然，Ｉｓ取决于Ｅｇ、Ｌｎ、Ｌｐ、ＮＡ、ＮＤ和绝对温度Ｔ的巨细，一起也与光电池结构有关。 为了进步Ｖｏｃ，常常选用Ｅｇ大，少子寿数长及低电阻率（例如对硅单晶片选用０．２欧 姆厘米）的资料，代入适宜的半导体参数的数值，给出硅的最大Ｖｏｃ值约７００ｍＶ左右 。 填充因子ＦＦ的考虑： 在抱负状况下，填充因子ＦＦ仅是开路电压Ｖｏｃ的函数，可用以下经历公式标明： Ｕｏｃ－ｌｎ（Ｕｏｃ＋０．７２）ＦＦ＝Ｕｏｃ＋１Ｕｏｃ＝Ｖｏｃ（ｋＴ／ｑ）１／２这样，当开路电压Ｖｏｃ的最大值 确认后，就可核算得到ＦＦ的最大值。 归纳上述成果，可得到作为带隙Ｅｇ的函数的最大转化功率，其成果示于下图中 。 关于单晶硅太阳能电池，理论上限是２７％，现在研讨得到的最大值 为２４％左右。ＧａＡｓ太阳能电池的转化功率的理论上限为２８．５％ ，现在取得的最大值是２４．７％。怎么进一步进步太阳能电池的转化功率是当时的研讨 课题，这也便是所谓的高功率化技能的开发。 ２、影响太阳能电池转化功率的一些要素咱们前面介绍了太阳能电池转化功率的 理论值，这些理论值都是在抱负状况下得到的。而太阳能电池在光电能量转化进程 中，因为存在各种附加的能量丢失，实践功率比上述的理论极限功率低。下面以ｐｎ 结硅电池为例，介绍一些影响太阳能电池转化功率的要素。 光生电流的光学丢失： 太阳能电池的功率丢失中，有三种是归于光学丢失，其首要影响是下降了光生 电流值。反射丢失：从空气（或真空）笔直入射到半导体资料的光的反射。以硅为 例，在感兴趣的太阳光谱中，逾越３０％的光能被的硅外表发射掉了。栅指电极 遮光丢失ｃ：界说为栅指电极遮光面积在太阳能总面积中所占的百分比（见下图） 。对一般电池来说，ｃ约为４％－１５％。 透射丢失：假如电池厚度缺乏够大，某些能量适宜能被吸收的光子或许从电 池反面穿出。这决议了半导体资料之最小厚度。直接带隙半导体要求资料的厚度比 直接带隙的厚。如图为对硅和砷化镓的核算成果。 光生少子的搜集几率：在太阳能电池内，因为存在少子的复合，所发生的每一 个光生少量载流子不或许百分之百地被搜集起来。界说光激起少子中对太阳能电池 的短路电流有奉献的百分数为搜集几率。该参数决议于电池内个区域的复合机理，也 与电池结构与空间方位有关。 影响开路电压的实践要素： 决议开路电压Ｖｏｃ巨细的首要物理进程是半导体的复合。半导体复合率越高， 少子分散长度越短，Ｖｏｃ也就越低。体复合和外表复合都是重要的。在ｐ－Ｓｉ衬底中 ，影响非平衡少子总复合率的三种复合机理是：复合中心复合、俄歇复合及直接辐射 复合。总复合率首要取决三种复合中复合率最大的一个。例如：关于高质量的硅单 晶，当掺杂浓度高于１０１７ｃｍ－３时，则俄歇复合发生影响，使少子寿数下降。一般， 电池外表还存在外表复合，外表复合也会下降Ｖｏｃ值。 （复合中心复合、俄歇复合、直接辐射复合和外表复合？） 辐照效应： 使用在卫星上的太阳能电池遭到太空中高能离子辐射，体内发生缺点，使电池 输出功率逐步下降，或许影响其使用寿数。辐照发生的缺点，相当于复合中心。辐 照后增大了电池内部的少子复合率τ－１，即有：τ－１＝τ０－１＋Ｋ’式中τ０是辐照 前的寿数，Ｋ’是常数，是辐照通量。因为分散长度等于（Ｄτ）１／２，故上式可写 成：Ｌ－２＝Ｌ０－２＋Ｋ 对太阳能电池的研讨标明，ｎ＋ｐ电池Ｋ＝１．７ｘ１０－１０，而ｐ＋ｎ电池Ｋ＝１．２２ｘ１０－８， 前者比后者抗辐射才干大得多。为了改进辐射容量，可将锂掺入太阳能电池中。Ｌｉ 可分散到辐射感生点缺点中，并与之结合起来，阻挠寿数减退。太空使用的太阳能 电池，一般都掩盖一块掺铈薄玻片，削减进入电池的高能粒子。 １ １本文由ｚｆｍｆｎｓ０６４６奉献 本文由ｚｈａｏ１６８３２５奉献 ｐａｇｅ４

