太陽能電池各參數(shù)的含義

1、太陽電池原理 目前絕大部分的電池片的基本成分是硅,在拉棒鑄錠時均勻的摻入了B(硼),B原子最外層有三個電子,摻B的硅含有大量空穴,所以太陽能電池基片中的多數(shù)載流子是空穴,少數(shù)載流子是自由電子,是P型半導(dǎo)體. 在擴(kuò)散工序擴(kuò)入大量的P(磷)原子,P原子最外層有五個電子,摻入大量P的基片由P型半導(dǎo)體變?yōu)镹型導(dǎo)電體,多數(shù)載流子為電子,少數(shù)載流子為空穴.太陽電池原理-基本原理漂移中和1，在P型區(qū)域和N型區(qū)域的交接區(qū)域,多數(shù)載流子相互吸引,漂移中和,最終在交接區(qū)域形成一個空間電荷區(qū)（即內(nèi)建電場區(qū)）.在內(nèi)建電場區(qū)電場方向是由N區(qū)指向P區(qū).N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體太陽電池原理-基本原理空間電荷區(qū)2，當(dāng)入射光照射到

2、電池片時,能量大于硅禁帶寬度的光子穿過減反射膜進(jìn)入硅中,在N區(qū)、耗盡區(qū)、P區(qū)激發(fā)出光生電子空穴對.光生電子空穴對在耗盡區(qū)中產(chǎn)生后,立即被內(nèi)建電場分離,光生電子被進(jìn)入N區(qū),光生空穴則被推進(jìn)P區(qū). 光生電子空穴對在N區(qū)產(chǎn)生以后,光生空穴便向PN結(jié)邊界擴(kuò)散,一旦到達(dá)PN結(jié)邊界,便立即受到內(nèi)建電場作用,被電場力牽引做漂移運動,越過耗盡區(qū)進(jìn)入P區(qū),光生電子(多子)則被留在N區(qū).P區(qū)中的光生電子(少子)同樣的先因為擴(kuò)散,后因為漂移而進(jìn)入N區(qū),光生空穴(多子)則留在P區(qū).在PN結(jié)的兩側(cè)形成了正負(fù)電荷的積累,產(chǎn)生了光生電壓,這就是“光生伏特效應(yīng)”.N區(qū)P區(qū)內(nèi)建電場電子空穴對電子空穴對電子空穴對大量正電荷大量負(fù)

3、電荷Ebip區(qū)n區(qū)P+區(qū)2m正電極正電極Voc0.2m180200m36mlhle長波短波中波正電荷電子背背場場 電池片厚度一般為180200m. 電子空穴對EHP擴(kuò)散距離le=(Dee)1/2其中De為擴(kuò)散系數(shù).n側(cè)少子為空穴,擴(kuò)散長度很短,再由于n側(cè)是重擴(kuò)散雜質(zhì),所以少子壽命非常短,因此n側(cè)做得很薄(0.2m),事實上,n側(cè)的厚度ln可能少于空穴的擴(kuò)散長度lh.表面位置由于存在各種缺陷成為復(fù)合中心.短波光會在表面被吸收,產(chǎn)生電子空穴對,這些非常接近n側(cè)表面的光生電子和空穴對很快就消失掉,這就是短波光量子效率很低的原因. 在波長約為1至1.2m的光,硅材料對其吸收的系數(shù)很小很小,吸收深度(1

4、/ )通常會大于100m。為了俘獲這些長波光子,我們需要相當(dāng)厚的p側(cè)材料，同時這種材料又必須是無缺陷的,使它有足夠長的少數(shù)載流子擴(kuò)散長度le .通常p側(cè)材料厚度為200m.而少數(shù)載流子擴(kuò)散長度le會少于這個長度. 硅材料的帶隙Eg約為1.1ev. 充足的太陽光照射到晶體硅太陽能電池時，電池片的整個厚度內(nèi)都會產(chǎn)生光生載流子,其電子空穴對的產(chǎn)生率Gp(即單位時間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)目),以Goexp(- x)衰減。（其中Go是電子空穴對在表面時的產(chǎn)生率, 是材料吸收系數(shù).）假定1,太陽電池厚度很薄,使所有的光生載流子都能流經(jīng)外電路.假定2,lh是大于n側(cè)厚度ln ,所以,在體積(ln+w+

