《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-1
太阳电池及其应用 第四章全文 20121224解读
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。
《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-4
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。
第4章 硅太阳能电池的设计
重减小扩散长度，但是由于电极区域并不参与载流子的生成，因此它对载流子的
收集的影响并不大。
此外，当高复合率的电池表面非常接近于p-n结时，要使复合的影响达到最 小，就必须尽可能的增加掺杂的浓度。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
&4.3.4
减少复合效应-表面复合
类似的方法也使用在减少背表面复合率对电压和电流的影响上，如果背
表面与pn结的距离小于扩散长度。
速消失，以使得更多的载流子通过电池，提高前置电流。因此，必须有长的 扩散长度才能尽量减少复合并获得高电压。而扩散长度怎取决于电池材料的 类型、制造电池片的过程和掺杂的情况。
• 高掺杂导致低扩散长度，因此需要找到长扩散长度(它同时影响着电流和电
压)与高电压之间的平衡。
&4.3.3减少复合效应
复合引起的电压损失
&4.2.1
光学特性-光的损耗
下面将介绍几种能减少光损失的方法：
尽量使电池顶端电极覆盖的面积达到最小（尽管可能导致串联电阻增加）。
减反射膜的厚度为入射光的波长的四分之一。对于折射率为n1薄膜材料，入
射光波长为λ0，则使反射最小化的薄膜厚度为d1： d1=λ0/4n1 如果减反射膜的折射率为膜两边的材料的折射率的几何平均数，反射将被进 一步降低
以都能起到减小反射的效果。
绒面结构对入射光的影响
&4.2.3
光学特性-表面制绒
一块单晶硅衬底可以沿着晶体表面刻蚀便能达到制绒效果。 如果表面能恰当符合内部原子结构的话，硅表面的晶体结构将变成由金字塔构 成表面。
单晶硅制绒表面的电子显微镜扫描照片。
&4.2.3
光学特性-表面制绒
刻蚀多晶硅表面时，单晶硅的制绒方法都不能使用，因为只有在由<111> 晶体表面构成的表面才能完成有效的形态。 而多晶硅表面上，只有一小部分面积才有<111>方向。但是多晶硅制绒可 以使用光刻技术和机械雕刻技术，即使用切割锯或激光把表面切割成相应的 形状。
太阳能电池教程
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。
太阳电池习题(修改)
《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。
《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第一章
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。
《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-2
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）。
《太阳能电池基础与应用》GaAs电池第一讲
ELO工艺
改进ELO工艺
III-V族半导体多结电池
多结电池结构
多结电池上下串联； 电池电流由子电流 最小者决定； 电池开路电压为子 电池开路电压之和。
VOC = VOC1 + VOC2 + … J = min (J1 + J2 + …)
电池结构
多结电池示意图
Cell 1
Cell 2
Cell 3
III-V族半导体应用
应用领域
GaAs及III-V族半导体基础
MOCVD
金属有机物化学气 相外延(MOCVD)， GaAs及III-V族太阳 电池的主流制备技 术。
设备原理图
商用衬底
材料制备
设备外观
多片衬底，适合大规模工业生产
GaAs及III-V族半导体基础
电学掺杂
电学掺杂
GaAs及III-V族半导体基础
电池效率表
GaAs及III-V族半导体基础
结构及光学特性
III-V族半导体均为 闪锌矿结构, 是目前 半导体光电子学的基 础材料。 直接带隙。GaAs 带隙~1.42eV，位于 太阳电池黄金带隙附 近。
GaAs及III-V族半导体基础
带隙-晶格参数关系
结构及光学特性
Ge
GaAs及III-V族半导体基础
AM0, 30.6%
III-V族半导体多结电池
1.0带隙问题
晶格匹配电池
