3.3 太阳能电池效率的极限、损失与测量解析
太阳能光伏电池的性能测试与分析
太阳能光伏电池的性能测试与分析太阳能光伏电池是利用太阳能将光转化为电能的一种设备。
为了确保电池能够正常工作，必须进行性能测试和分析。
本文将探讨太阳能光伏电池的性能测试和分析方法，以及最近光伏电池技术的发展。
一、太阳能光伏电池的性能测试太阳能光伏电池的性能测试主要包括以下几个方面：电池有效面积、开路电压、短路电流、填充因子、光强度及电池效率等。
其中，电池有效面积是指电池实际接收光照的面积，可以通过手工或者机器进行测量。
开路电压是指在没有负载的情况下电池输出的电压。
短路电流是指在电池短路的情况下，电池输出的最大电流。
填充因子是功率输出最大时电池电压和电流之比。
光强度测试是指在不同强度的光照下，电池的输出电流和电压值。
电池效率是指光伏电池对光能的转化效率，通常使用标准测试条件下的电池效率进行比较分析。
二、太阳能光伏电池的性能分析在太阳能光伏电池的性能分析中，需要分别从开路电压、短路电流、填充因子和效率等角度进行分析。
首先，分析开路电压。
太阳能光伏电池的开路电压与光照强度有关，正比于光照强度的自然对数。
因此，当光照强度增加时，电池的开路电压也会相应增加。
其次，分析短路电流。
电池的短路电流是受到介质、电池尺寸、灯光强度、材料种类以及工艺等多种因素的影响。
较大的污染物和障碍会显著降低电池的短路电流，从而影响电池的工作效率。
再次，分析填充因子。
填充因子是太阳能光伏电池性能的重要指标，它直接反应了电池的转换效率和性能。
因此，通过降低电池的填充因子可以有效提高电池的效率。
最后，分析电池效率。
电池效率是评估太阳能光伏电池性能的重要参数。
目前比较常用的测量电池效率方法是使用标准测试条件下的效率指标进行比较。
该方法中，标准测试条件是指电池工作条件基本相同且固定不变的试验条件。
三、太阳能光伏电池技术的发展太阳能光伏电池的技术发展目前趋向于提高光电转换效率、提高光衰减以及降低制造成本等方面。
目前，太阳能光伏电池的主要技术包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、有机太阳能电池以及钙钛矿太阳能电池等。
太阳能电池的效率和
光电子技术研究所
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1．光生电流的光学损失
太阳电池效率损失中，有三种是属于“光学损 失”，其主要影响是降低了光生电流值。 （1）反射损失R(λ)：从空气(或真空)垂直入射 到媒质(如半导体材料)的单色光的反射率：
R (n1)2 k2 (n1)2 k2
式中n为半导体材料复数折射率N之实部，即普通 折射率，k是其虚部，称为消光系数。
在此条件下测试太空用太阳电池效率时， 光源应满足图AMO的光谱分布，总能量为 135.3mW／cm2，电池测试温度为25℃。
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AMO光谱的太阳辐射经
过大气层中臭氧、氧
气、水汽、二氧化碳
及悬浮固体微粒(烟尘 、粉等)的吸收、散射
和反射，到达地面时
，光谱分布上出现了
在晴朗天气的理想条件下，决定 投射于地面的太阳辐射功率的最 重要参数是光穿过大气层通路的
AMl.5确定之后，其值取决于Isc、Voc和F．F．的最大值。
Isc最大值的计算考虑：舍去太阳光谱中大于长波限λmax这
部分的光谱。其中长波限满足：
m
ax
1.24 (m)
Eg(eV)
认为其余部分的光子，因其能量hv大于材料禁带宽度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
的最大Voc值约700mV左右。
Voc最大值确定之后，可计算 得到F．F．的最大值。
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影响太阳电池效率的一些因素
太阳电池在光电能量转换过程中，由于存在各种 附加的能量损失，实际效率比上述的理论极限 效率低。 下面以pn结硅太阳电池为例, 来阐述各种能量损 失之机理，作为改进太阳电池的设计及工艺， 提高其效率的基础。
光伏组件的效能损失分析方法
光伏组件的效能损失分析方法光伏组件在太阳光照射下将光能转化为电能，但在实际应用中，由于各种因素的影响，会导致光伏组件效能损失。
为了准确评估光伏组件的性能，科学分析效能损失成为一项重要任务。
本文将介绍光伏组件的效能损失分析方法。
一、光伏组件效能损失的来源光伏组件效能损失主要包括以下几个方面：光伏组件内部电阻损失、表面污染、阴影效应、温度效应、老化效应等。
1. 光伏组件内部电阻损失光伏组件内部电阻损失是指电流通过组件内部电阻时产生的能耗损失。
内部电阻损失与组件的材料、工艺及结构设计有关。
降低光伏组件内部电阻损失的方法包括降低电阻材料的厚度、增加电流传输面积、优化组件结构等。
2. 表面污染光伏组件表面的污染会影响组件对太阳光的吸收和转化效率。
常见的污染物包括灰尘、雨水残留物、树叶等。
定期清洗光伏组件表面可以有效降低表面污染引起的效能损失。
3. 阴影效应阴影效应是指光伏组件受到阴影覆盖时，未被阴影遮挡部分的效能降低。
阴影效应会引起光伏组件间接部分失效，使整个光伏系统的发电能力下降。
通过合理布置光伏组件，避免影响阴影效应，可以减少效能损失。
4. 温度效应光伏组件的温度升高会导致效能下降。
高温会使光伏组件的电阻增加，光吸收率降低，从而影响发电效能。
科学合理地控制光伏组件的温度，可以降低温度效应带来的效能损失。
5. 老化效应光伏组件的老化会导致效能衰退。
