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1、第三章：第三章：太阳能太阳能电池的特性池的特性2022/10/27UNSW新南威尔士大学1 3.1 理想太阳能电池理想太阳能电池 3.2 太阳能电池的太阳能电池的 参数参数 3.3 电阻效应电阻效应 3.4 其他效应其他效应 3.5 对太阳能电池对太阳能电池 的测量的测量 3.1.1 理想太阳能理想太阳能电池池太阳能太阳能电池的池的结构构 太太阳阳能能电池池是是一一种种能能直直接接把把太太阳阳光光转化化为电的的电子子器器件件。入入射射到到电池池的的太太阳阳光光通通过同同时产生生电流流和和电压的的形形式式来来产生生电能能。这个个过程程的的发生生需需要要两两个个条条件件，首首先先，被被吸吸收收的的
2、光光要要能能在在材材料料中中把把一一个个电子子激激发到到高高能能级，第第二二，处于于高高能能级的的电子子能能从从电池池中中移移动到到外外部部电路路。在在外外部部电路路的的电子子消消耗耗了了能能量量然然后后回回到到电池池中中。许多多不不同同的的材材料料和和工工艺都都基基本本上上能能满足足太太阳阳能能转化化的的需需求求，但但实际上上，几几乎乎所所有有的的光光伏伏电池池转化化过程程都是使用都是使用组成成 pn结形式形式的半的半导体材料来完成的。体材料来完成的。2022/10/27UNSW新南威尔士大学2 3.1.1 理想太阳能理想太阳能电池池太阳能太阳能电池的池的结构构太阳能电池的横截面太阳能电池的
3、横截面减反射膜减反射膜前端接触电极前端接触电极发射区发射区基区基区背接触电极背接触电极电子空穴对电子空穴对 太阳能太阳能电池运行的基本步池运行的基本步骤：光生光生载流子的流子的产生生光生光生载流子聚集成流子聚集成电流流产生跨越太阳能生跨越太阳能电池的高池的高电压能量在能量在电路和外接路和外接电阻中消耗阻中消耗2022/10/27UNSW新南威尔士大学4 3.1.1 理想太阳能理想太阳能电池池太阳能太阳能电池的池的结构构 3.1.2 理想太阳能理想太阳能电池池光生光生电流流 在在太太阳阳能能电池池中中产生生的的电流流叫叫做做“光光生生电流流”，它它的的产生包括了生包括了两个主要的两个主要的过程程
4、。第第一一个个过程程是是吸吸收收入入射射光光子子并并产生生电子子空空穴穴对。电子子空空穴穴对只只能能由由能能量量大大于于太太阳阳能能电池池的的禁禁带宽度度的的光光子子产生生。然然而而，电子子（在在p型型材材料料中中）和和空空穴穴（在在n型型材材料料中中）是是处在在亚稳定定状状态的的，在在复复合合之之前前其其平平均均生生存存时间等等于于少少数数载流流子子的的寿寿命命。如如果果载流流子子被被复复合合了了，光光生生电子空穴子空穴对将消失，也将消失，也产生不了生不了电流或流或电能了。能了。2022/10/27UNSW新南威尔士大学5 3.1.2 理想太阳能理想太阳能电池池光生光生电流流 第二第二个过程
5、是个过程是pn结通过对这些光生载流子的结通过对这些光生载流子的收集收集，即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。pn结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光生少数载流子到达生少数载流子到达pn结，将会被内建电场移到另一个区，结，将会被内建电场移到另一个区，然后它便成了然后它便成了多数多数载流子。如果用一根导线把发射区跟载流子。如果用一根导线把发射区跟基区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外基区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外部电路。部电路。2022/10/27UN
6、SW新南威尔士大学7 动动画画展展示示了了短短路路情情况况下下的的理理想想电电流流。理理想想短短路路情情况况下下电电子子和和空空穴穴在在pn结结的的流流动动。少少数数载载流流子子不不能能穿穿过过半半导导体体和和金金属属之之间间的的界界限限，如如果果要要阻阻止止复复合合并并对对电电流流有有贡贡献献的的话话，必必须须通通过过pn结的结的收集收集。3.1.2 理想太阳能理想太阳能电池池光生光生电流流 “收收集集概概率率”描描述述了了光光照照射射到到电池池的的某某个个区区域域产生生的的载流流子子被被pn结收收集集并并参参与与到到电流流流流动的的概概率率，它它的的大大小小取取决决于于光光生生载流流子子需