5、le)內(nèi)產(chǎn)生的全部電 子空穴對都貢獻(xiàn)給光電流.假定3,在材料表面的光生載流子的復(fù)合可以被忽略.其表面積A=5cm5cm,ln =0.2m,W=2m,le=50m,Go=11018cm-3s-1enoenosclWlAqGlWlAqGIexp1不同波長的光所產(chǎn)生的Isc1，對于光波長1.1m，=2000m-1（吸收深度=1/ =500m）, 求得Isc=20mA.2，對于強(qiáng)吸收的光波長0.83m， =10 105m-1（吸收深度 =1/ =10m）,求得Isc=40mA.3，隨著光波長的縮短而增大,最后(當(dāng)450nm)由于非常大，會 使光生載流子只發(fā)生在電池片表面，而電池片的 表面區(qū)的缺 陷很容

6、易使電子空穴對被復(fù)合掉，從而使光電流反而減小。1，光電流密度光生載流子的定向運動形成光電流.如果入射到電池的光子中,能量大于禁帶寬度Eg的光子均能被電池吸收,而激發(fā)出數(shù)量相同的光生電子空穴對,且可以被全部收集,則光生電流密度的最大值為:gphLEqNJmax式中 為每秒入射到電池上能量大于 的光子數(shù).考慮光的發(fā)射,材料吸收,電池厚度及光生載流子的實際生產(chǎn)率后,光電流密度可以表示為:gphENgE ddxeaRQqJHxaL 001ddxxqGHL 00)( xaLeaRQG1式中 , 為入射到電池上波長為 ,帶寬為 的光子數(shù), Q為量子產(chǎn)額，及一個能量大于Eg的光子產(chǎn)生一對光生載流子的幾率，通

7、常情況下可以令Q=1， 為和波長有關(guān)的發(fā)射因數(shù), 為對應(yīng)波長的吸收系數(shù), 為距電池表面x處厚度為dx的薄層,H為電池總厚度, 表示x處的光生載流子的產(chǎn)生率. d R adx)(xGL這個表達(dá)式認(rèn)為，凡是在電池中產(chǎn)生的光生載流子均可以對光電流有貢獻(xiàn)，因而是光電流的理想值，見太陽電池原理-原理圖。類似PN結(jié)正偏，在單位面積的太陽電池中把JL()看為各區(qū)貢獻(xiàn)的光電流密度之和 JL=Jn ()+Jc ()+Jp() 其中，Jn ()、Jc ()、 Jp()分別表示n區(qū)、耗盡區(qū)、p區(qū)貢獻(xiàn)的光電流密度.在考慮各種產(chǎn)生和復(fù)合后,即可以求出每一區(qū)中光生載流子的總數(shù)和分布,從而求出電流密度. 先考慮Jn和Jp,

8、根據(jù)肖克萊關(guān)于pn結(jié)的理論,假設(shè)太陽電池原理-原理圖中電池滿足: 光照時太陽電池各區(qū)均滿足pnni2,即滿足小注入條件耗盡區(qū)寬度W電池厚度H,結(jié)平面為無限大,不考慮周界影響各區(qū)雜質(zhì)均已電離于是可列出一維情況下,描述太陽電池工作狀態(tài)的基本方程:對n區(qū):)62.(.1)52.(.dxdJqUGdtdpdxdpqDpqJpnLnnpnnpp對p區(qū):)92(.).()82.(.1)72.(.0npNNqdxddxdJqUGdtdndxdnqDnqJADrnpLppnppnn方程(2-5)稱為電流密度方程,它表示n區(qū)中的空穴決定的電流密度等于 空穴的漂移分量與擴(kuò)散分量的代數(shù)和.方程(2-6)稱為連續(xù)性方