GaInNAs材料与N相关 的本征缺陷多，质量差， 少子扩散长度小。 短路电流小，成为限制 电池（特别是三结电池） 性能的瓶颈因素。（电流 匹配）
III-V族半导体多结电池
晶格应变电池图示
特点:
1）电池间晶格参数不再完 全匹配； 2) 解决了InGaNAs电流限 制的问题；
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J0
V
Jdark(V) J0(eqV/kBTa - 1)
J0
qDeni2 LeN A
qDhni2 LpNd
反向饱和电流J0是pn结在反向电压下、 还没有达到击穿时的电流
4.2 太阳电池的性能表征
太阳电池等效电路
不考虑寄生电阻时 太阳电池=恒流源+二极管
光照下，存在光吸收，产生光电
流Jsc；另一方面，光生电压对于
4.1 光生伏特效应
半导体吸收光子产生电子空穴对，电子空穴对在p-n结内建电场 作用下分离，从而在p-n结两端产生电动势。
Electric Field
p-n结是太阳电池的核心
光生载流子形成一个与热平衡结电场方 向相反的电场，使得势垒降低； 光生电流与正向结电流相等时，pn结建 立稳定的电势差，即光生电压
理想的肖 克莱方程
修正后的肖克 莱方程（未考 虑寄生电阻）
Jdark(V) =
理想因子的数值一般在1～2之间。理想因子m反映p-n结中 扩散电流(m=1)与复合电流(m=2)的比例关系
4.2 太阳电池的性能表征
4.2 太阳电池的性能表征
理想的肖 克莱方程
J(V)
J sc
1
e qV/K BTa eqVoc/K BTa
第四章 太阳电池基础
43.1 光生伏特效应 4.2 太阳电池的性能表征 43.3 光生载流子的浓度和电流 4.4 太阳电池的伏安特性 4.5 太阳电池的测试技术 4.6 太阳电池的效率分析
4.1 光生伏特效应
太阳电池基本结构
以晶体硅太阳电池为例。 （1）以p型晶体硅半导体材料为衬底； （2）为了减少光的反射损失，常制作绒面减反结构 （3）采用扩散法在硅衬底上制作重掺杂的n型层 （4）PECVD生长SiO2减反层 （5）在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极 （6）在衬底背面制作金属膜，作为背面欧姆接触电极
J(V) Jsc Jdark Jsh
Vsh V AJRs
J0
J sc eqVoc/k BTa
1
J=Jph-Jdark-Jsh
J(V)
J sc
J0
e q[V AJ (V ) Rs ] / kBTa
1
V
AJ (V )Rs ARsh
考虑了寄生电阻后太阳电池的I-V关系
Voc
4.2 太阳电池的性能表征
太阳电池最大功率输出
I
太阳电池的伏安（电流I---电压V） 特性曲线是指在一定光照和环境 Isc
温度为300K的条件下，电流和
Im
电压的函数关系。
太阳电池的用途是将太阳光能转 换为电能，往往用功率密度P=IV； 来衡量电能的大小
短路电流
1 Rm
最大功率 输出点Pm
1 1
修正后的肖克 莱方程（未考 虑寄生电阻）
J(V)
J sc
1
e qV/mK BTa e qVoc /mK BTa
1 1
修正后的肖克
莱方程（考虑 寄生电阻）
J(V) Jsc
J0
e q[V AJ (V ) Rs ] / m (V )Rs ARsh
填充因子FF
在伏安特性曲线任一工作点上的输出功 率等于该点所对应的矩形面积，其中只 有一点是输出最大功率，称为最佳工作 点，该点的电压和电流分别称为最佳工 作电压Vm和最佳工作电流Im。
FF表示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就是能获 得较大功率输出的太阳能电池，也就是 Voc，Isc和FF乘积较大的电池。对于有合 适效率的电池，该值应在0.70-0.85范围 之内。
4.2 太阳电池的性能表征
太阳电池是恒流源，普通电池是恒压源
4.2 太阳电池的性能表征
黑暗条件下，太阳电池就是一个普通的二极管，具有整流特性， 在正向电压下会产生暗电流，如果太阳电池处于热平衡状态， 暗电流满足肖克莱方程。
所谓暗电流指的是光伏电池在无光照时，由外电压作用下P-N 结内流过的单向电流。
其效果相当于两种寄生电阻：
（1）串联电阻Rs表示；由引线，前、 背表面接触电阻，基区和顶层电阻 以及材料的电阻。
（2）并联电阻Rsh；由太阳电池边缘 漏电流和太阳电池本身的裂纹、划 痕等形成的金属桥漏电。
4.2 太阳电池的性能表征
寄生电阻
由等效电路可知：
V=Vph-AJRs
J sh
Vsh AR sh
I
在J-V曲线的VOC处做曲线的切线， Isc
计算该切线的斜率，斜率的倒数 Im