　　单晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。单晶硅太阳能电池一般是以ｐ型Ｓｉ为 衬底，分散ｎ型杂质，构成如图（ａ）所示结构。为取出电流，ｐ型衬底的整 个下外表涂银并烧结，以构成银电极，接通两电极即能得到电流。 玻璃衬底非晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。玻璃衬底非晶硅太阳能电 池是先在玻璃衬底上淀积通明导电薄膜，然后顺次用等离子体反响堆积ｐ型、Ｉ型 和ｎ型三层ａ－Ｓｉ，接着再蒸涂金属电极铝，电池电流从通明导电薄膜和电极铝引出 。 不锈钢衬底非晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。不锈钢衬底型太阳能电 池是在不锈钢衬底上堆积ｐｉｎ非晶硅层，其上再堆积通明导电薄膜，最终与单晶硅 电池相同制备梳状的银搜集电极。电池电流从下面的不锈钢和上面的梳状电极引 出。 二、太阳能电池的输出特性 １、光电池的电流电压特性 光电池作业时共有三股电流：光生电流ＩＬ，在光生电压Ｖ效果下的ｐｎ结正向电流 ＩＦ，流经外电路的电流Ｉ。ＩＬ和ＩＦ都流经ｐｎ结内部，但方向相反。光电流ＩＬ结正向 电流ＩＦｐｎＩＦ＝Ｉｓ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１］Ｉ其间：Ｖ是光生电压，Ｉｓ是反向饱和电流。根 据ｐ－ｎ结整流方程，在正向偏压下，经过结的正向电流为： 负载 设用必定强度的光照耀光电池，因存在吸收，光强度跟着光透入的深度按指数 律下降。因而光生载流子发生率也随光照深化而削减，即发生率Ｑ是ｘ函数。为了简洁 起见，用＜Ｑ＞标明在结的分散长度（Ｌｐ＋Ｌｎ）内非平衡载流子的均匀发生率，并设扩 散长度Ｌｐ内的空穴和Ｌｎ内的电子都能分散到ｐ－ｎ结面而进入另一边，这样光生电流ＩＬ 应该是：ＩＬ＝ ｑ＜Ｑ＞Ａ（Ｌｐ＋Ｌｎ） 其间：Ａ是ｐ－ｎ结面积，ｑ为电子电量。光生电流ＩＬ从ｎ区流向ｐ区，与ＩＦ反向。 如光电池与负载电阻接成通路，经过负载的电流应该是：Ｉ＝ＩＦ－ＩＬ＝Ｉｓ［ｅｘ ｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１］－ＩＬ这便是负载电阻上电流与电压的联系，也便是光电池的伏安特性方 程。 左图别离是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线、描绘太阳能电池的参数 不论是一般的化学电池仍是太阳能电池，其输出特性一般都是用如下图所示的 电流－电压曲线来标明。由光电池的伏安特性曲线，能够得到描绘太阳能电池的四个 输出参数。 １、开路电压Ｖｏｃ在ｐ－ｎ结开路状况下（Ｒ＝∞），此刻ｐｎ结两头的电压即为开路 电压Ｖｏｃ。这时，Ｉ＝０，即：ＩＬ＝ＩＦ。将Ｉ＝０代入光电池的电流电压方程，得开路电压 为：ｋＴｌｎ（ＩＬＶｏｃ＝ｑＩｓ＋１）２、短路电流Ｉｓｃ如将ｐｎ结短路（Ｖ＝０），因而ＩＦ＝０ ，这时所得的电流为短路电流Ｉｓｃ。明显，短路电流等于光生电流，即：Ｉｓｃ＝ＩＬ ３、填充因子ＦＦ在光电池的伏安特性曲线任一作业点上的输出功率等于该点所 对应的矩形面积，其间只需一点是输出最大功率，称为最佳作业点，该点的电压和电 流别离称为最佳作业电压Ｖｏｐ和最佳作业电流Ｉｏｐ。