长期的太阳辐射、温度时变、湿度等因素会使光伏组件的材料老化，从而影响其转换效率。
及时检测和更换老化严重的光伏组件，可以最大程度地减少老化效应对光伏系统效能的损失。
二、光伏组件效能损失分析方法为了准确评估光伏组件的效能损失，需要采用科学可靠的分析方法。
下面介绍几种常用的光伏组件效能损失分析方法。
1. IV曲线分析法IV曲线是光伏组件的电流（I）与电压（V）之间的关系曲线，通过分析IV曲线可以得到光伏组件的开路电压、短路电流、最大功率点等参数。
通过与理想IV曲线进行对比，可以评估光伏组件的效能损失情况。
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%。
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5.2 温度的影响
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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：
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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
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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：
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温度对短路电流的影响
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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
太阳能电池组件性能测试与分析
太阳能电池组件性能测试与分析随着当今社会对可持续发展的重视，太阳能正在被广泛应用于各大领域，尤其是可移动设备和家用电器的使用。
太阳能电池组件是太阳能发电的核心，其性能的稳定性和可靠性对太阳能系统的效率和寿命至关重要。
因此，太阳能电池组件的性能测试与分析显得尤为重要。
一、太阳能电池组件的性能参数太阳能电池组件的性能参数包括：电压、电流、输出功率、效率、开路电压和短路电流。
其中，开路电压是在电池组件未接负载时的电压值，短路电流是在电池组件短路时的电流值。
同时，效率是指太阳能电池组件从太阳能转化为电能的比率，是客观衡量太阳能电池组件性能的参数。
以上参数的测试与分析是太阳能电池组件性能测试中的重要环节。
二、太阳能电池组件性能测试1. 电压测试电压是指电池组件输出电能的电势差，直接影响着输出功率。
电压测试可通过示波器对电池组件输出的交流电信号进行测试。
测试时需要注意选择合适的量程以确保测试的准确性和稳定性。
2. 电流测试电流是指电池组件输出的电流，也是影响输出功率的重要因素。
电流测试通过锰铜电流表、功率测试仪等进行测试。
测试时需要注意在测试装置的通路上串联衡量电阻以确保测量结果的准确性。
3. 输出功率测试输出功率是指太阳能电池组件输出电压与电流的乘积，是太阳能电池组件性能测试中的关键参数。
输出功率测试可通过功率测试仪进行测试。
测试时需要注意选择合适的量程和通路连线以确保测试的准确性和稳定性。
4. 效率测试太阳能电池组件效率是指从太阳能转化为电能的比率，也是评估太阳能电池组件性能的重要指标。
有效率测试需要在光照强度为1000瓦特/m2、温度为25℃的标准环境下进行，并通过效率测试仪进行测试。
测试时需要注意测试仪器的准确性以及周围环境的影响。
三、太阳能电池组件性能分析通过对以上参数的测试，可以得到太阳能电池组件性能方面的数据。
对这些数据进行分析可以评估太阳能电池组件的质量和性能，并通过数据对比分析找到性能不佳的因素。
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
太阳能电池测试参数
太阳能电池测试参数1. 引言太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的设备，是可再生能源的重要组成部分。
为了评估太阳能电池的性能和可靠性，进行太阳能电池测试是必不可少的步骤。
本文将介绍太阳能电池测试所需的参数和相关测试方法。
2. 太阳能电池测试参数2.1 开路电压（Open Circuit Voltage, VOC）开路电压是指在没有负载连接时，太阳能电池输出的最大电压。
它反映了太阳能电池在光照条件下的工作状态。
测量开路电压可以通过使用一个高阻抗测量仪器来实现。
2.2 短路电流（Short Circuit Current, ISC）短路电流是指在短接状态下，太阳能电池输出的最大电流。
这个参数表示了太阳能电池在最佳工作点时的最大输出功率。
测量短路电流可以通过使用一个低阻抗测量仪器来实现。
2.3 最大功率点（Maximum Power Point, MPP）最大功率点是指在特定光照条件下，太阳能电池输出功率达到最大值的工作点。
最大功率点由最大功率电压（Maximum Power Voltage, VMP）和最大功率电流（Maximum Power Current, IMP）组成。
测量最大功率点可以通过使用一个特定的负载来实现，该负载可以自动调整以获取太阳能电池的最大功率输出。