即为电池的Rs；同样Rsh通过计算 JSC处J-V曲线的斜率，并求其倒
数得到。
Rsh
1 Rm
Rs
V Vm Voc
4.2 太阳电池的性能表征
理想因子
肖克莱方程描述的是理想二极管太阳电池的电流电压关系，二而实 际二极管暗电流Jdark对电压V的依赖较弱，所以采用理想因子来修正 肖克莱方程。
开路电压Voc
JI
pn结开路情况下(RL=∞)， 此时pn结两端的电压即为 开路电压Voc（与光谱辐照强度
JscIsc JmIm
有关，与电池面积大小无关，随
温度升高，开路电压下降）
J Jph J0(eqV/kBT - 1)
短路电流
1 Rm
最大功率 输出点
电开 压路
pn结开路，则J=0
Jph
V Vm Voc
100%
VOC I SC Pin
FF
100%
其中Pin是入射光的能量密度 Vm是最大功率点对应的工作电压 VOC 是开路电压
Im是最大输出点对应的工作电流 ISC是短路电流 FF是填充因子
4.2 太阳电池的性能表征
寄生电阻
实际太阳电池能量的消耗主要在： （1）接触电阻（2）太阳电池边 缘的漏电流。
FF Pm Vm I m Voc I sc Voc I sc
4.2 太阳电池的性能表征
太阳电池的光电转换效率η：太阳电池的有效功率输出与 入射光功率之比。表示入射的太阳光能量有多少能够转化 为有效的电能。
(太阳电池功率输出/ 入射光的功率) 100%
Pm Pin
100%
VmI m Pin
材料带隙
35
30 AM1.5
25
黑体极限AM0
20
15
10 5
0.5
GaAs CU2S Si
AM0 T=300k
CdS
1.0
1.5 2.0 2.5
一般太阳电池最常用的半导体材料的带隙在1～2 eV之间。而在 1.4 eV左右可获得最高的光电转换效率。
4.1 光生伏特效应
理想太阳能电池材料特性
直接带隙半导体，带隙在1.1eV到1.7eV之间 组成的材料无毒性，在地球上丰度高 便于制备，并可大面积、薄膜化生产 有较高的光电转换效率 较好的力学性能，便于加工 性能稳定，耐候性好，具有长期稳定性
二极管相当于正向偏压，正向偏
压下通过二极管的电流
Jph
Jdark(V) J0(eqV/kBT - 1)
不考虑寄生电阻时
如太阳电池与负载接成通路，通过负载（外电路）的电流为
J(V) Jph - Jdark(V) 与光生电流Jph方向相反。
J
Jph
J
(eqV/kBT
0
- 1)
4.2 太阳电池的性能表征
电池能提供的最大电压，与？？？有关， 包括：
载流子运动/能带的角度如何理解
4.2 太阳电池的性能表征
短路电流Isc
如 将 p-n 结 短 路 （ V=0 ） ， 这时所得的电流为短路电 流Isc ， 短 路 电 流 等 于 光 生 电流（与太阳能电池的面积大
小有关，面积越大，Isc 越大）
电池能提供的最大电流，与载流子的产生 与收集有关，包括：
太阳电池伏安特性中的电流，是方向
相反的光生电流Jph (Jph=Jsc)和暗电流 Jdark的叠加。
I 暗特性
J(V) Jph - Jdark(V) J Jph J0(eqV/kBT - 1)
O
VOC
Vmp
V
Iph
输出功率
Imp
Isc
伏安特性是光生电流Jph 和暗电流Jdark的叠加
4.2 太阳电池的性能表征
4.1 光生伏特效应
能带的角度
持续光照条件下，大量的光生载流子产生，光生电子和空穴被源源不断 地分别扫到n型和p型一两侧，致使n区和p区费米能级的分裂，若太阳电 池断路，光生电压V即为开路电压Voc。若外电路短路，pn结正向电流为 零，外电路电流为短路电流，理想情况下也就是光电流。
4.1 光生伏特效应
电开 压路
负载R可以从零到无穷大。当负 载Rm使太阳电池的功率输出为最 大时，它对应的最大功率Pm为
Pm I mVm
式中 Im 和 Vm 分别为最佳工作电 流和最佳工作电压。
V Vm Voc
由于电流I与与太阳电池面积A成正比， 所以也常常用电流密度J取代电流I， 来描述伏安特性。J=I/A
4.2 太阳电池的性能表征
谢谢您的聆听！
4.1 光生伏特效应
载流子运动的角度
太阳电池工作原理：当太阳光照射到太阳电池上并被吸收时，其中 能量大于禁带宽度Eg的光子能把价带中电子激发到导带上去，形成 自由电子，价带中留下带正电的自由空穴，即电子—空穴对，通常 称它们为光生载流子。自由电子和空穴在不停的运动中扩散到p-n结 的空间电荷区，被该区的内建电场分离，电子被扫到电池的n型一例， 空穴被扫到电池的p型一侧，从而在电池上下两面（两极）分别形成 了正负电荷积累，产生“光生电压”，即“光伏效应”。如果在电 池的两端接上负载，在持续的太阳光照下，就会不断有电流经过负 载。这就是太阳电池的基本工作原理。