ＶｏｐＩｏｐＰ＝ｍａｘ填充因子界说为 ：ＦＦ＝ＶｏｃＩｓｃＶｏｃＩｓｃ它标明了最大输出功率点所对应的矩形面积在Ｖｏｃ和Ｉｓｃ所 组成的矩形面积中所占的百分比。特性好的太阳能电池便是能取得较大功率输出的 太阳能电池，也便是Ｖｏｃ，Ｉｓｃ和ＦＦ乘积较大的电池。关于有适宜功率的电池，该 值应在０．７０－０．８５规模之内。 ４、太阳能电池的能量转化功率η标明入射的太阳光能量有多少能转化为有用 的电能。即：η＝（太阳能电池的输出功率／入射的太阳光功率）ｘ１００％＝（Ｖｏｐｘ Ｉｏｐ／ＰｉｎｘＳ）Ｘ１００％ＶｏｃＩｓｃＦＦ＝ＰｉｎＳ其间Ｐｉｎ是入射光的能量密度，Ｓ为太阳能电 池的面积，当Ｓ是整个太阳能电池面积时，η称为实践转化功率，当Ｓ是指电池中的 有用发电面积时，η叫本征转化功率。 三、太阳能电池的等效电路 等效电路是描绘太阳能电池的最一般办法。１、抱负ｐｎ结太阳能电池的等效电路 ｐａｇｅ２

　　个下外表涂银并烧结，以构成银电极，接通两电极即能得到电流。 玻璃衬底非晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。玻璃衬底非晶硅太阳能电 池是先在玻璃衬底上淀积通明导电薄膜，然后顺次用等离子体反响堆积ｐ型、Ｉ型 和ｎ型三层ａ－Ｓｉ，接着再蒸涂金属电极铝，电池电流从通明导电薄膜和电极铝引出 。 不锈钢衬底非晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。不锈钢衬底型太阳能电 池是在不锈钢衬底上堆积ｐｉｎ非晶硅层，其上再堆积通明导电薄膜，最终与单晶硅 电池相同制备梳状的银搜集电极。电池电流从下面的不锈钢和上面的梳状电极引 出。 二、太阳能电池的输出特性 １、光电池的电流电压特性 光电池作业时共有三股电流：光生电流ＩＬ，在光生电压Ｖ效果下的ｐｎ结正向电流 ＩＦ，流经外电路的电流Ｉ。ＩＬ和ＩＦ都流经ｐｎ结内部，但方向相反。光电流ＩＬ结正向 电流ＩＦｐｎＩＦ＝Ｉｓ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１］Ｉ其间：Ｖ是光生电压，Ｉｓ是反向饱和电流。根 据ｐ－ｎ结整流方程，在正向偏压下，经过结的正向电流为： 负载 设用必定强度的光照耀光电池，因存在吸收，光强度跟着光透入的深度按指数 律下降。因而光生载流子发生率也随光照深化而削减，即发生率Ｑ是ｘ函数。为了简洁 起见，用＜Ｑ＞标明在结的分散长度（Ｌｐ＋Ｌｎ）内非平衡载流子的均匀发生率，并设扩 散长度Ｌｐ内的空穴和Ｌｎ内的电子都能分散到ｐ－ｎ结面而进入另一边，这样光生电流ＩＬ 应该是：ＩＬ＝ ｑ＜Ｑ＞Ａ（Ｌｐ＋Ｌｎ） 其间：Ａ是ｐ－ｎ结面积，ｑ为电子电量。光生电流ＩＬ从ｎ区流向ｐ区，与ＩＦ反向。 如光电池与负载电阻接成通路，经过负载的电流应该是：Ｉ＝ＩＦ－ＩＬ＝Ｉｓ［ｅｘ ｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１］－ＩＬ这便是负载电阻上电流与电压的联系，也便是光电池的伏安特性方 程。 左图别离是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线、描绘太阳能电池的参数 不论是一般的化学电池仍是太阳能电池，其输出特性一般都是用如下图所示的 电流－电压曲线来标明。