2.4 填充因子（Fill Factor, FF）填充因子是指在最大功率点时，太阳能电池输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。
填充因子越接近1，表示太阳能电池的性能越好。
填充因子可以通过计算最大功率点时的实际输出功率与理论最大输出功率之比来得到。
2.5 效率（Efficiency）效率是指太阳能电池将太阳能转化为电能的比例。
它可以通过计算太阳能电池输出的实际功率与入射太阳辐射之比来得到。
效率反映了太阳能电池在给定光照条件下转换太阳能的能力。
3. 太阳能电池测试方法3.1 室内测试室内测试是在控制环境条件下进行的太阳能电池测试方法之一。
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• 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。
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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
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。
2018/10/10
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二、效率的损失
1、短路电流损失
有三种称之为光学的损失,其主要影响是降低了光生 电流值。 (1)硅表面光的反射。由前面学习的“光的吸收” 可知，反射率在空气介质界面：
(n 1) K R (n 1)2 K 2
研制单位
澳大利亚新南威尔士大学 Spectro lab 德国弗朗霍夫研究所
备注
4 cm2面积 333倍聚光 1.002 cm2面积
InGaP/Байду номын сангаасaAs
非晶硅电池
30.8±1.0
12.8±0.7
日本能源公司
美国USSC公司
4 cm2面积
0.27 cm2面积
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
n N C NV e
2 i
kt
显然， Io取决于Eg、Ln、Lh、NA、ND和绝对温度T的大小， 同时也与光电池结构有关。为了提高Voc，常常采用Eg 大，少子寿命长及低电阻率的材料，代入合适的半导体 参数的数值，给出硅的最大Voc值约700mV左右。
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一、太阳电池转换效率的理论上限
19.5±0.6
16.5±0.5 16.6±0.4 10.1±0.2 11.0±0.5 37.3±1.9
美国可再生能源实验室
美国可再生能源实验室 德国斯图加特大学 日本钟渊公司 EPFL Spectro lab 美国SunPower公司 10/27
0.41 cm2面积
1.032 cm2面积 4.017 cm2面积 2微米膜(玻璃衬底) 0.25 cm2面积 175 倍聚光 96倍聚光
背接触聚光硅电池 26.8±0.8 2018/10/10
中国太阳电池实验室最高效率
单晶硅电池 多晶硅电池 GaAs电池 聚光硅电池 CdS/CuxS电池 CuInSe2电池 CdTe电池 多晶硅薄膜电池 非晶硅电池
二氧化钛纳米有机电池 2018/10/10 最高效率 20.4 14.53 20.1 17 12 8.57 7 13.6 11.2(单结) 8.6 6.2 10 面积(cm2) 2×2 2×2 1×1 2×2 几个mm2 1×1 3mm2 1×1 几个mm2 10×10 30×30 1×1 11/27
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 。 2018/10/10 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。
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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：
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一、太阳电池转换效率的理论上限
2.开路电压Voc的考虑： 为什么最高效率比较低？
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一、太阳电池转换效率的理论上限
2.开路电压Voc的考虑：
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一、太阳电池转换效率的理论上限
3.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：
二、效率的损失
1、短路电流损失
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式中n为半导体材料复数折射率之实部，即 普通折射率，k是其虚部，称为消光系数。
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二、效率的损失
1、短路电流损失
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。 一般在太阳能电池表面镀有减反膜，及将表面绒面化。 一般增加减反膜之后，太阳能电池反射减小到 10%。 2018/10/10 14/27