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光伏发电系统及应用技术 岳之浩 yuezhihao@ncu.edu.cn 第四章 太阳能电池特性和设计 4.1 效率 单晶硅太阳电池 实验室：25.6%，HIT+IBC结构，简称HBC太阳电池。 工业生产：21%，常规扩散p-n结构。 第四章 太阳能电池特性和设计 光伏系统发电成本： ACCt：第t年中所花费的资本 OMt：在第t年中运行和维护的总费用 FUELt：第t年中所花费的燃料费用 Et：在第t年中所生产的能量 r：贴现率 提高效率和降低硅片成本是全面降低光伏成本的关键 第四章 太阳能电池特性和设计 4.2 光学损失 光学损失和复合损失会使电池输出低于理想值。 第四章 太阳能电池特性和设计 减少光学损失的方法： （1）减小正电极面积，减少遮光，增加有效进光面积。 （2）增加正面减反射膜，减反射公式如下： d = λ / 4n d为减反射膜厚度， λ为减反射波长，一般取600nm n为减反射膜折射率 这层膜通过干涉作用，理论上将从膜 的上表面反射的光和从膜与半导体界面处 反射回来的光相互抵消，其两者的相位相 差180°。 第四章 太阳能电池特性和设计 为了将反射进一步最小化，可以将减反射膜的折射率设计为膜两边 材料（玻璃和半导体，或空气和半导体）的几何平均值： n1 = √ n0 n2 在这种条件下表面反射可以减小到零。 第四章 太阳能电池特性和设计 （3）表面制绒：增加半导体对光的吸收次数。 单晶硅金字塔绒面是代表性的绒面，所有面均为（111）面。 第四章 太阳能电池特性和设计 （4）电池背反射层 第四章 太阳能电池特性和设计 背电场（BSF, Back Surface Field），降低背表面的复合速率 第四章 太阳能电池特性和设计 4.3 复合损失 太阳电池的效率也会因为电子空穴对在被有效利用前复合而降低。 第四章 太阳能电池特性和设计 复合能够通过以下几种机理发生： （1）辐射复合：吸收的反过程。电子从高能态返回到较低能态，同时释放光能。这种复合方式在半导体激光器和发光二极管中适用，但是对硅太阳电池来说并不显著。 （2）俄歇复合：“碰撞电离”的反过程。电子和空穴复合释放出多余的能量，这些多余的能量被另一个电子吸收，随后，这个吸收了多余能量的电子弛豫返回原先的能态并释放声子。俄歇复合在掺杂较重的材料中尤其显著。当杂质浓度超过1017cm-3时，俄歇复合成为最主要的复合过程。 （3）通过陷阱复合：当半导体中的杂质或表面的界面陷阱在禁带间隙中产生允许的能级时，这个复合就能发生。电子分两个阶段完成与空穴复合。首先电子跃迁到缺陷能级，然后再跃迁到价带。 第四章 太阳能电池特性和设计 在实际电池中，以上复 合损失的共同作用造成图4-9 类似的光谱响应。 第四章 太阳能电池特性和设计 4.4 顶电极设计 顶电极包括主栅线和副栅线 主栅线：与外部焊带相连 副栅线：收集电流传输给主栅线 单晶硅电池 多晶硅电池 第四章 太阳能电池特性和设计 第四章 太阳能电池特性和设计 4.4.1 体电阻率和方块电阻 电池中的电流一般从电池的内部垂直地流向电池的表面，然后横向 地通过顶部掺杂层，最后在顶层表面的接触被收集，如下图所示。 第四章 太阳能电池特性和设计 电池体电阻的定义为： Rb = ρl / A = ρbw / A l: 传导路径的长度 ρb：体电池材料的体电阻率（硅片典型值为0.5-5Ωcm） A: 电池面积 w: 电池体区域的宽度 第四章 太阳能电池特性和设计 对于顶层的发射极层，方块电阻（薄层电阻）的定义为： ρ□ = ρ / t ρ : 该层的电阻率 t: 该层的厚度 四探针测试方块电阻： ρ□ = (π/ln2)(V/I) Ω/□ 现在晶硅太阳电池的方块电阻一般为 90Ω/□左右。 第四章 太阳能电池特性和设计 4.4.2 栅线间隔 方块电阻决定了顶电极栅线之间的理想间隔 P产生 = VmpJmpbs / 2 P损失/P产生 = ρ□s2Jmp/12Vmp 第四章 太阳能电池特性和设计 4.4.3 其他损失 除了横向电流损失，主栅线和副栅线也是导致多