由光电池的伏安特性曲线，能够得到描绘太阳能电池的四个 输出参数。 １、开路电压Ｖｏｃ在ｐ－ｎ结开路状况下（Ｒ＝∞），此刻ｐｎ结两头的电压即为开路 电压Ｖｏｃ。这时，Ｉ＝０，即：ＩＬ＝ＩＦ。将Ｉ＝０代入光电池的电流电压方程，得开路电压 为：ｋＴｌｎ（ＩＬＶｏｃ＝ｑＩｓ＋１）２、短路电流Ｉｓｃ如将ｐｎ结短路（Ｖ＝０），因而ＩＦ＝０ ，这时所得的电流为短路电流Ｉｓｃ。明显，短路电流等于光生电流，即：Ｉｓｃ＝ＩＬ ３、填充因子ＦＦ在光电池的伏安特性曲线任一作业点上的输出功率等于该点所 对应的矩形面积，其间只需一点是输出最大功率，称为最佳作业点，该点的电压和电 流别离称为最佳作业电压Ｖｏｐ和最佳作业电流Ｉｏｐ。ＶｏｐＩｏｐＰ＝ｍａｘ填充因子界说为 ：ＦＦ＝ＶｏｃＩｓｃＶｏｃＩｓｃ它标明了最大输出功率点所对应的矩形面积在Ｖｏｃ和Ｉｓｃ所 组成的矩形面积中所占的百分比。特性好的太阳能电池便是能取得较大功率输出的 太阳能电池，也便是Ｖｏｃ，Ｉｓｃ和ＦＦ乘积较大的电池。关于有适宜功率的电池，该 值应在０．７０－０．８５规模之内。 ４、太阳能电池的能量转化功率η标明入射的太阳光能量有多少能转化为有用 的电能。即：η＝（太阳能电池的输出功率／入射的太阳光功率）ｘ１００％＝（Ｖｏｐｘ Ｉｏｐ／ＰｉｎｘＳ）Ｘ１００％ＶｏｃＩｓｃＦＦ＝ＰｉｎＳ其间Ｐｉｎ是入射光的能量密度，Ｓ为太阳能电 池的面积，当Ｓ是整个太阳能电池面积时，η称为实践转化功率，当Ｓ是指电池中的 有用发电面积时，η叫本征转化功率。 三、太阳能电池的等效电路 等效电路是描绘太阳能电池的最一般办法。１、抱负ｐｎ结太阳能电池的等效电路 抱负ｐｎ结太阳能电池能够用一恒定电流源Ｉｐｈ（光生电流）及一抱负二极管的 ｐａｇｅ６

　　抱负ｐｎ结太阳能电池能够用一恒定电流源Ｉｐｈ（光生电流）及一抱负二极管的 并联来标明。其等效电路如左图所示。其电流电压联系满意咱们上一节所介绍的方 程。。＝Ｉ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１］－ＩＩ＝Ｉ－Ｉ ＦＬｓ Ｌ ２、ｐｎ结太阳能电池的实践等效电路 实践上，ｐｎ结太阳能电池存在着Ｒｓ和Ｒｓｈ的影响。其间，Ｒｓ是由资料体电阻、 薄层电阻、电极触摸电阻及电极自身传导电流的电阻所构成的总串联电阻。Ｒｓｈ 是在ｐｎ结构成的不彻底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。 依据前面所示的等效电路，考虑到串联电阻Ｒｓ和旁路电阻Ｒｓｈ的影响。能够得到 经过负载的电流电压联系为：Ｉ＝ＩＬ－Ｉｓ｛ｅｘｐ［ｑ（Ｖ＋ＩＲｓ）／ｋＴ］－１｝－（Ｖ＋ＩＲｓ）／Ｒｓｈ上式是 标明太阳能电池特性的一般公式，叫做逾越方程式。Ｒｓ值变大会影响电池伏安特性 曲线违背抱负曲线，使ＦＦ变小，Ｉｓｃ下降，因而功率也下降；而旁路电阻Ｒｓｈ变小， 阐明无光照时ｐｎ结反向漏电流变大，构成Ｖｏｃ下降，ＦＦ变小，因而功率下降。 下面咱们来剖析一下串联电阻Ｒｓ和漏电电阻Ｒｓｈ对光电池功率的影响。依据图 示的电路，对同一个太阳能电池，当入射光强度较弱时，ＩＬ较小，二极管 电流和漏电流巨细相差不多，此刻，Ｒｓｈ的影响较大。Ｉ＝ＩＬ－Ｉｓ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１ ］－Ｖ／Ｒｓｈ 漏电电阻对光电池输出特性的影响可用右图标明。能够看出，漏电电 阻Ｒｓｈ对光电流的影响较小，而对开路电压的影响较大。 