与光源光谱无关。

因此，效率问题，实际上变成了测量短路电流与各种光源的光强的关系问题。

如在某一特定光源的光强下，只要得到同样的电流，二极管特性将是一样的。

既然效率的测量归结到确定太阳电池的短路电流，因此，确定太阳电池在某一状态下的短路电流就很重要了。

目前，国际上通用的测量方法，是采用标准电池法，亦即选一片太阳电池，首先在某一特定的标准状态（光源）下进行短路电流数值的测定，然后用它作参考电池去校准测试时所用光源的光强，再用此光强测量其它的被测电池。

我们把作为参考的电池在一定的光源状态下，确定短路电流的过程叫做标定。

而利用标准电池的数据，去获得其它电池的数据的对比过程简称为复现。

一般说来，太阳电池效率的测量问题可归结为标定参考电池，和在一定光源下用标准电池复现的问题。

太阳能电池效率η的定义为)(1FF V J FF J V oc sc sc oc Φ=Φ=η （4-1）我们把Φsc J 称为积分响应Q ： Q =Φsc J （4-2） 则把方程式（4-1）变成η=Q V oc FF （4-3）所以，只要定出一个太阳电池的积分响应Q ，它的效率就可求出。

确定太阳电池在某一个特定的太阳光照状态下的Q 值，是标定工作的主要内容。

根据太阳电池用途（如空间使用或地面使用）不同，标定方法也有差别。

§4.1.1 空间用太阳电池的标定空间用太阳电池的标定，统称AM0标定。

目前最常用的AM0标定法有如下几种：卫星标定、火箭标定、气球标定、飞机标定、高山标定和实验室光谱标定。

第四章太阳电池基础光生载流子的浓度和电流4.2太阳电池的测试技术4.4光生伏特效应34.1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性能表征4.6短路电流I sc(),L e h I qAG L W L =++sc LI I =-假设到达电池表面的每一个能量大于材料禁带宽度E g 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 。

0ln 1L oc I kT V q I ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭开路电压V oc50=1.510exp g E I kT ⎛⎫⨯- ⎪⎝⎭2exp()g i C V E n N N kT =-禁带宽度E g 减小，I 0增加，V oc 减小I 0∝禁带宽度E g 减小I sc 增加V oc 减小最佳带隙宽度❑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。

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 =(得到的光子流-电池本身辐射掉的电子流)X(电子电量)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：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。

单节电池的理论极限效率为33.7%，称为SQ（Shockley and Queisser）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。

太阳能电池教程绪论（introduction）第⼀章阳光的特性1.1 波粒⼆象性1.2 ⿊体辐射1.3 太阳和它的辐射1.4 地表的⽇光辐射1.5 直射和散射1.6 温室效应1.7 太阳的外表运动1.8 ⽇射率的度量1.8.1 全球的等通量1.8.2 直射和散射特性1.8.3 ⽇照时间资料1.8.4 数据的卫星云图1.9 太阳能和光伏发电第⼆章半导体和P-N结2.1 半导体2.1.1 键矩2.1.2 能带模型2.1.3 掺杂（半导体的掺杂）2.2 半导体的类型2.2.1 单晶硅2.2.2 多晶硅2.2.3 ⽆定形硅2.3 光吸收2.4 再结合2.5 P-N结第三章太阳能电池的性质3.1 光的作⽤3.2 光谱响应3.3 温度的影响3.4 串联电阻的作⽤第四章电池的特性和构造4.1 效率4.2 光损耗4.3 重组损耗4.4 表⾯接触设计4.4.1 基体体及表⾯电阻率4.4.2 栅线距离4.4.3 其它损耗4.5 实验电池VS⼯业需求4.6 激光凹槽隐匿接触电池第五章 PV电池的交互联系以及组成部件的加⼯ 5.1 组件和电路的设计5.2 单体电池5.3 多个电池5.4 多个组件5.5 热斑效应5.6 组件的结构5.7 环境保护5.8 热量考虑5.9 电绝缘5.10 机械保护5.11 衰减因素绪论光伏学是⼀门利⽤太阳能电池将太阳光直接转化为电能的⼀种艺术。