7、需要要运运动的的距距离离和和电池池的的表表面面特特性性。在在耗耗散散区区的的所所有有光光生生载流流子子的的收收集集概概率率都都是是相相同同的的，因因为在在这个个区区域域的的电子子空空穴穴对会会被被电场迅迅速速地地分分开开。在在原原来来电场的的区区域域，其其收收集集概概率率将将下下降降。当当载流流子子在在与与电场的的距距离离大大于于扩散散长度度的的区区域域产生生时，那那么么它它的的收收集集概概率率是是相相当当低低的的。相相似似的的，如如果果载流流子子是是在在靠靠近近电池池表表面面这样的的高高复复合合区区的的区区域域产生生，那那么么它它将将会会被被复复合合。下下面面的的图描描述述了了表表面面钝化化
8、和和扩散散长度度对收集概率的影响。收集概率的影响。理想太阳能理想太阳能电池池收集概率收集概率 理想太阳能理想太阳能电池池收集概率收集概率 对收集概率的计算，红线代表发射区的扩散长度，蓝对收集概率的计算，红线代表发射区的扩散长度，蓝线代表基区的发射长度。线代表基区的发射长度。前端表面前端表面在高复合率的情况下，在高复合率的情况下，其表面的收集概率很低。其表面的收集概率很低。低扩散长度的太阳低扩散长度的太阳能电池。能电池。电池中距离表面的距离电池中距离表面的距离弱钝化的太阳弱钝化的太阳能电池能电池强钝化的太阳能强钝化的太阳能电池电池在耗散区的收集概在耗散区的收集概率相同率相同背表面背表面收收集集概
9、概率率 收收集集概概率率与与载载流流子子的的生生成成率率决决定定了了电电池池的的光光生生电电流流的的大大小小。光光生生电电流流大大小小等等于于电电池池各各处处的的载载流流子子生生成成速速率率乘乘以以该该处处的的收收集集概概率率。下面是硅在光照为下光生电流的方程，包括了生成率和收集概率。下面是硅在光照为下光生电流的方程，包括了生成率和收集概率。2022/10/2710收集概率收集概率生成率生成率在电池中的距离在电池中的距离 理想太阳能理想太阳能电池池收集概率收集概率2022/10/27UNSW新南威尔士大学11 在光谱下硅的生成速率。注意，在光谱下硅的生成速率。注意，电池表面电池表面的生成率是的
10、生成率是最最高高的，因此电池对表面特性是很敏感的。的，因此电池对表面特性是很敏感的。理想太阳能理想太阳能电池池收集概率收集概率 理想太阳能理想太阳能电池池收集概率收集概率 收收集集概概率率的的不不一一致致产产生生了了光光生生电电流流的的光光谱谱效效应应。例例如如，表表面面的的收收集集概概率率低低于于其其他他部部分分的的收收集集概概率率。比比较较下下图图的的蓝蓝光光、红红光光和和红红外外光光，蓝蓝光光在在硅硅表表面面的的零零点点几几微微米米处处几几乎乎被被全全部部吸吸收收。因因此此，如如果果顶顶端端表表面面的的收收集集概概率率非非常常低低的的话话，入入射射光光中中蓝蓝光光将将不不对对光光生生电电
11、池池做做出贡出贡献。献。上上图图显显示示了了不不同同波波长长的的光光在在硅硅材材料料中中的的载载流流子子生生成成率率。波波长长的的蓝蓝光光拥拥有有高高吸吸收收率率，为为105cm-1，也也因因此此它它在在非非常常靠靠近近顶顶端端表表面面处处被被吸吸收收。波波长长的的红红光光的的吸吸收收率率103cm-1，因因此此其其吸吸收收长长度度更更深深一一些些。红红外外光光的的吸吸收收率率为为103cm-1，但但是是它它几几乎乎不不被被吸吸收收因因为为它它的的能能量量接接近近于于硅材料的禁带宽度。硅材料的禁带宽度。理想太阳能理想太阳能电池池收集概率收集概率归归一一化化的的E-H对对生生成成率率 所所谓“量
12、量子子效效率率”，即即太太阳阳能能电池池所所收收集集的的载流流子子的的数数量量与与入入射射光光子子的的数数量量的的比比例例。量量子子效效率率即即可可以以与与波波长相相对应又又可可以以与与光光子子能能量量相相对应。如如果果某某个个特特定定波波长的的所所有有光光子子都都被被吸吸收收，并并且且其其所所产生生的的少少数数载流流子子都都能能被被收收集集，则这个个特特定定波波长的的所所有有光光子子的的量量子子效效率率都都是是相相同同的的。而而能能量量低低于于禁禁带宽度度的的光光子子的的量量子子效效率率为零零。下下图将描述理想太阳能将描述理想太阳能电池的量子效率曲池的量子效率曲线。2022/10/27UNS
