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太阳能电池效率极限PPT

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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。

第五讲 太阳能电池效率极限课件

第五讲 太阳能电池效率极限课件
• 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?

太阳能电池各参数的含义PPT课件

太阳能电池各参数的含义PPT课件
在扩散工序扩入大量的P(磷)原子,P原子最外层有 五个电子,掺入大量P的基片由P型半导体变为N型导 电体,多数载流子为电子,少数载流子为空穴.
第2页/共34页
太阳电池原理----基本原理
N型半导体
P型半导体
漂移中和 1，在P型区域和N型区域的交接区域,多数载流子相互吸引,漂移中和,最终 在交接区域形成一个空间电荷区（即内建电场区）.在内建电场区电场方 向是由N区指向P区.
qDn
dnp dx
.........................................(2 7)
dnp dt
GL
U p
1 q
dJn dx
...........................................(2 8)
d dx
q r0
(ND
NA
p
n)...................................(.2
JSC JL Nph
第12页/共34页
太阳电池测试原理----光电流和光
电2,光压电压
由于光照而在电池两端出现的电压称为光电压.它像外加于pn结
的正偏一样,与内建电场方向相反,这光电压减低了势垒的高度,而
且使耗尽区变薄.太阳电池开路状态的光电压称为开路电压UOC光 电压.
在开路状态下,有光照时,内建电场所分离的光生载流子形成由n
第7页/共34页
太阳电池原理
不同波长的光所产生的Isc
1，对于光波长λ≈1.1μm，α=2000m-1（吸收深度δ=1/ α=500μm）,
求得Isc=20mA. 2，对于强吸收的光波长λ≈0.83μm， α=10 × 105m-1（吸收深度

太阳能电池优秀课件

太阳能电池优秀课件

2 、光电导效应
电子能量
在光线作用下，电子吸收光
子能量从束缚状态过渡到自由
hv
状态，而引起材料电导率的变
导带 Eg
价带
化，这种现象被称为光电导效
应。
当光照射到半导体光电导材料上时，若光辐
射能量足够强，材料价带上的电子将被激发到导
带,从而使材料中的自由载流子增加，致使材料
的电导变大。
光电导产生的条件
6、温度效应
太阳能电池用半导体的禁带 宽度的温度系数为负，随温度 上升带隙变窄，会使短路电流 略有上升，但同时会使I0增加， Voc下降。
综合所有参数，转换效率随 温度上升而下降。
7、辐照效应 作为卫星和飞船的电源，太阳电池必然暴露
在外层空间的高能粒子的辐照下。高能粒子 辐照时通过与晶格原子的碰撞，将能量传给 晶格，当传递的能量大于某一阈值时，便使 晶格原子发生位移，产生晶格缺陷。这些缺 陷将起复合中心的作用，从而降低少子寿命。 大量研究工作表明，寿命参数对辐照缺陷最 为灵敏，也正因为辐照影响了寿命值，从而 使太阳电池性能下降。
理想情况下的效率
舍弃太阳光中波长大于长波限的光 谱，在理想情况下，能量大于禁带宽 度的光子全部被材料吸收形成光电流， 显然，最大短路电流Isc仅与材料的带隙 有关。
理想情况下Voc为：
Voc
kT q
ln
I ph I0
1
式中Iph为光生电流，I0为二 极管饱和电流：
I0
A
qDn
n2 i
LN nA
图一
将表面制成金字塔型的组织结构，以减少光的反射 量。
将金属电极埋入基板中，以减少串联电阻。(图二)
图二
减少背电极与硅的接触面积，以减少因金属与硅的 接合处引入的缺陷， (图三)

【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

太阳能电池的参数精选PPT

太阳能电池的参数精选PPT
在直角坐标图上，以纵坐标代表电流， 横坐标代表电压，测得各点的连线，即为该 电池在此辐照度和温度下的伏安特性曲线， 如图所示。
二、太阳能电池的主要技术参数
(2) 开路电压
在一定的温度和辐照度条件下， 太阳电池在空载（开路）情况下的 端电压，也就是伏安特性曲线与横 坐标的交点所对应的电压，通常用 Uoc来表示。
太阳能电池的参数
. 提纲 一、太阳能电池的等效电路 二、太阳能电池的主要技术参数
一、太阳能电池的等效电路
(1) .理想的太阳电池等效电路 理想的太阳电池等效电路如图所示。 当连接负载的太阳电池受到光照射时，
太阳电池可看做是产生光生电流Iph的恒 流源。
与之并联的有一个处于正偏置下的二 极管，通过二极管P-N结的漏电流ID称为 暗电流，是在无光照时，由于外电压作用 下P-N结内流过的电流，其方向与光生电 流方向相反，会抵消部分光生电流。
的极限输出功率值；
AkT I AkT I 理想的太阳电池等效电路
ph
U ln( 1) ln 实Im际Um的—o 太c —阳最电大池输等出效功电率路。如图所示。
q I q I 有些光伏系统采用“最大功率跟踪器”，可0在一定程度上增加输出的电能。
ph 0
实际的太阳电池等效电路如图所示。
二、太阳能电池的主要技术参数
一、太阳能电池的等效电路
(1) .理想的太阳电池等效电路
暗电流ID表达式为： IDI0(eqU/(AkT)1)
式中 I0——反向饱和电流，在黑暗中通 过P-N结的少数载流子的空穴电流和电子电 流的代数和； U——等效二极管的端电压； q——电子电量； T——绝对温度； A——二极管曲线因子，取值在1~2之间。
因此，流过负载两端的工作电流为： I Ip h ID Ip h I0 (e q U /(A k T ) 1 )