9、程.它表示在單位時間單位體積的半導(dǎo)體中,空 穴濃度的變化量等于凈產(chǎn)生率(產(chǎn)生率減復(fù)合率)與空穴流密度梯度 的代數(shù)和.其中末項前的負(fù)號分別表示擴(kuò)散流動方向和空穴濃度梯度 方向及電流密度方向均相反.方程(2-7)(2-8)分別為p區(qū)中自由電子決定的電流密度方程和連續(xù)性方程（2-9）稱為泊松方程，表示半導(dǎo)體中電勢的空間分布和空間電 荷的關(guān)系受到照明的太陽電池被短路時,pn結(jié)處于零偏壓,這時短路電流密度等于光電流密度,而正比于入射光強(qiáng),即：phLSCNJJ2,光電壓 由于光照而在電池兩端出現(xiàn)的電壓稱為光電壓.它像外加于pn結(jié)的正偏一樣,與內(nèi)建電場方向相反,這光電壓減低了勢壘的高度,而且使耗盡區(qū)變薄.太

10、陽電池開路狀態(tài)的光電壓稱為開路電壓UOC光電壓. 在開路狀態(tài)下,有光照時,內(nèi)建電場所分離的光生載流子形成由n區(qū)指向p區(qū)的光電流JL,而太陽電池兩端出現(xiàn)的光電壓即開路電壓UOC卻產(chǎn)生由p區(qū)指向n區(qū)的正向結(jié)電流JD.在穩(wěn)定光照時,光電流恰好正和正向結(jié)電流相等(JL = JD).pn結(jié)的正向電流可由下式得出:于是有兩邊取對數(shù)整理后,當(dāng)A1,得,在AM1條件下, ,所以 ) 1(0AKTqVDeJJ) 1(0AKTqVLeJJ1ln0JJqAKTULOC10JJL)132.(.ln0JJqAKTULOC顯然, UOC隨JL的增加而增加,隨J0的增加而減少.似乎UOC也隨著曲線理想因子A的增加而增加,實

11、際上A因子的增加,也是與的J0增加有關(guān),所以總的來說,A因子大的電池片UOC不會大.在略去產(chǎn)生電流影響時,反向飽和電流密度為:因為 所以:其中UD為最大pn結(jié)電壓,等于pn結(jié)勢壘高度,將(2-15)代入(2-13),當(dāng)A=1時,可得 在低溫和高光強(qiáng)時, UOC接近UD, UD 越高UOC越大,因為所以pn結(jié)兩邊摻雜度越大,開路電壓也越大.pDipnAinLNnqDLNnqDJ220KTqVDAiDeNNn2)152.()(000KTqUKTqUpApnDnDDeJeLNqDLNqDJpApnDnLNqDLNqDJ00LDOCJJqKTUU00ln2lniADDnNNqKTURsILIDIshR

12、LCJU 當(dāng)受到光照的太陽電池接上負(fù)載時,光生電流流經(jīng)負(fù)載,并在負(fù)載兩端產(chǎn)生端壓,這時可以使用一個等效電路來描述太陽電池的工作情況.把太陽電池看成穩(wěn)定產(chǎn)生光電流的電流源(假設(shè)光源穩(wěn)定),與之并聯(lián)的有一個處于正偏壓下的二極管及一個并聯(lián)電阻Rsh.Rsh)172.()() 1()(0shLSAKTIRUqLshDLRRRIeIIIIIIS等效電路圖等效電路圖IRU I負(fù)載電流負(fù)載電壓 上式不能寫成I=f(U)形式,只能寫成I=f(U,I)的形式,因為這是一個超越函數(shù). IL 光生電流 T 太陽電池pn結(jié)的絕對溫度 I0 反向飽和電流(暗電流) q 單位電荷量 A 二極管因子 K 普朗克常量 Rs/

13、Rsh 太陽電池的串連/并聯(lián) I 太陽電池的輸出電流 U 太陽電池的輸出電壓 當(dāng)負(fù)載RL從0變化到無窮的時候,就可以根據(jù)上式畫出太陽電池的負(fù)載特性曲線.曲線上的每一點稱為工作點.工作點和原點的連線稱為負(fù)載線.斜率為 ,工作點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)即為相應(yīng)的工作電壓和工作電流.若改變負(fù)載電阻RL到達(dá)某一特定值Rm,此時,在曲線上得到一個點M,對應(yīng)的工作電流與工作電壓之積最大(Pm=ImUm).我們就稱這點M為該太陽電池的最大功率點,其中, Im為最佳工作電流, Um為最佳工作電壓. Rm為最佳負(fù)載電阻.Pm為最大輸出功率.如下圖所示:LR1太陽電池測試原理-模擬電路圖(等效電路圖)ISCImPmUm0