13、W新南威尔士大学14 理想太阳能理想太阳能电池池量子效率量子效率 理想太阳能理想太阳能电池池量子效率量子效率总量子效率的减小是由反射效应和总量子效率的减小是由反射效应和过短的扩散长度引起的。过短的扩散长度引起的。理想量子理想量子效率曲线效率曲线能量低于禁带宽度的光能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以长波不能被吸收，所以长波长的量子效率为零。长的量子效率为零。量量子子效效率率前端表面复合导致蓝光响应的减小。前端表面复合导致蓝光响应的减小。红光响应的降低是由于背表红光响应的降低是由于背表面反射、对长波光的吸收的面反射、对长波光的吸收的减少和短扩散长度减少和短扩散长度 下下图图为为硅硅太太阳阳能能电
14、电池池的的量量子子效效率率。通通常常，波波长长小小于于350nm的的光光子子的的量量子子效效率率不不予予测测量量，因因为为在在大大气气质质量量光光谱谱中中，这些短波的光所包含能量很小。这些短波的光所包含能量很小。尽尽管管理理想想的的量量子子效效率率曲曲线是是矩矩形形的的（如如上上图），但但是是实际上上几几乎乎所所有有的的太太阳阳能能电池池的的都都会会因因为复复合合效效应而而减减小小。影影响响收收集集效效率率的的因因素素同同样影影响响着着量量子子效效率率。例例如如，顶端端表表面面钝化化会会影影响响靠靠近近表表面面的的载流流子子的的生生成成，而而又又因因为蓝光光是是在在非非常常靠靠近近表表面面处被
15、被吸吸收收的的，所所以以顶端端表表面面的的高高复复合合效效应会会强烈烈地地影影响响蓝光光部部分分量量子子效效率率。相相似似的的，绿光光能能在在电池池体体内内的的大大部部分分被被吸吸收收，但但是是电池池内内过低低的的扩散散长度度将将影响收集概率并减小光影响收集概率并减小光谱中中绿光部分的量子效率。光部分的量子效率。硅硅太太阳阳能能电池池中中，“外外部部”量量子子效效率率包包括括光光的的损失失，如如透透射射和和反反射射。然然而而，测量量经反反射射和和透透射射损失失后后剩剩下下的的光光的的量量子子效效率率还是是非非常常有有用用的的。“内内部部”量量子子效效率率指指的的是是那那些些没没有有被被反反射射
16、和和透透射射且且能能够产生生可可收收集集的的载流流子子的的光光的的量量子子效效率率。通通过测量量电池池的的反反射射和和透透射射，可可以修正外部量子效率曲以修正外部量子效率曲线并得到内部量子效率。并得到内部量子效率。2022/10/27UNSW新南威尔士大学16 理想太阳能电池理想太阳能电池量子效率量子效率 “光光谱响响应”在在概概念念上上类似似于于量量子子效效率率。量量子子效效率率描描述述的的是是电池池产生生的的光光生生电子子数数量量与与入入射射到到电池池的的光光子子数数量量的的比比，而而光光谱响响应指指的的是是太太阳阳能能电池池产生生的的电流流大大小小与与入入射射能能量量的的比比例例。下下图
17、将描述一光将描述一光谱响响应曲曲线。2022/10/27UNSW新南威尔士大学17理想的光谱响应理想的光谱响应硅太阳能电池的响应曲线。硅太阳能电池的响应曲线。能量低于禁带宽度的光能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以在长不能被吸收，所以在长波长段的光谱响应为零。波长段的光谱响应为零。光光谱谱响响应应 理想太阳能理想太阳能电池池光光谱响响应 理理想想的的光光谱谱响响应应在在长长波波长长段段受受到到限限制制，因因为为半半导导体体不不能能吸吸收收能能量量低低于于禁禁带带宽宽度度的的光光子子。这这种种限限制制在在量量子子效效率率曲曲线线中中同同样样起起作作用用。然然而而，不不同同于于量量子子效效率率的的
18、矩矩形形曲曲线线，光光谱谱响响应应曲曲线线在在随随着着波波长长减减小小而而下下降降。因因为为这这些些短短波波长长的的光光子子的的能能量量很很高高，导导致致光光子子与与能能量量的的比比例例下下降降。光光子子的的能能量量中中，所所有有超超出出禁禁带带宽宽度度的的部部分分都都不不能能被被电电池池利利用用，而而是是只只能能加加热热电电池池。在在太太阳阳能能电电池池中中，高高光光子子能能量量的的不不能能完完全全利用以及低光子能量的无法吸收，导致了显著的能量损失。利用以及低光子能量的无法吸收，导致了显著的能量损失。光光谱谱响响应应是是非非常常重重要要的的量量，因因为为只只有有测测量量了了光光谱谱响响应应才