入射光功率必定（１００ｍＷ／ｃｍ２），并假定Ｖｏｃ＝０．５１Ｖ，Ｊｓｃ＝３０ｍＡ／ｃｍ２，Ｒｓ＝０。 当光照较强时，二极管电流远大于漏电电流，此刻，Ｒｓｈ对光电池的影响较 小，而相反的，Ｒｓ的影响就变大起来。Ｉ＝ＩＬ－Ｉｓ｛ｅｘｐ［ｑ（Ｖ＋ＲｓＩ）／ｋＴ］－１｝右图给出 了Ｒｓ对光电池输出特性的影响。能够看出光电池的输出特性跟着Ｒｓ有着较大的改动 ，并且Ｒｓ对开路电压的影响简直没有，但对短路电流却有很大的影响。入射光功 率必定（１００ｍＷ／ｃｍ２），并假定Ｖｏｃ＝０．５１Ｖ，Ｊｓｃ＝３０ｍＡ／ｃｍ２，Ｒｓｈ＝∞。 由前面剖析可知，当漏电电阻Ｒｓｈ降到１００欧姆以下时，对光电池的影响就不行 疏忽了。关于１ｃｍ２的硅电池，只需Ｒｓｈ大于５００欧姆，砷化镓电池Ｒｓｈ大于１０００欧 姆时，对输出特性的影响就不重要了。另一方面，当总串联电阻Ｒｓ增加到５欧姆时， 电池的转化功率就要下降３０％，可见Ｒｓ的影响较大。最近关于硅电池，要求实用化的 产品的Ｒｓ要在０．５欧姆以下。 四、太阳能电池转化功率的理论上限 １、太阳能电池的理论功率 太阳能电池的理论功率由下式决议：η＝ＶｏｃＩｓｃＦＦＰｉｎＳ 当入射太阳光谱ＡＭ０或ＡＭ１．５确认今后，其值就取决于开路电压Ｖｏｃ、短路电流Ｉ ｓｃ和填充因子ＦＦ的最大值。 下面咱们就来别离考虑开路电压Ｖｏｃ、短路电流Ｉｓｃ和填充因子ＦＦ的最大值。 短路电流Ｉｓｃ的考虑： 咱们假定在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳能电池没有奉献，其间长波 限满意：λｍａｘ＝１．２４（ｍ）／Ｅｇ（ｅＶ）而其余部分的光子，因其能量ｈν大于资料的禁带 宽度Ｅｇ，被资料吸收而激起电子－空穴对。假定其量子产额为１，并且被激起出的光 生少子在最抱负的状况下，百分之百地被搜集起来。在上述抱负的假定下，最大短路 电流值明显仅与资料带隙Ｅｇ有关，其核算成果如图所示。 在ＡＭＯ和ＡＭ１．５光照耀下的最大短路电流值。 开路电压Ｖｏｃ的考虑： 开路电压Ｖｏｃ的最大值，在抱负状况下有下式决议：Ｖｏｃ＝ＩＬｋＴｑｌｎ（Ｉｓ＋１ ） 式中ＩＬ是光生电流，在抱负状况即为上图所对应的最大短路电流。Ｉｓ是二极管 反向饱和电流，其满意：Ｉｓ＝Ａｑ（Ｄｎ／ＬｎＮＡ＋Ｄｐ／ＬｐＮＤ）ｎｉ２ｎｉ２＝ＮｃＮｖｅｘｐ（－Ｅｇ／ｋＴ）显 ｐａｇｅ３

　　并联来标明。其等效电路如左图所示。其电流电压联系满意咱们上一节所介绍的方 程。。＝Ｉ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１］－ＩＩ＝Ｉ－Ｉ ＦＬｓ Ｌ ２、ｐｎ结太阳能电池的实践等效电路 实践上，ｐｎ结太阳能电池存在着Ｒｓ和Ｒｓｈ的影响。其间，Ｒｓ是由资料体电阻、 薄层电阻、电极触摸电阻及电极自身传导电流的电阻所构成的总串联电阻。Ｒｓｈ 是在ｐｎ结构成的不彻底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。 依据前面所示的等效电路，考虑到串联电阻Ｒｓ和旁路电阻Ｒｓｈ的影响。能够得到 经过负载的电流电压联系为：Ｉ＝ＩＬ－Ｉｓ｛ｅｘｐ［ｑ（Ｖ＋ＩＲｓ）／ｋＴ］－１｝－（Ｖ＋ＩＲｓ）／Ｒｓｈ上式是 标明太阳能电池特性的一般公式，叫做逾越方程式。Ｒｓ值变大会影响电池伏安特性 曲线违背抱负曲线，使ＦＦ变小，Ｉｓｃ下降，因而功率也下降；而旁路电阻Ｒｓｈ变小， 阐明无光照时ｐｎ结反向漏电流变大，构成Ｖｏｃ下降，ＦＦ变小，因而功率下降。 