14、UUIIIUUOCIURshIURsmRK1太陽電池測試原理-參數(shù)的測量及計算 當(dāng)負(fù)載RL連續(xù)變化時,經(jīng)過測量得到一系列I-V數(shù)據(jù),由此可以做出如太陽電池測試原理-模擬電路圖(等效電路圖)的太陽電池的伏安特性曲線,同時計算出一些重要的參數(shù),這些參數(shù)主要包括:開路電壓UOC，短路電流ISC，最佳工作電壓Um，最佳工作電流Im，最大功率Pm，填充因子FF，串聯(lián)電阻Rs，并聯(lián)電阻Rsh和電池效率. 1,開路電壓UOC,短路電流ISC的計算 從圖上可知,測量得到的曲線與V,I兩軸的交點,及UOC, ISC. 2, Um ， Im ， Pm的計算 一般情況下,直接求Pm會有一些麻煩.所以可以在計算機(jī)上按

15、照步長,求得每一點的P=UI,然后直接取其中的最大值就是Pm了,該點所對應(yīng)的電壓和電流也就是最佳工作電壓Um,最佳工作電流Im 3,填充因子FF的計算 4,并聯(lián)電阻Rsh和串聯(lián)電阻Rs的近似解法 由太陽電池測試原理-模擬電路圖(等效電路圖)可知RL當(dāng)流入負(fù)載的電流為I,負(fù)載端壓為U時:SCOCmmSCOCmIUIUIUPFF)172.()() 1()(0shLSAKTIRUqLshDLRRRIeIIIIIISLIRU 太陽電池測試原理-參數(shù)的測量及計算 對于硅太陽電池，滿足：1) 1()(0LAKTIRUqLDIeIII1shsRR21 A)192(. 根據(jù)（2-19）很容易得到在U0時(2-

16、17)可以寫為:)202.(.1shSCshLshsshLshLRUIRUIRRRUIRIRUII 表明在U 0時,曲線具有較好的線性關(guān)系對(2-20)求微分,可以得到 ,即shURdUdI10)212.(.1SCIIOUshdIdUdUdIR 所以,測量出在U 0附近的I-V曲線的斜率,就可以得到Rsh的值了.太陽電池測試原理-參數(shù)的測量及計算 串聯(lián)電阻的解法同并聯(lián)電阻類似，考慮U UOC考的情況下，（2-17）的漸進(jìn)為： 化簡可得 對（2-20）求微分，可以得到 即 所以，測量出在U UOC附近的I-V曲線的斜率,就可以得到Rs的值了. 0)(0AKTIRUqIISLSSLRURqIAKT

17、II0sUURdUdIOC101IUUsdIdUdUdIROC太陽電池測試原理-參數(shù)的測量及計算 5,Rs的數(shù)值解法 上面的算法因為連續(xù)使用了兩次近似,計算結(jié)果會有較大的誤差,為了獲得更精確的結(jié)果可以采用數(shù)值解法. 考慮到太陽電池的雙指數(shù)模型,負(fù)載電流為:shLAKTIRUqAKTIRUqLRIRUeIeIIISS) 1() 1(2)(02)(01 6,太陽電池的計算 在太陽電池受到光照時,輸出電功率和入射光功率之比就稱為太陽電池的效率. 其中,At為太陽電池總面積(包括柵線圖形面積).考慮到柵線并不產(chǎn)生光電,所以可以把At換成有效面積Aa(也稱為活性面積),即扣除了o柵線圖形面積后的面積.同