19、才能能计计算算出量子效率。公式如下：出量子效率。公式如下：2022/10/27UNSW新南威尔士大学18 理想太阳能理想太阳能电池池光光谱响响应SR（光谱响应）（光谱响应）被被收收集集的的光光生生载流流子子并并不不是是靠靠其其本本身身来来产生生电能能的的。为了了产生生电能能，必必须同同时产生生电压和和电流流。在在太太阳阳能能电池池中中，电压是是由由所所谓的的“光光生生伏伏打打效效应”过程程产生生的的。pn结对光光生生载流流子子的的收收集集引引起起了了电子子穿穿过电场移移向向n型型区区，而而空空穴穴则移移向向p型型区区。在在电池池短短路路的的情情况况下下，将将不不会会出出现电荷荷的的聚聚集集，因
20、因为载流流子子都都参参与了光生与了光生电流的流流的流动。然然而而，如如果果光光生生载流流子子被被阻阻止止流流出出电池池，那那pn结对光光生生载流流子子的的收收集集将将引引起起n型型区区的的电子子数数目目增增多多，p型型区区的的空空穴穴数数目目增增多多。这样，电荷荷的的分分开开将将在在电池池两两边产生生一一个个与与内内建建电场方方向向相反的相反的电场，也因此降低了，也因此降低了电池的池的总电场。2022/10/27UNSW新南威尔士大学19 理想太阳能理想太阳能电池池光伏效光伏效应 理想太阳能理想太阳能电池池光伏效光伏效应 因因为为内内建建电电场场代代表表着着对对前前置置扩扩散散电电流流的的障障
21、碍碍，所所以以电电场场减减小小的的同同时时也也增增大大扩扩散散电电流流。穿穿过过pn结结的的电电压压将将达达到到新新的的平平衡衡。流流出出电电池池的的电电流流大大小小就就等等于于光光生生电电流流与与扩扩散散电电流流的的差差。在在电电池池开开路路的的情情况况下下，pn结结的的正正向向偏偏压压处处在在新新的的一一点点，此此时时，光光生生电电流流大大小小等等于于扩扩散散电电流流大大小小，且且方方向向相相反反，即即总总的的电电流流为为零零。当当两两个个电电流流达达到到平平衡衡时时的的电电压压叫叫做做“开开路电压路电压”。下面下面动画展示了画展示了载流子分流子分别在短路和开路情况下的流在短路和开路情况下
22、的流动情况。情况。2022/10/27UNSW新南威尔士大学21 动动画画显显示示了了太太阳阳能能电电池池分分别别在在热热平平衡衡、短短路路和和开开路路下下的的载载流流子子运运动动状状态态。请请注注意意不不同同情情况况下下，流流过过pn结结的的电电流流的的不不同同。在在热热平平衡衡下下（光光照照为为零零），扩扩散散电电流流和和漂漂移移电电流流都都非非常常小小。而而电电池池短短路路时时，pn结结两两边边的的少少数数载载流流子子浓浓度度以以及及由由少少数数载载流流子子决决定定大大小小的的漂漂移移电电流流都都将将增增加加。在在开开路路时时，光光生生载载流流子子引引起起正正向向偏偏压压，因因此此增增加
23、加了了扩扩散散电电流流。因因为为扩扩散散电电流流和和漂漂移移电电流流的的方方向相反，所以开路时电池总电流为零。向相反，所以开路时电池总电流为零。理想太阳能理想太阳能电池池光伏效光伏效应 太阳能太阳能电池的参数池的参数 电池的伏安曲池的伏安曲线 太太阳阳能能电电池池的的伏伏安安曲曲线线是是电电池池二二极极管管在在黑黑暗暗时时的的伏伏安安曲曲线线与与光光生生电电流流的的叠叠加加。光光的的照照射射能能使使伏伏安安曲曲线线移移动动到到第第四四象象限限，意意味味着着能能量量来来自自电电池池。用用光光照照射射电电池池并并加加上上二二极极管的暗电流，则二极管的方程变为：管的暗电流，则二极管的方程变为：202
24、2/10/27UNSW新南威尔士大学22式中式中IL为光生电流。为光生电流。第一象限的伏安曲线方程为：第一象限的伏安曲线方程为：太阳能太阳能电池的参数池的参数 电池的伏安曲池的伏安曲线动画展示了光对一个动画展示了光对一个pn结的电流电压特性的影响。结的电流电压特性的影响。没有光照时，太阳能电池与没有光照时，太阳能电池与普通二极管的电性能没什么普通二极管的电性能没什么不同。不同。点击继续点击继续 接接下下来来的的几几节将将讨论几几个个用用于于描描述述太太阳阳能能电池池特特性性的的重重要要参参数数。短短路路电流流（ISC），开开路路电压（VOC），填填充充因因子子（FF）和）和转换效率都可以从伏安
25、曲效率都可以从伏安曲线测算出来的重要参数。算出来的重要参数。太阳能太阳能电池的参数池的参数短路短路电流流 短短路路电流流是是指指当当穿穿过电池池的的电压为零零时流流过电池池的的电流流（或者（或者说电池被短路池被短路时的的电流）。通常流）。通常记作作ISC。2022/10/27UNSW新南威尔士大学24太阳能电池的伏安曲线太阳能电池的伏安曲线短路电流短路电流ISC是电池流出的最是电池流出的最大电流，此时穿过电池的电大电流，此时穿过电池的电压为零。压为零。电池产生的电能 短短路路电电流流源源于于光光生生载载流流子子的的产产生生和和收收集集。对对于于电电阻阻阻阻抗抗最最小小的的理理想想太太阳阳能能电