下面咱们来剖析一下串联电阻Ｒｓ和漏电电阻Ｒｓｈ对光电池功率的影响。依据图 示的电路，对同一个太阳能电池，当入射光强度较弱时，ＩＬ较小，二极管 电流和漏电流巨细相差不多，此刻，Ｒｓｈ的影响较大。Ｉ＝ＩＬ－Ｉｓ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１ ］－Ｖ／Ｒｓｈ 漏电电阻对光电池输出特性的影响可用右图标明。能够看出，漏电电 阻Ｒｓｈ对光电流的影响较小，而对开路电压的影响较大。 入射光功率必定（１００ｍＷ／ｃｍ２），并假定Ｖｏｃ＝０．５１Ｖ，Ｊｓｃ＝３０ｍＡ／ｃｍ２，Ｒｓ＝０。 当光照较强时，二极管电流远大于漏电电流，此刻，Ｒｓｈ对光电池的影响较 小，而相反的，Ｒｓ的影响就变大起来。Ｉ＝ＩＬ－Ｉｓ｛ｅｘｐ［ｑ（Ｖ＋ＲｓＩ）／ｋＴ］－１｝右图给出 了Ｒｓ对光电池输出特性的影响。能够看出光电池的输出特性跟着Ｒｓ有着较大的改动 ，并且Ｒｓ对开路电压的影响简直没有，但对短路电流却有很大的影响。入射光功 率必定（１００ｍＷ／ｃｍ２），并假定Ｖｏｃ＝０．５１Ｖ，Ｊｓｃ＝３０ｍＡ／ｃｍ２，Ｒｓｈ＝∞。 由前面剖析可知，当漏电电阻Ｒｓｈ降到１００欧姆以下时，对光电池的影响就不行 疏忽了。关于１ｃｍ２的硅电池，只需Ｒｓｈ大于５００欧姆，砷化镓电池Ｒｓｈ大于１０００欧 姆时，对输出特性的影响就不重要了。另一方面，当总串联电阻Ｒｓ增加到５欧姆时， 电池的转化功率就要下降３０％，可见Ｒｓ的影响较大。最近关于硅电池，要求实用化的 产品的Ｒｓ要在０．５欧姆以下。 四、太阳能电池转化功率的理论上限 １、太阳能电池的理论功率 太阳能电池的理论功率由下式决议：η＝ＶｏｃＩｓｃＦＦＰｉｎＳ 当入射太阳光谱ＡＭ０或ＡＭ１．５确认今后，其值就取决于开路电压Ｖｏｃ、短路电流Ｉ ｓｃ和填充因子ＦＦ的最大值。 下面咱们就来别离考虑开路电压Ｖｏｃ、短路电流Ｉｓｃ和填充因子ＦＦ的最大值。 短路电流Ｉｓｃ的考虑： 咱们假定在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳能电池没有奉献，其间长波 限满意：λｍａｘ＝１．２４（ｍ）／Ｅｇ（ｅＶ）而其余部分的光子，因其能量ｈν大于资料的禁带 宽度Ｅｇ，被资料吸收而激起电子－空穴对。假定其量子产额为１，并且被激起出的光 生少子在最抱负的状况下，百分之百地被搜集起来。在上述抱负的假定下，最大短路 电流值明显仅与资料带隙Ｅｇ有关，其核算成果如图所示。 在ＡＭＯ和ＡＭ１．５光照耀下的最大短路电流值。 开路电压Ｖｏｃ的考虑： 开路电压Ｖｏｃ的最大值，在抱负状况下有下式决议：Ｖｏｃ＝ＩＬｋＴｑｌｎ（Ｉｓ＋１ ） 式中ＩＬ是光生电流，在抱负状况即为上图所对应的最大短路电流。Ｉｓ是二极管 反向饱和电流，其满意：Ｉｓ＝Ａｑ（Ｄｎ／ＬｎＮＡ＋Ｄｐ／ＬｐＮＤ）ｎｉ２ｎｉ２＝ＮｃＮｖｅｘｐ（－Ｅｇ／ｋＴ）显 然，Ｉｓ取决于Ｅｇ、Ｌｎ、Ｌｐ、ＮＡ、ＮＤ和绝对温度Ｔ的巨细，一起也与光电池结构有关。 为了进步Ｖｏｃ，常常选用Ｅｇ大，少子寿数长及低电阻率（例如对硅单晶片选用０．２欧 ｐａｇｅ７