18、時計算得到的轉(zhuǎn)換效率要高一些.為單位面積的入射光功率.實際測量時,取標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng):AM1.5條件,即25 o C下,=100mW/cm2.0)(dhcAUIFFPAUIFFPAUIPAPtOCSCintOCSCintmmintm0)(dhcPin太陽電池測試原理-參數(shù)的測量及計算0IUISCUOCRS=0SRS=50mSRS=200mS不同串連電阻得出的I-V測試結(jié)果：當(dāng)RS增大時，UOC基本不變，ISC明顯下降，F(xiàn)F明顯下降IRS太陽電池測試原理-參數(shù)的測量及計算ISCUOCI0URsh=0.2Rsh=2Rsh very largeU/Rsh不同并聯(lián)電阻得出的I-V測試結(jié)果：當(dāng)Rsh增大時，IS

19、C基本不變，UOC明顯下降，F(xiàn)F明顯下降太陽電池測試原理- 測量太陽電池的電性能可歸結(jié)為測量它的伏安特性曲線.由于伏安特性與測試條件有關(guān),必須在統(tǒng)一的規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下進(jìn)行測試,或?qū)y試結(jié)果換算到標(biāo)準(zhǔn)測試條件,才能鑒定太陽電池電性能的優(yōu)劣. 標(biāo)準(zhǔn)測試條件包括:標(biāo)準(zhǔn)太陽光(標(biāo)準(zhǔn)光譜和標(biāo)準(zhǔn)輻射照度)和標(biāo)準(zhǔn)測試溫度. 溫度可以人工控制,標(biāo)準(zhǔn)太陽光可以人工模擬.使用模擬太陽光,光譜取決于電光源的種類及慮光,反照系統(tǒng).輻射照度可以用標(biāo)準(zhǔn)太陽電池短路電流的標(biāo)定值來標(biāo)準(zhǔn).為了減少光譜失配誤差,模擬太陽光的光譜應(yīng)盡量接近標(biāo)準(zhǔn)太陽光光譜, 選用和被測電池光譜響應(yīng)基本相同的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池. 當(dāng)電池溫度升高時， U

20、OC會下降， ISC會上升，反向擊穿電壓變小太陽電池測試原理-測量儀表溫度監(jiān)控溫度監(jiān)控測試儀表可變負(fù)載電流測量線待測電池標(biāo)準(zhǔn)電池粗密電阻精密電阻電壓測量線測量探頭測量探頭注意：測量太陽電池的電壓和電流應(yīng)從被測件的端點單獨引出 電壓線和電流線 對定標(biāo)測試,標(biāo)準(zhǔn)測試溫度的允許誤差為1.對非定標(biāo)準(zhǔn)測試.標(biāo)準(zhǔn)測試溫度允許為2.測試儀器與裝置1,標(biāo)準(zhǔn)太陽電池 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池用于標(biāo)準(zhǔn)測試光源的輻射照度 對AM1.5工作標(biāo)準(zhǔn)太陽電池作定標(biāo)測試時,用AM1.5二級標(biāo)準(zhǔn)太陽電池標(biāo)準(zhǔn)輻射度. 在非定標(biāo)測試中,一般用AM1.5工作標(biāo)準(zhǔn)輻照度,要求時用AM1.5級標(biāo)準(zhǔn)太陽電池.對定標(biāo)測試,標(biāo)準(zhǔn)測試溫度的允許誤差為1.對

21、非定標(biāo)準(zhǔn)測試.標(biāo)準(zhǔn)測試溫度允許為2.2,電壓表(包括一切測量電壓裝置)電壓表的精度應(yīng)不低于0.5級. 電壓表內(nèi)阻應(yīng)小到能保證在測量短路電流時,被測電池兩端的電壓不超過開路電壓的3%.當(dāng)要求更精確時,在開路電壓的3%以內(nèi)可利用電壓和電流的線性關(guān)系來推算完全短路電流.3,取樣電阻 取樣電阻的精確度應(yīng)不低于2%,必須采用四端精密電阻. 電池短路電流和取樣電阻值的乘積應(yīng)不超過電池開路電壓的3%.4,負(fù)載電阻 負(fù)載電阻應(yīng)能從0平滑地調(diào)節(jié)到10K以上.必須有足夠的功率容量以保證在通電測量時不會因發(fā)熱而影響測量精度.當(dāng)可變電阻不能滿足上述條件時,應(yīng)采用等效的電子可變負(fù)載.5,函數(shù)記錄儀 函數(shù)記錄儀用于記錄太