早在1839年，法国⼩伙⼦埃德蒙贝克勒尔19岁时，在他⽗亲的实验室⾥第⼀次论证（证实了）了光电池的设计。

然⽽，对于这种效⽤的理解和开发依赖于⼀些20世纪的重要的科学和技术的发展。

⼀个是量⼦⼒学的发展，它是20世纪最主要的智⼒成就之⼀。

另⼀个是半导体技术的发展，它对电⼦学⾰命以及微芯⽚的扩散起着重要的作⽤。

在（loferski,1993）中有现代光伏电池有趣的发展历史。

幸运的是，由于它的来由和发展背景，太阳能电池利⽤的简易性和可靠性是技术优点之⼀。

这本书在开始⼏章中，我们讲述了在这个过程中的两个最重要的要素的特性，⼀是阳光，它是最基础的能量来源，⼆是太阳能电池，通过完美地内在过程将阳光转化为电能。

《太阳能光伏电池及其应用》习题第一章总论一、填空题：1、人类文明的进步与人类社会工业化、近代化的变迁，都称为和变迁。

2、21世纪文明的宏伟构想时，被称为最大课题的问题占据了重要地位。

3、人们生活所需的能源可发分为维持个人生命的和、及生产活动中使用的生活能源两部分。

4、伴随着能源工业化的进展，人们选择更方便、更经济性的能源形态，也就是说，这一技术革新也是基于而产生的。

5、不同于化石能源的消费的原子能发电，称之为的太阳能发电、风力发电的应用。

6、当务之急要在化学能源枯竭之前找到的替代能源。

7、3E三重矛盾是在发展的过程中，伴随着的消费，以化石能源为主体的资源需求结构会造成对的破坏。

8、到达地球表面的太阳能，是通过几乎接近真空的宇宙空间，以的形式辐射过来。

9、太阳能到达地球的总辐射能量应该是太阳常数与的乘积。

10、太阳能电池的转换效率几乎是的，与其所利用的装置规模的无关。

11、光发电是对的有效利用。

二、选择题1、人们生活所必需的能源可以分为维持个人生命的生理能源和（）、社会活动及生产活动中使用的生活经验能源两部分。

A、日常生活B、社会生活C、劳动生活D、物质生活2、点燃近代产业革命之火的是发明蒸汽机的（）A、贝尔B、詹姆斯·瓦特C、爱迪生D、埃特尼·勒努瓦3、属于生态发电的有：太阳能发电和（）。

A、火力发电B、水力发电C、煤炭发电D、风力发电4、煤炭的可开采( )年。

A、43年B、61年C、231年D、73年5、天然气的可开采( )年。

A、43年B、61年C、231年D、73年6、3E指的是：经济、能源和（）。

A、地球环境B、海洋C、森林D、陆地7、世界各国对温室气体排放量，以1990年为基准，到2010年日本要消减( ).A、10%B、8%C、6%D、5%8、采用石油发电方式引起的有害气体CO2排放量是（）。

A、322.8 g/KW·hB、178 g/KW·hC、258.5 g/KW·hD、7.8 g/KW·h9、能量通过约1.5亿km的空间到达地球的大气层附近时，其辐射能量密度约为（），这个值叫太阳常数。