　　姆厘米）的资料，代入适宜的半导体参数的数值，给出硅的最大Ｖｏｃ值约７００ｍＶ左右 。 填充因子ＦＦ的考虑： 在抱负状况下，填充因子ＦＦ仅是开路电压Ｖｏｃ的函数，可用以下经历公式标明： Ｕｏｃ－ｌｎ（Ｕｏｃ＋０．７２）ＦＦ＝Ｕｏｃ＋１Ｕｏｃ＝Ｖｏｃ（ｋＴ／ｑ）１／２这样，当开路电压Ｖｏｃ的最大值 确认后，就可核算得到ＦＦ的最大值。 归纳上述成果，可得到作为带隙Ｅｇ的函数的最大转化功率，其成果示于下图中 。 关于单晶硅太阳能电池，理论上限是２７％，现在研讨得到的最大值 为２４％左右。ＧａＡｓ太阳能电池的转化功率的理论上限为２８．５％ ，现在取得的最大值是２４．７％。怎么进一步进步太阳能电池的转化功率是当时的研讨 课题，这也便是所谓的高功率化技能的开发。 ２、影响太阳能电池转化功率的一些要素咱们前面介绍了太阳能电池转化功率的 理论值，这些理论值都是在抱负状况下得到的。而太阳能电池在光电能量转化进程 中，因为存在各种附加的能量丢失，实践功率比上述的理论极限功率低。下面以ｐｎ 结硅电池为例，介绍一些影响太阳能电池转化功率的要素。 光生电流的光学丢失： 太阳能电池的功率丢失中，有三种是归于光学丢失，其首要影响是下降了光生 电流值。反射丢失：从空气（或真空）笔直入射到半导体资料的光的反射。以硅为 例，在感兴趣的太阳光谱中，逾越３０％的光能被的硅外表发射掉了。栅指电极 遮光丢失ｃ：界说为栅指电极遮光面积在太阳能总面积中所占的百分比（见下图） 。对一般电池来说，ｃ约为４％－１５％。 透射丢失：假如电池厚度缺乏够大，某些能量适宜能被吸收的光子或许从电 池反面穿出。这决议了半导体资料之最小厚度。直接带隙半导体要求资料的厚度比 直接带隙的厚。如图为对硅和砷化镓的核算成果。 光生少子的搜集几率：在太阳能电池内，因为存在少子的复合，所发生的每一 个光生少量载流子不或许百分之百地被搜集起来。界说光激起少子中对太阳能电池 的短路电流有奉献的百分数为搜集几率。该参数决议于电池内个区域的复合机理，也 与电池结构与空间方位有关。 影响开路电压的实践要素： 决议开路电压Ｖｏｃ巨细的首要物理进程是半导体的复合。半导体复合率越高， 少子分散长度越短，Ｖｏｃ也就越低。体复合和外表复合都是重要的。在ｐ－Ｓｉ衬底中 ，影响非平衡少子总复合率的三种复合机理是：复合中心复合、俄歇复合及直接辐射 复合。总复合率首要取决三种复合中复合率最大的一个。例如：关于高质量的硅单 晶，当掺杂浓度高于１０１７ｃｍ－３时，则俄歇复合发生影响，使少子寿数下降。一般， 电池外表还存在外表复合，外表复合也会下降Ｖｏｃ值。 （复合中心复合、俄歇复合、直接辐射复合和外表复合？） 辐照效应： 使用在卫星上的太阳能电池遭到太空中高能离子辐射，体内发生缺点，使电池 输出功率逐步下降，或许影响其使用寿数。辐照发生的缺点，相当于复合中心。辐 照后增大了电池内部的少子复合率τ－１，即有：τ－１＝τ０－１＋Ｋ’式中τ０是辐照 前的寿数，Ｋ’是常数，是辐照通量。因为分散长度等于（Ｄτ）１／２，故上式可写 成：Ｌ－２＝Ｌ０－２＋Ｋ 对太阳能电池的研讨标明，ｎ＋ｐ电池Ｋ＝１．７ｘ１０－１０，而ｐ＋ｎ电池Ｋ＝１．２２ｘ１０－８， 前者比后者抗辐射才干大得多。为了改进辐射容量，可将锂掺入太阳能电池中。Ｌｉ 可分散到辐射感生点缺点中，并与之结合起来，阻挠寿数减退。太空使用的太阳能 电池，一般都掩盖一块掺铈薄玻片，削减进入电池的高能粒子。 １ １