26、电池池来来说说，短短路路电电流流就就等等于于光光生生电电流流。因因此此短短路路电电流流是是电电池池能能输输出出的最大电流。的最大电流。短路短路电流的大小取决于以下几个因素：流的大小取决于以下几个因素：太太阳阳能能电池池的的表表面面积。要要消消除除太太阳阳能能电池池对表表面面积的的依依赖，通通常常需需改改变短短路路电流流强度度（JSC单位位为mA/cm2）而而不不是是短短路路电流。流。光光子子的的数数量量（即即入入射射光光的的强度度）。电池池输出出的的短短路路电流流ISC的的大小直接取决于光照大小直接取决于光照强度（在入射光度（在入射光强度一度一节有有讨论）。）。入入射射光光的的光光谱。测量量太
27、太阳阳能能电池池是是通通常常使使用用标准准的的大大气气质量量光光谱。电池的光学特性池的光学特性（吸收和反射）（光学（吸收和反射）（光学损耗一耗一节已已讨论过）电池池的的收收集集概概率率，主主要要取取决决于于电池池表表面面钝化化和和基基区区的的少少数数载流子寿命。流子寿命。2022/10/27UNSW新南威尔士大学25 太阳能太阳能电池的参数池的参数短路短路电流流 在在比比较相相同同材材料料的的两两块太太阳阳能能电池池时，最最重重要要的的参参数数是是扩散散长度度和和表表面面钝化化。对于于表表面面完完全全钝化化和和生生成成率率完完全全相相同同的的电池来池来说，短路，短路电流方程近似于：流方程近似于
28、：JSC=qG(Ln+Lp)式式中中G代代表表生生成成率率，而而Ln和和Lp分分别为电子子和和空空穴穴的的扩散散长度度。尽尽管管此此方方程程以以与与多多数数太太阳阳能能电池池的的实际情情况况不不太太相相符符的的假假设为前前提提的的，但但这并并不不妨妨碍碍我我们从从这个个方方程程看看出出，短短路路电流流很很大程度上取决于生成率和大程度上取决于生成率和扩散散长度。度。在在大大气气质量量光光谱下下的的硅硅太太阳阳能能电池池，其其可可能能的的最最大大电流流为46mA/cm2。实验室室测得得的的数数据据已已经达达到到42mA/cm2，而而商商业用用太阳能太阳能电池的短路池的短路电流在流在28到到35mA
29、/cm2之之间。2022/10/27UNSW新南威尔士大学26 太阳能太阳能电池的参数池的参数短路短路电流流 开开路路电电压压VOC是是太太阳阳能能电电池池能能输输出出的的最最大大电电压压，此此时时输输出出电电流流为为零零。开开路路电电压压的的大大小小相相当当于于光光生生电电流流在在电电池池两两边边加加的的正向偏压。开路电压如下图伏安曲线所示。正向偏压。开路电压如下图伏安曲线所示。2022/10/2727 太阳太阳电池的参数池的参数开路开路电压开路电压是太阳能电池的开路电压是太阳能电池的最大电压，即净电流为零最大电压，即净电流为零时的电压。时的电压。上上述述方方程程显示示了了VOC取取决决于于
30、太太阳阳能能电池池的的饱和和电流流和和光光生生电流流。由由于于短短路路电流流的的变化化很很小小，而而饱和和电流流的的大大小小可可以以改改变几几个个数数量量级，所所以以主主要要影影响响是是饱和和电流流。饱和和电流流I0主主要要取取决决于于电池池的的复复合合效效应。即即可可以以通通过测量量开开路路电压来来算算出出电池池的的复复合合效效应。实验室室测得得的的硅硅太太阳阳能能电池池在在光光谱下下的的最最大大开开路路电压能达到能达到720mV，而商，而商业用太阳能用太阳能电池通常池通常为600mV。2022/10/27UNSW新南威尔士大学28 太阳太阳电池的参数池的参数开路开路电压 通过把输出电流设置
31、成零，便可得到太阳能电池的开路电通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路电压方程：压方程：短短路路电流流和和开开路路电压分分别是是太太阳阳能能电池池能能输出出的的最最大大电流流和和最最大大电压。然然而而，当当电池池输出出状状态在在这两两点点时，电池池的的输出出功功率率都都为零零。“填填充充因因子子”，通通常常使使用用它它的的简写写“FF”，是是由由开开路路电压VOC和和短短路路电流流ISC共共同同决决定定的的参参数数，它它决决定定了了太太阳阳能能电池池的的输出出效效率率。填填充充因因子子被被定定义为电池池的的最最大大输出出功功率率与与开开路路VOC和和ISC的的乘乘积的的比比值。从从图