22、陽電池的伏安特性曲線,函數(shù)記錄儀的精密度應(yīng)不低于0.5級,對函數(shù)記錄儀內(nèi)阻的要求和對電壓表的內(nèi)阻的要求相同.6,溫度計 溫度計或測溫系統(tǒng)的儀器誤差不超過0.5.測量系統(tǒng)的時間響應(yīng)不超過1秒.測量探頭的體積和形狀應(yīng)保證它能盡量靠近太陽電池的pn結(jié)安裝. 1,硅材料 單晶硅棒用切片機(jī)切割成片時,因機(jī)械切割使硅片表面受到損傷的區(qū)域可以分為四部分,即表面粗糙區(qū),碎裂區(qū),位錯網(wǎng)絡(luò)區(qū)和彈性應(yīng)變區(qū).對高精度切片機(jī)損傷區(qū)的總厚度約為1020 m,這些表面損傷區(qū)若不去除掉,將在高溫擴(kuò)散時產(chǎn)生大量表面復(fù)合i中心,增加表面復(fù)合幾率.減少擴(kuò)散區(qū)域少子壽命,從而降低太陽電池效率.制造太陽電池時,去除表面損傷層,可通過制

23、絨面減薄硅片實現(xiàn). 2, Rsh與刻蝕的關(guān)系 基片周邊因擴(kuò)散形成pn結(jié),若去除不盡,將造成電池短路. 等離子刻蝕: CF4C+4F* Si +4F* Si iF4*射頻電場3,Rsh與絨面擴(kuò)散層是否損壞的關(guān)系 電池表面用腐蝕法制成的絨面,對入射光有強(qiáng)的減反射性能.但是擴(kuò)散后的硅片在各道操作工序中必須精心,稍有不注意就會把表面的金字塔體的尖損壞,將P型基地暴露出來,如果又適逢在損傷處被金屬電極覆蓋,便會造成短路. 正電極的遮光面積占總受光面積的810%.4,與正電極燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間的關(guān)系 帶速快,加熱時間短, Rs會增加,特性惡化. 低溫低帶速燒結(jié)電極, Rs大, Rsh無改善,I-V特性差5

24、, Rsh與銀漿的關(guān)系: 銀漿系由銀粉,玻璃料和有機(jī)載體組成的銀漿,銀粉的純度99.99%,粒度1m,含銀量75%，含銻1%，呈鱗片或球狀。銀粉經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),銻擴(kuò)散到硅片中形成高摻雜n+層,，使銀硅有好的歐姆接觸. 玻璃料的主要作用是使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬銀牢固地粘附在硅片上,增加電極牢固度.有機(jī)載體由松油醇,丁基卡必醇醋酸脂等有機(jī)溶劑和增稠劑組成.松油醇是粘稠液體,能溶解乙基纖維素,增稠劑的作用是增加漿料的粘稠度和塑性,在一定的溫度下能形成膜,300以上能完全燃燒揮發(fā)掉,且不留灰粉. 銀漿中的銀和玻璃料均勻分布在有機(jī)載體中組成的分散體系,屬含有懸浮物和彌散物液體的非牛頓液體,其粘度屬于反常粘度 F/S是作用于液體上的切變力. 是液體的切應(yīng)變的變化率,它不僅隨溫度而變化,而且也隨著受到的機(jī)械力而變化.厚膜漿料通常是具有觸變性的塑流型或假塑型流體.觸變性是指流體受到外力作用時.粘度迅速下降,外力消失后,粘度迅速恢復(fù)原狀的性質(zhì). 粘度越高, UOC越高, Rsh越高, ISC越高, RS越低,FF越高,越高.1/dydvSFdydv討論和結(jié)論 漿料中的銀粉和玻璃料(由PbO,B 2 O3,SiO 2,SiO 2,CdO,Bi 2 O3等組成)含量高,它們由分子,分子團(tuán)和原子團(tuán)構(gòu)成.當(dāng)粘度高,印刷膜