第五讲太阳能电池效率极限
3.3 太阳能电池效率的极限、损失与测量解析
• 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。
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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。
第五讲 太阳能电池效率极限课件
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?
光伏电池极限转换效率
光伏电池的极限转换效率受到多种因素的影响，包括光伏材料的选择、电池结构的设计、光谱响应等。
以下是一些关于光伏电池极限转换效率的信息：
1. 晶硅太阳能电池的理论极限效率为29.43%。
然而，在实际应用中，单晶硅电池的效率通常在20%左右，多晶硅电池的效率略低一些，大约在15%左右。
2. 新型光伏电池技术，如钙钛矿电池，具有更高的理论转换效率。
单层钙钛矿电池的理论效率极值可达31%，晶硅/钙钛矿双节叠层转换效率可达35%，而三节层电池理论极限可能升值至45%以上。
如果掺杂新型材料，钙钛矿电池的转换效率最高能达到惊人的50%，是目前晶硅电池的2倍左右。
3. 最新的实验研究显示，科学家已经研发出钙钛矿/硅串联太阳电池，其认证效率突破了32.5%，创造了新的世界纪录效率。
同时，有研究表明钙钛矿/硅串联太阳电池的理论效率极限为46%，远高于传统晶硅电池。
4. 在实际应用中，光伏电池的转换效率还受到许多其他因素的影响，如温度、光照强度、光谱分布等。
因此，实际的光伏电池系统通常需要考虑这些因素，并采取相应的措施来优化电池的性能。
总的来说，光伏电池的极限转换效率是一个不断被研究和突破的领域。
随着科学技术的不断进步和新型光伏材料的研发，未来光伏电池的转换效率有望进一步提高。
各个光伏电池技术的效率极限
各个光伏电池技术的效率极限
光伏电池技术的效率极限因技术类型和实施条件而异。
以下是各种光伏电池技术的效率极限：
单晶硅光伏电池：单晶硅光伏电池的效率极限通常在15%至22%之间。
其效率受到材料质量、表面光洁度、掺杂剂浓度和温度等因素的影响。
多晶硅光伏电池：多晶硅光伏电池的效率极限通常在13%至18%之间。
多晶硅光伏电池具有较低的成本和较高的产量，因此在商业应用中仍具有吸引力。
薄膜光伏电池：薄膜光伏电池的效率极限通常在8%至15%之间。
由于使用薄的半导体材料层，因此具有较低的成本和较高的产量。
薄膜光伏电池通常使用非晶硅、铜铟镓硒（CIGS）和染料敏化等技术。
聚光光伏（CPV）技术：聚光光伏技术使用高倍聚光镜将阳光聚焦到小型高效率的多结太阳能电池上。
其效率极限通常在30%至40%之间，但需要跟踪太阳的运动以保持聚焦。
热光伏（TPV）技术：热光伏技术使用太阳能将热能转换为电能。
其效率极限通常在15%至20%之间，但具有较高的可靠性，能够在恶劣的环境条件下运行。
光化学光伏（Photo-electrochemical）技术：光化学光伏技术使用光化学方法将太阳能转换为电能。
其效率极限通常在10%至15%之间，但具有较低的成本和较高的产量潜力。
总之，各种光伏电池技术的效率极限不同，选择哪种技术取决于应用需求和实施条件。
有机太阳能电池转换效率的理论极限值约为21%
有机太阳能电池转换效率的理论极限值约为21％电荷分离时存在0.4 eV能量损失的情况下，光电转换效率的理论极限值与太阳能电池可吸收的光能的最小值（光吸收端能量）之间的关系。
红线表示无机太阳能电池的理论极限值，蓝线表示有机太阳能电池的新的理论极限值在作为新一代太阳能电池备受关注的“有机太阳能电池”方面，日本产业技术综合研究所（产综研）对这种电池将阳光转换成电力的能力——“光电转换效率”（以下简称转换效率）的理论极限进行了模拟计算，得出气数值约为21％。
日本正以产综研太阳能发电工学研究中心为核心，汇集环境能源、测量计量标准、纳米技术材料制造等多领域研究人员组成有机太阳能电池极限效率研讨会，开展有机太阳能电池转换效率的理论极限方面的研究。
此次在理论上计算出的约21％的极限值高出目前所能实现的10～12％实际效率许多，表明今后通过选择及改进材料并优化结构，还有望使转换效率进一步提高。
目前主流的晶体硅太阳能电池等无机太阳能电池的转换效率理论极限已获知。
此次便是以此为基础，并将无机太阳能电池与有机太阳能电池在吸收光后产生电力的机理方面的不同纳入考虑因素，计算出了有机太阳能电池的转换效率理论极限值。
该成果有望成为有机太阳能电池的转换效率“能够提高到何种程度”的研发指南。
上述成果将于近期在应用物理学会杂志《Applied Physics Letters》的在线版上公开。
有机太阳能电池拥有有机材料所特有的薄轻软柔特性，可安装在以往的晶体硅太阳能电池板难以设置的场所，作为新一代太阳能电池备受期待。
不过，与晶体硅太阳能电池相比，有机太阳能电池在提高转换效率及耐久性方面还存在技术课题。
但近年来其转换效率快速提高，有研究称已超过10％，达到了与非晶硅太阳能电池相当的水平。
因此，业界对有机太阳能电池的转换效率“能够提高至何种程度”颇为关注。
在无机半导体太阳能电池方面，Shockley和Queisser于1961年宣布其转换效率的理论极限值约为30％，近年的实际效率已接近这一数值，无机太阳能电池的研发最近正朝着通过采用多结型及集光型等Shockley-Queisser理论中未曾考虑的构造来提高效率的方向发展。
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%。
12
5.2 温度的影响
13
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：
14
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
22
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：
15
温度对短路电流的影响
16
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
太阳能电池效率的极限、损失与测量
间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。
2015-6-26 18/27
二、效率的损失
1、短路电流损失
短流损失的另外一个原因是半导体体内 及表面的复合，有效收集区域只在耗尽 区及两侧扩散长度内。 体内其它位置产生的空穴电子对，很难 达到器件输出端。
2015-6-26
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思考题
1.试分析太阳电池最高效率较低的原因。 2.试分析禁带宽度对太阳电池效率的影响。 3.试分析温度对太阳电池效率的影响。 4. 短路电流的损失途径。 5.电池厚度是影响太阳电池的能量转换效率的原因之一， Si和GaAs的最小厚度比较是（ ）需要更大的厚度。
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二、效率的损失
2、开路电压损失 决定光生伏特大小的因素，是在耗尽区两边所 堆积的光生非平衡载流子的多少，而非子的多 少和复合速度有关系。 复合率越大，开压越小。
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二、效率的损失
3.填充因子损失
当考虑串联电阻Rs时：
Voc 特征电阻: Rch I sc Rs 归一化串联电阻: rs Rch