32、形形上上看看，FF就就是是能能够占占据据IV曲曲线区域最大的面区域最大的面积。如下。如下图所示。所示。2022/10/2729 太阳能太阳能电池的参数池的参数填充因子填充因子 太阳能太阳能电池的参数池的参数填充因子填充因子 输输出出电电流流（红红线线）和和功功率率的的（蓝蓝线线）图图表表。同同时时标标明明了了电电场场的的短短路路电电流流（ISC）点点、开开路路电电压压（VOC）点点以以及及最最大大功功率率点点（Vmp，Imp），点击图片可以看到当电池的填充因子变小时曲线是如何变化的。），点击图片可以看到当电池的填充因子变小时曲线是如何变化的。FF是是对对伏伏安安曲曲线线的的矩矩形形面面积积的的
33、测测量量，则则电电压压高高的的太太阳阳能能电电池池，其其FF值值也也可可能能比比较较大大，因因为为伏伏安安曲曲线线中中剩剩余余部部分分的的面面积积会会更更小小。要要计计算算电电池池的的FF可可以以对对电电池池的的功功率率进进行行求求导导，令令其其值值为为零，便可找出功率最大时的电压电流值了。即：零，便可找出功率最大时的电压电流值了。即：d（IV）/dV=0 并给出：并给出：2022/10/27UNSW新南威尔士大学31 太阳能太阳能电池的参数池的参数填充因子填充因子 上上述述方方程程显示示了了电池池的的开开路路电压越越高高，填填充充因因子子就就越越大大。然然而而，材材料料相相同同的的电池池的的
34、开开路路电压，它它们的的变化化也也相相对较小小。例例如如，(At one sun)在在一一个个下下，实验室室硅硅太太阳阳能能电池池和和典典型型的的商商业硅硅太太阳阳能能电池池的的开开路路电压之之差差大大约为120mV，填填充充因因子子分分别为和和0.83.然然而而，不不同同材材料料的的电池池的的填填充充因因子子的的差差别则可可能能非非常常大大。例如，例如，GaAs太阳能太阳能电池的填充因子能达到。池的填充因子能达到。2022/10/27UNSW新南威尔士大学32 太阳能太阳能电池的参数池的参数填充因子填充因子 然然而而，单单从从上上面面的的步步骤骤并并不不能能得得出出一一个个简简单单或或近近似
35、似的的方方程程。上上面面的的方方程程只只与与VOC和和Vmp，所所以以还还需需要要额额外外的的能能求求出出Imp和和FF的的方程。一个比较常使用的方程。一个比较常使用的经验方程经验方程是：是：上上述述方方程程还说明明了了理理想想因因子子（也也叫叫n因因子子）的的重重要要性性。理理想想因因子子是是描描述述pn结质量量和和电池池的的复复合合类型型的的测量量量量。对于于复复合合类型型那那一一节所所讨论的的简单的的复复合合来来说，n的的值为1。然然而而对于于其其它它特特别是是效效应很很强的的复复合合类型型来来说，n的的值应该为2。大大的的n值不不仅会会降降低低填填充充因因子子，还会会因因为高高复复合合
36、效效应而而降降低低开开路路电压。上上述述方方程程中中一一个个重重要要的的限限制制是是，它它求求出出的的只只是是最最大大填填充充因因子子，然然而而实际上上因因为电池池中中寄寄生生电阻阻的的存存在在，填填充充因因子子的的值可可能能会会更更低低一一些些。因因此此，测量量填填充充因因子子最最常常用用的的方方法法还是是测量伏安曲量伏安曲线，即最大功率除以开路，即最大功率除以开路电压与短路与短路电流的乘流的乘积。FF=VmpImp/（VOCISC）2022/10/27UNSW新南威尔士大学33 太阳能太阳能电池的参数池的参数填充因子填充因子2022/10/27UNSW新南威尔士大学34 发发电电效效率率是
37、是人人们们在在比比较较两两块块电电池池好好坏坏时时最最常常使使用用参参数数。效效率率定定义义为为电电池池输输出出的的电电能能与与射射入入电电池池的的光光能能的的比比例例。除除了了反反映映太太阳阳能能电电池池的的性性能能之之外外，效效率率还还决决定定于于入入射射光光的的光光谱谱和和光光强强以以及及电电池池本本身身的的温温度度。所所以以在在比比较较两两块块电电池池的的性性能能时时，必必须须严严格格控控制制其其所所处处的的环环境境。测测量量陆陆地地太太阳阳能能电电池池的的条条件件是是光光照照和和温温度度25C。而而空空间间太太阳阳能能电电池池的的光光照照则则为为AM0。近近几几年年的的太太阳阳能能电