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

太阳电池量子效率 ppt课件

太阳电池量子效率
单晶硅对光的吸收过程
反射光
透射光成为反 射光的一部分
Si
太阳电池量子效率
没有透射光谱
量子效率的定性分析
有透射光谱
在175um厚度电池
Ø波长小于1000nm的光 基本没有透射，IQE和 EQE 的差别反映的是前 表面减反射膜和硅表面 陷光结构状况
Ø波长大于1000nm的光 有透射，IQE和EQE 的 差别反映的是前表面减 反射膜，硅表面陷光结 构状况，电池背表面的 钝化情况
单晶硅对光的吸收特性太阳电池量子效率si单晶硅对光的吸收过程透射光成为反射光的一部分反射光太阳电池量子效率在在175um厚度电池?波长小于1000nm的光基本没有透射iqe和和eqe的差别反映的是前表面减反射膜和硅表面陷光结构状况?波长大于1000nm的光有透射iqe和eqe的的差别反映的是前表面减反射膜硅表面陷光结构状况电池背表面的钝化情况没有透射光谱有透射光谱尾巴翘曲程度反映背表面的钝化和增反射情况量子效率的定性分析太阳电池量子效率外量子效率和电池短路电流密度短路电流密度?????deqeevjph???电流与qe的关系公式太阳电池量子效率qe应用实例分析figure5
单晶硅对光的吸收特性
Penetration Depth (m)
300 250 200
Silicon Thickness 175um 150 100
50
Wavelength 1um
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
m
Ø波长小于400nm的光在厚度0.01um 的硅中，就被全部吸收； Ø波长大于1000nm的光在175um的硅中没有被完全吸收；
不同种类的太阳电池光谱响
主要不同： Ø光谱响应波段 Ø相同波段利用率

第七章 太阳能电池能量转换限制 经典太阳电池基础课件


❖ 缺点：间接带隙半导体，吸收弱，所以电池 厚度大。
❖ 硅太阳能电池：略
❖ 薄膜太阳能电池：略
7.6 开路电压的温度依赖
VOC
1 e
(e
h )
kT e
ln(
ne nh ni2
)
对温度求导，得到
dVOC
/
dT
k e
ln(
nenh ni2
)
kT 1 [
e ne
dne dT
1 nh
dnh dT
1 ni2
❖ 在最大功率的条件下
d ( jQV ) djQV jQdV 0
❖ 所以，
(
djQ dV
)
(
jQ V
)
mp
❖ 这样，最大功率点发生在连接坐标原点与最 大功率点的直线与切线垂直时。
❖ 利用伏安特性曲线，
eV jQ js[exp(kT ) 1] jSC
❖ 得到
djQ dV
js
e kT
exp(eVmp ) kT
dni2 ] T
其中
ni2
NC NV
exp(
G )
kT
dVOC VOC G / e ( 1 dne 1 dnh )
dT
T
ne dT nh dT
❖ 讨论对温度的依赖性：温度的依赖本质上 是对第一项的依赖性。对于硅太阳能电池 来说，温度每升高一度，开路电压下降
0.3%
7.7 效率的强度依赖
❖ 自学！
FF
eVOC
/(kT)
ln[1
eVOC kT
]
1 eVoc /(kT)
❖ 填充因子在0.8到0.9之间。
❖ 在太阳能电池中，大的短路电流需要电池厚度尽量 薄，这样吸收系数才可能最大。

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
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电压电流 方向？
光的照射对P-N结电流-电压间函数特性的影响
I
I
Power Dissipating
Region
V
Power Dissipating
Region
Dark Characteristic
Light Characteristic
V
Power Generating
Region
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。
导带产生
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
Resource Characteristics ——地面附近太阳辐射光谱图
The absorption depths of silicon
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。
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。
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 α量物）理意，义α是吸收系数，x是到表面的距离。
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。
1.1 光的吸收与载流子复合
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照光射到照电的池上影的响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。
几率就比较大。
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
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
有于是的二二极极管管I 公暗式I电0[变流ex为基p：(础nqk之VT上) 叠1加] 了I一L 个电流增量，
represent power loss mechanisms inside the cell.
RS = 0 ISC
RSH =
RLOAD
The ideal solar cell would have no internal losses at all! What would the VI characteristic of THIS cell look like?
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 ）
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
照电强流度为的零增时加，V成O电C 对池 数输nkq方出T 式的ln增(最II长L0大。电1)压。Voc的值随辐
I
IL
I0
[exp(
qV nkT
)
1]
Question #1:
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?
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。
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）
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
IL
I
0
[exp(
qV nkT
)
1]
The VI characteristic of a solar cell is usually displayed like this: I
V
V I
The coordinate system is flipped around the voltage axis.
Question #2:
I=0
R=
+
_
V = VOC
RS , RSH
RSH ISC
The slopes of these lines are
characteristic resistances.
RS
VOC
RS ISC
Cell RSH
RLOAD
Cell Equivalent circuit for a solar cell with load. Internal resistances RS and RSH
太阳能电池 工作原理、技术和系统应用
作者：马丁.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当光光照的射吸到半收导与体载材料流时子，复拥有合比禁带宽（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。 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。