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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：
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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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？ 最高效率较低的主要原因是由于吸收一个光子， 不管它的能量多么大，最多只能产生一对电子 一空穴对。电子和空穴迅速跳回到带隙边缘， 同时放出声子。即使光子能量比禁带宽度大很 多，实际上所产生的电子和空穴也仅仅相隔一 个禁带宽度。仅这一效应就将限制了就能获得 的最高效率只有约44%。
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
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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]
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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
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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
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第一讲太阳能电池和太阳光
• 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 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
• 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，收集的几 率就比较大。
翻转，将输出曲线置于第一象限，并用下式表示(
qV nkT
)
1]
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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
• 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 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
• 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 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
Resource Characteristics ——地面附近太阳辐射光谱图 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 absorption depths of silicon 江西工业工程职业技术学院电子系林梅
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第一讲太阳能电池和太阳光
• 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。
• 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。
6-背电极处的吸收
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第一讲太阳能电池和太阳光
• 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）
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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
)
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• 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：
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1.1 光的吸收与载第流一讲子太阳能复电池合和太阳光
• 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。
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第一讲太阳能电池和太阳光
• 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。
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1.2 光照的影响 第一讲太阳能电池和太阳光
• 照射到电池上的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。
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；
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。
I
I0
[exp(
qV nkT
)
1]
IL
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第一讲太阳能电池和太阳光
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 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
I Power Dissipating Region V
Power Dissipating
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
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1.1 光的吸收与载第流一讲子太阳能复电池合和太阳光
• 当光照射到半导体材料时，拥有比禁带宽（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。
Region
Dark Characteristic
I V
Power Generating
Region
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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
太阳能电池 工作原理、技术和系统应用
作者：马丁.格林
江西工业工程职业技术学院江西电工子业工工程程系职业林技梅术课学件院电子系林梅
第一讲太阳能电池和太阳光
第 四讲 效率极限
江西工业工程职业技术学院电子系林2 梅
• 复习
第一讲太阳能电池和太阳光
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第一讲太阳能电池和太阳光