38、电池池最最高高效效率率表表将将在在太太阳阳能能电电池池效效率率测测量量结结果果一节中给出。一节中给出。下式为计算发电效率的方程：下式为计算发电效率的方程：Pmax=VOCISC FF,=Pmax/Pin=VOCISC FF/Pin 太阳能太阳能电池的参数池的参数 效效 率率直线斜率的倒数就是直线斜率的倒数就是特征电阻。特征电阻。太太阳阳能能电池池的的特特征征电阻阻就就是是指指电池池在在输出出最最大大功功率率时的的输出出电阻阻。如如果果外外接接负载的的电阻阻大大小小等等于于电池池本本身身的的输出出电阻阻，那那么么电池池输出出的的功功率率达达到到最最大大，即即工工作作在在最最大大功功率率点点。此此
39、参参数数在分析在分析电池特性，特池特性，特别是研究是研究寄生寄生电阻阻损失机制失机制时非常重要。非常重要。2022/10/2735图上的公式还可代图上的公式还可代之以：之以：RCH=VOC/ISC 电阻效阻效应 太阳能太阳能电池的池的特征特征电阻阻 电池池的的电阻阻效效应以以在在电阻阻上上消消耗耗能能量量的的形形式式降降低低了了电池池的的发电效效率率。其其中中最最常常见的的寄寄生生电阻阻为串串联电阻阻和和并并联电阻阻。从从下面的下面的电池等效池等效电路便可看出串路便可看出串联和并和并联电阻。阻。36 在在大大多多数数情情况况下下，当当串串联联电电阻阻和和并并联联电电阻阻处处在在典典型型值值的的
40、时时候候，寄寄生生电电阻阻对对电电池池的的最最主主要要影影响响便便是是减减小小填填充充因因子子。串串联联电电阻阻和和并并联联电电阻阻的的阻阻值值以以及及它它们们对对电电池池最最大大功功率率点点的的影影响响都都决决定定于于电电池池的的几几何何结结构构。在在太太阳阳能能电电池池中中，电电阻阻的的单单位位是是cm2 2。由由欧姆定律可以求出单位面积的阻值，欧姆定律可以求出单位面积的阻值，R（cm2 2）=V/J。电阻效阻效应 寄生寄生电阻效阻效应 太太阳阳能能电电池池中中，引引起起串串联联电电阻阻的的因因素素有有三三种种：第第一一，穿穿过过电电池池发发射射区区和和基基区区的的电电流流流流动动；第第二
41、二，金金属属电电极极与与硅硅之之间间的的接接触触电电阻阻；第第三三便便是是顶顶部部和和背背部部的的金金属属电电阻阻。串串联联电电阻阻对对电电池池的的主主要要影影响响是是减减小小填填充充因因子子，此此外外，当当阻阻值值过过大大时时还还会会减减小小短短路路电电流流。下下面面动动画画描描述了串联电阻对伏安曲线的影响。述了串联电阻对伏安曲线的影响。2022/10/2737串联电阻对串联电阻对FF的影的影响。此电池的表面响。此电池的表面积为积为1cm2 。电阻效阻效应串串联电阻阻 串串联联电电阻阻并并不不会会影影响响到到电电池池的的开开路路电电压压，因因为为此此时时电电池池的的总总电电流流为为零零，所所
42、以以串串联联电电阻阻也也为为零零。然然而而，在在接接近近开开路路电电压压处处，伏伏安安曲曲线线会会受受到到串串联联电电阻阻的的强强烈烈影影响响。一一种种直直接接估估计计电电池池的的串串联电阻的方法是找出伏安曲线在开路电压处的斜率。联电阻的方法是找出伏安曲线在开路电压处的斜率。计算太阳能电池的最大功率的方程计算太阳能电池的最大功率的方程如下：如下：2022/10/27UNSW新南威尔士大学38 电阻效阻效应串串联电阻阻若定义若定义 为标准（为标准（normalized）串联电阻，）串联电阻，我我们假假设开开路路电压和和短短路路电流流没没有有受受到到串串联电阻阻的的影影响响，则可以算出串可以算出串
43、联电阻阻对填充因子的影响：填充因子的影响：在在上上述述方方程程中中，我我们把把没没有有受受串串联电阻阻影影响响的的填填充充因因子子用用符号符号FF0表示，而表示，而FF则用用FFs代替。代替。则方程改方程改为：而而下下面面以以实验为基基础的的方方程程能能更更加加精精确确地地表表示示FF0与与FFS之之间的关系：的关系：FFs=FF0（rs）+r2s 此式在此式在rs及及VOC10时有效。有效。2022/10/27UNSW新南威尔士大学39 电阻效阻效应串串联电阻阻 并并联联电电阻阻RSH造造成成的的显显著著的的功功率率损损失失通通常常是是由由于于制制造造缺缺陷陷引引起起的的，而而不不是是糟糟糕
44、糕的的电电池池设设计计。小小的的并并联联电电阻阻以以分分流流的的形形式式造造成成功功率率损损失失。此此电电流流转转移移不不仅仅减减小小了了流流经经pn结结的的电电流流大大小小，同同时时还还减减小小了了电电池池的的电电压压。在在光光强强很很低低的的情情况况下下，并并联联电电阻阻对对电电池池的的影影响响最最大大，因因为为此此时时电电池的电流很小。下面的动画将展示小并联电阻对电池的影响：池的电流很小。下面的动画将展示小并联电阻对电池的影响：2022/10/27UNSW新南威尔士大学40 此此电电池池的的表表面面积积为为1cm2。通通过过测测量量伏伏安安曲曲线线在在接接近近短短路路电电流流处处的的斜斜