课程大纲第一部分：基础知识第章引言第一章：引言第二章：半导体基础第三章：P-N结第四章：太阳能电池基础第二部分：传统太阳能电池第章能第五章：晶体硅太阳能电池第六章：高效III-V族化合物太阳能电池第七章：硅基薄膜太阳能电池第八章：高效薄膜太阳能电池（CIGS, CdTe）第三部分：新型太阳能电池第九章：有机太阳能电池第十章：染料敏化及钙钛矿太阳能电池第十一章：其它新型太阳能电池（量子点，中间带等）第十二章：多结太阳能电池主讲教师：（1-4 章：18学时）；82304569，xwzhang@张兴旺14章学时）xwzhang@semi ac cn尹志岗（5-7 章：14学时）；82304469，yzhg@游经碧（8-12章：22学时）；82304566，jyou@课程性质：专业选修课课程性质专业选修课课时：54课时考试类型：开卷成绩计算方式：期末考试（70%）+小组文献汇报（30%）成绩计算方式期末考试参考书目：1熊绍珍朱美芳：《太阳能电池基础与应用》科学出版社1. 熊绍珍，朱美芳：《太阳能电池基础与应用》，科学出版社，2009年2. 刘恩科，朱秉升，罗晋生：《半导体物理学》，电子工业出版社，2011年3. 白一鸣等编，《太阳电池物理基础》，机械工业出版社，2014年第一章引言太阳能的利用方式1.2太阳能资源及其分布31.114太阳电池工作原理31.3太阳电池发展历程1.4太阳电池应用与趋势31.51.6中国光伏发电的现状1973年，由于中东战争而引起的“石油禁运”，全世界发生了以石油为代表的能源危机，人类认识到常规能源的局限性、以石油为代表的“能源危机”，人类认识到常规能源的局限性有限性和不可再生性，认识到新能源对国家经济发展、社会稳定及安全的重要性。

与此同时，环境污染日益加剧、极端天气频繁出现，不断挑战着人类的忍受极限……1.1 太阳能资源：未来能源的主要形式太阳能核能地热能生物质能风能水势能清洁能源－－光伏发电太阳------物理参数太阳------地球生命之源！表度太阳------巨大的火球！表面温度：5760-6000K中心温度：1.5×107K日冕层温度：5×106K198930质量：1.989×10kg太阳每秒释放的能量：3.865×1026J，相当于132每秒燃烧1.32×1016吨标准煤的能量(世界能源消耗)3.0 ×1020joule/y=万分之一！3.0 ×1024joule/y万分之巨大潜力(照射到地面的太阳能)457亿年>50亿年我国的太阳能资源45.7亿年，>50亿年，取之不尽、用之不竭地表每年吸收太阳能17000亿吨标煤2007年一次能源26.5亿吨标煤解决能源危机特点能源取之不尽、无污染地球表面角度0.1%的太阳能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍资源丰富太阳环改善环境、保护气候无污染物废气噪音的污染特点能的境角无污染物、废气、噪音的污染1 MW并网光伏电站的年发电能力约为113万优点度并能kWh，可减排二氧化碳约191余吨相当于每年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约5.5吨，减排灰渣约114吨，减排二氧化硫约节能减排8.54吨。

第四章太阳电池基础光生载流子的浓度和电流4.2太阳电池的测试技术4.4光生伏特效应34.1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性能表征4.6衬底n 型电中性区p 型电中性区F=0F=0衬底n 型电中性区p 型电中性区空间电荷区结区电势、电场分布、结区宽度计算载流子的浓度和输运性质(2)线性复合近似，也称叠加近似：要求电中性区的复合率U与少子浓度成正比；衬底n 型电中性区p 型电中性区空间电荷区(1)耗尽近似：❑内建电场只存在于空间电荷区，空间电荷区没有自由载流子，内建电场完全有掺杂离子引起；❑电中性区，没有内建电场，多子浓度仍处于热平衡状态，少子浓度的变化引起电流J;求解出在光照下的电中性区和空间电荷区的载流子浓度和电流衬底n 型电中性区p 型电中性区空间电荷区⎰⎰==dEx E j x J dE x E j x J p p n n ),()(),()(空穴电流：电子电流：现在研究电中性区载流子的浓度及电流电中性区的载流子浓度和电流电子光谱电流j n (E,x)和空穴光谱电流j p (E,x)在太阳光谱上的积分pp w x x -<<衬底n 型电中性区p 型电中性区F=0F=0边界条件1通过表面复合完全弛豫衬底n 型电中性区p 型电中性区F=0F=0p 型区少子扩散电流边界条件2nnx w <=衬底n 型电中性区p 型电中性区F=0F=0边界条件1扩散电流空穴电流x E J ),(p =型区少子扩散电流衬底n 型电中性区p 型电中性区F=0F=0边界条件2光照条件下，大量电子从基态Ev受激吸收至激发态，并形成稳定的分布，最终达到准热平衡状态。