　　本文由ｚｆｍｆｎｓ０６４６奉献 本文由ｚｈａｏ１６８３２５奉献 ｐｄｆ文档或许在ＷＡＰ端阅读体会欠安。建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机 检查。 第三章太阳能电池的根本原理 本章以单晶硅ｐｎ结太阳能电池为例，介绍半导体太阳能电池的根本作业原理、 结构及其特性剖析。 一、太阳能电池的结构和根本作业原理 下图暗示地画出了单晶硅ｐｎ结太阳能电池的结构，其包括上部电极，无反射薄 膜掩盖层，ｎ型半导体，ｐ型半导体以及下部电极和基板。 当有恰当波长的光照耀到这个ｐｎ结太阳能电池上后，因为光伏效应而在势垒区 两头发生了电动势。因而光伏效应是半导体电池完成光电转化的理论基础，也是某 些光电器材赖以作业的最重要的物理效应。因而，咱们将来仔细剖析一下ｐｎ结的光 伏效应。 设入射光笔直ｐｎ结面。假如结较浅，光子将进入ｐｎ结区，乃至更深 入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两头发生电 子－空穴对。在光激起下大都载流子浓度一般改动较小，而少量载流子浓度却改动很 大，因而应首要研讨光生少量载流子的运动。 无光照 光照激起 因为ｐｎ结势垒区内存在较强的内建电场（自ｎ区指向ｐ区），结两头的光生少量 载流子受该场的效果，各自向相反方向运动：ｐ区的电子穿过ｐ－ｎ结进入ｎ区；ｎ区的空 穴进入ｐ区，使ｐ端电势升高，ｎ端电势下降，所以在ｐ－ｎ结两头构成了光生电动势， 这便是ｐ－ｎ结的光生伏特效应。因为光照在ｐ－ｎ结两头发生光生电动势，相当于在ｐ－ｎ 结两头加正向电压Ｖ，使势垒下降为ｑＶＤ－ｑＶ，发生正向电流ＩＦ． 在ｐｎ结开路的状况下，光生电流和正向电流持平时，ｐｎ结两头建立起安稳的电势 差Ｖｏｃ，（ｐ区相关于ｎ区是正的），这便是光电池的开路电压。如将ｐｎ结与外电路接 通，只需光照不中止，就会有连绵不断的电流经过电路，ｐ－ｎ结起了电源的效果。这 便是光电池的根本原理。 由上面剖析能够看出，为使半导体光电器材能发生光生电动势（或光生堆集电 荷），它们应该满意以下两个条件：１、半导体资料对必定波长的入射光有足够大 的光吸收系数α，即要求入射光子的能量ｈν大于或等于半导体资料的带隙Ｅｇ，使该 入射光子能被半导体吸收而激起出光生非平衡的电子空穴对。 右图是一些资料的吸收曲线。能够发现ＧａＡｓ和非晶硅的吸收系数比单晶硅大 得多，透入深度只需１ｍ左右，即简直悉数吸收入射光。所以这两种电池都能够做 成薄膜，节约资料。而硅太阳能电池，对太阳光谱中长波长的光，要求较厚的硅片 （约１００３００ｍ）才干充沛吸收；关于短波长的光，只在入射外表邻近１ｍ区 域内就已充沛吸收了。 ２、具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要效果是分 离了两种不同电荷的光生非平衡载流子，在ｐ区内堆集了非平衡空穴，而在ｎ区内堆集 起非平衡电子。发生了一个与平衡ｐｎ结内建电场相反的光生电场，所以在ｐ区和ｎ区 间建立了光生电动势（或称光生电压）。 除了上述ｐｎ结能发生光生伏特效应外，金属－半导体构成的肖特基势垒层等其它 许多结构都能发生光生伏特效应。其电子进程和ｐｎ结相相似，都是使恰当波长的光照 射资料后在半导体的界面或外表发生光生载流子，在势垒区电场的效果下，光生电 子和空穴向相反的方向漂移然后相互别离，在器材两头堆集发生光生电压。 一般的发电体系如火力发电，便是焚烧石油或煤以其焚烧能来加热水，使之变 成蒸汽，推进发电机发电；原子能发电则是以核裂变放出的能量替代焚烧石油或煤 ，而水力发电则是利用水的落差能使发电机旋转而发电。太阳能电池发电的原理是 全新的，与传统办法是彻底不同，既没有马达旋转部分，也不会排出气体，是清洁 无污染的发电办法。 太阳能电池的结构 ｐａｇｅ１

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