45、率率可可以以估估算算出出电池内并联电阻的值。电池内并联电阻的值。电阻效阻效应并并联电阻阻 计计算算并并联联电电阻阻对对填填充充因因子子的的影影响响与与计计算算串串联联电电阻阻对对填填充充因因子子的的影影响响时时所所使使用用的的方方法法相相似似。即即最最大大功功率率近近似似等等于于无无并并联联电电阻时的功率减去并联电阻所消耗的功率。方程如下：阻时的功率减去并联电阻所消耗的功率。方程如下：2022/10/27UNSW新南威尔士大学41 这里把这里把rsh=Rsh/RCH定义为标定义为标准并联电阻。准并联电阻。电阻效阻效应并并联电阻阻 我我们们假假设设开开路路电电压压和和短短路路电电流流都都没没有有
46、受受并并联联电电阻阻的的影影响响，则可计算出并联电阻对填充因子的影响：则可计算出并联电阻对填充因子的影响：同同样样，对对没没有有被被并并联联电电阻阻影影响响的的填填充充因因子子，我我们们用用FF0表示，而表示，而FF则改用则改用FFsh表示：表示：FFsh=FF0（1-1/rsh）下面将列出下面将列出更加精确的更加精确的以实验为基础以实验为基础的方程的方程 42此方程在此方程在rsh时有效时有效 电阻效阻效应并并联电阻阻 当当并并联联电电阻阻和和串串联联电电阻阻同同时时存存在在时时，太太阳阳能能电电池池的的电电流流与与电压的关系为：电压的关系为：43 而电池的等效电路图为：而电池的等效电路图为
47、：电阻效阻效应串、并串、并联电阻的共同影响阻的共同影响式中式中IL为光生电流。）为光生电流。）（第一象限的伏安曲线方程为：（第一象限的伏安曲线方程为：上式中上式中FFs=FF0（rs）+r2s 则将上面的方程结合后得到则将上面的方程结合后得到FF：2022/10/27UNSW新南威尔士大学44 电阻效阻效应串、并串、并联电阻的共同影响阻的共同影响结合串联电阻和并联电阻的影响，总的方程为结合串联电阻和并联电阻的影响，总的方程为：像像所所有有其其它它半半导体体器器件件一一样，太太阳阳能能电池池对温温度度非非常常敏敏感感。温温度度的的升升高高降降低低了了半半导体体的的禁禁带宽度度，因因此此影影响响了
48、了大大多多数数的的半半导体体材材料料参参数数。可可以以把把半半导体体的的禁禁带宽度度随随温温度度的的升升高高而而下下降降看看成成是是材材料料中中的的电子子能能量量的的提提高高。因因此此破破坏坏共共价价键所所需需的的能能量量更更低低。在在半半导体体禁禁带宽度度的的共共价价键模模型型中中，价价键能量的降低意味着禁能量的降低意味着禁带宽度的下降。度的下降。2022/10/27UNSW新南威尔士大学45 其他效其他效应温度效温度效应 其他效其他效应温度效温度效应 在在太太阳阳能能电电池池中中，受受温温度度影影响响最最大大的的参参数数是是开开路电压路电压。温度的改变对伏安曲线的影响如下图所示。温度的改变
49、对伏安曲线的影响如下图所示。短短路路电电流流ISC提提 高高 幅幅度很小度很小温温 度度 较较 高高的电池的电池开路电压开路电压Voc下降幅度大下降幅度大 开开路路电电压压随随着着温温度度而而减减小小是是因因为为I0对对温温度度的的依依赖赖。关关于于pn结两边的结两边的I0的方程如下：的方程如下：式式中中，q为为一一个个电电子子的的电电荷荷量量；D为为硅硅材材料料中中少少数数载载流流子子的的扩扩散散率率；L为为少少数数载载流流子子的的扩扩散散长长度度；ND为为掺掺杂杂率率；ni为硅的本征载流子浓度。为硅的本征载流子浓度。在在上上述述方方程程中中，许许多多参参数数都都会会受受温温度度影影响响，其
50、其中中影影响响最最大大的的是是本本征征载载流流子子浓浓度度ni。本本征征载载流流子子浓浓度度决决定定于于禁禁带带宽宽度度（禁禁带带宽宽度度越越低低本本征征载载流流子子浓浓度度越越高高）以以及及载载流流子子所所拥拥有有的能量（载流子能量越高浓度越高）。的能量（载流子能量越高浓度越高）。2022/10/27UNSW新南威尔士大学47 其他效其他效应温度效温度效应 其他效其他效应温度效温度效应关于本征载流子的方程为：关于本征载流子的方程为：式式中中，T表表示示温温度度，h和和k都都是是常常数数，me和和mh分分别别是是电电子子和和空空穴穴的的有有效效质质量量；EG0为为禁禁带带宽宽度度，B是是也也是