此时，导带化学势上升，价带化学势下降，两能级的化学势差。

μμ∆-=∆＝且ph q V E E p Fn F 空间电荷区的载流子浓度和电流空间电荷区电流dxU G q J npw w scr ⎰---=)(dEE j dE w E j dE w E j J w J w J w J w J J w x x scr n p p n n p p n p p p n p )(),(),(])([)()()(scr ⎰⎰⎰----=+---=----=-=流处的电流可以代表净电无关的常数，在位置净电流是与位置4.3 光生载流子的浓度与电流太阳电池净电流__()(,)(,)sc n ph p p ph n genj E j E w j E w j =-----短路电流dEE j J scsc )(0⎰∞=光谱短路电流非平衡少数载流子浓度关于位置的二阶常系数非齐次线性方程，现以p区为例求解方程根据载流子的复合可知，在电中性区载流子复合率与少子浓度成正比）。

电池效率表CuInSe2(CIS)：黄铜矿结构，高温时为闪锌矿结构；Cu(In,Ga)Se2(CIGS):通常最佳组分比Ga/(In+Ga)约为0.3。

CIS与CIGS结构CIS与CIGS光学性质制备方法:三步共蒸法三步共蒸法可形成Ga组分的双梯度分布；Cu、Se组分分布均匀；晶粒大，致密，呈柱状生长。

制备方法:后硒化法后硒化法易于精确控制化学计量比,对设备要求不高,产业化的首选工艺;Ga组分分布较难控制,很难形成双梯度组分分布结构；有时在表面用S代Se，形成宽带隙Cu(In,Ga)S2，以降低器件表面复合。

思考:（1）为什么需要CdS层？（2）i-ZnO层有必要吗？自反型异质结Mo背接触层；CIGS层；背光面：p型受光面：n型CdS缓冲层；ZnO窗口层(i+n)。

CIGS电池结构减反通常用MgF 2Ga/(In+Ga) 0.26 to 0.31CIGS电池效率发展趋势CIGS电池实验室效率快速增长，目前已达21.7%，超过多晶硅电池。

低成本工艺取得突破，柔性衬底CIGS电池效率高达20.4%。

CIGS电池成本变化趋势CIGS电池组件、BOS成本持续稳步下降，目前已经可以和晶硅电池竞争。

CIGS电池市场CIGS电池市场份额稳步提升，未来竞争力持续看好。

温度系数小室外工作特性较商用Si电池优异，应用前景更好！抗辐照能力强抗辐照性能远优于其它类型的太阳电池；空间应用前景好。

单片集成单片集成,相对于晶Si电池有巨大优势,有利于降低组件成本。

组件效率记录:16.5%,台湾TSMC。

能量损失机制（1）电极遮光损失；（2）反射损失；（3）ZnO窗口层吸收损失；（4）CdS缓冲层吸收损失；（5）CIGS带隙附近吸收不充分；（6）CIGS复合损失。

导带带阶(band offset)ΔE C略大于0非常有必要Ga组分双梯度提供背电场，抑制背面少子复合，减少电池点穴损失；优化光谱匹配，提高电池开压。

表面、晶界贫Cu对电池结构而言，表面贫Cu可形成自反型结构——形成pn结的前提；对材料（吸收层）而言，晶界贫Cu造成能带向下弯曲，空穴的天然势垒——抑制晶界复合；SKM及CAFM的实验证据（AM, 2015）。