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作业： 当电池温度为300K时，面积为100cm2的硅太阳能电池在100mW/cm2光照下，开路电压为600mV，短路电流为3.3A。假设电池工作在理想状况下，问在最大功率点它的能量转换效率是多少？ 解： 第5章 效率的极限、损失和测量 AM0 理想条件下，入射到电池表面能量大于材料禁带宽度的每个光子，会产生一个流过外电路的电子。 因此，ISC的最大值可以通过求光子能量分布的积分得出，积分从短波长进行到刚能在给定半导体中产生电子-空穴对的最长波长的关系为E(ev)=1.24/λ(um)。 5.1 短路电流 硅的禁带宽度约为1.1eV，因此，相应的波长λ是1.13um 0 0.5 1.0 1.5 AM0 AM1.5 2.0 2.5 10 20 30 40 50 60 半导体禁带宽度eV 短路电流上线mA/cm2 禁带宽度减小时，短路电流密度增加。 5.2 开路电压和效率 为了得到最大的 ，I0 必须尽可能小。 太阳电池的开路电压与电池面积大小无关，通常单晶硅太阳电池的开路电压约为450-600mV，最高可达700mV 。 存在一个最佳半导体禁带宽度，可使效率达到最高。 黑体极限AM0 AM1.5 AM0 T=300k 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 5 10 15 20 25 30 35 Si CU2S GaAs CdS 半导体禁带宽度eV 效率% 在禁带宽度1.4～1.6eV范围内，出现峰值效率，当大气光学质量从0增加到1.5时，峰值效率从26%增加29%。 数值较低 1. 电池吸收一个光子，无论光子能量多大，都只能产生一个电子—空穴对。即使光子能量比禁带宽度大很多，产生的电子和空穴也只隔一个禁带宽度。 峰值效率较低的原因： 2. 产生的载流子被相当于禁带宽度的电势差所分离，p-n结电池所能得到的输出电压仅是这一电势差的一部分。（如硅，这部分的最大值是0.7/1.1≈60%） 导带 价带 hv≥Eg 5.3 温度的影响 1 短路电流：短路电流随温度上升略有增加。由于半导体禁带宽度随温度上升而减小，使得光吸收随之增加。 2 开路电压和填充因子：随温度上升而减小。 随温度升高VOC近似线性减小。代入硅太阳能电池有关数值（Vg0～1.2V，VOC～0.6V，γ～3，T=300K），得到 温度每升高1℃，硅太阳能电池的VOC将下降0.4%。 VOC的变化导致输出功率和效率随温度的升高而下降。硅太阳电池的温度每升高1℃，输出功率将减少0.4%～0.5%。对禁带宽度较宽的材料，这种温度依存性会降低。 例如GaAs太阳能电池对温度变化的灵敏度仅为硅太阳能电池的一半。 5.4 效率损失 一 短路电流的损失 1.裸露的硅表面反射很大，减反射膜使此反射损失减少到约为10%。 2.电池受光照一侧的栅线，会遮掉5%～15%的入射光。 3.若电池厚度不够，进入电池的一部分具有合适能量的光线将从电池背面直接穿出去。 栅线 减反膜 n型掺杂层 p型衬底 背电极 太阳光 0.1 1 2 5 10 100 1000 0 50 100 GaAs Si AM0 最大电流/% 半导体厚度/um 电池厚度对理想太阳能电池所产生的最大短路电流的百分比的影响 其他原因： 半导体体内及表面的复合。只有在p-n结附近产生的电子-空穴对才会ISC作出贡献。在距离结太远处产生的载流子，在它们从产生点移动到器件的电极之前，很有可能已经复合了。 半导体中的复合率越低，Voc越高 二 开路电压的损失 决定开路电压Voc大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短， Voc也就越低。体复合和表面复合都是重要的。 在p-Si衬底中，影响非平衡少子总复合率的三种复合机理是：复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合。总复合率主要取决三种复合中复合率最大的一个。例如：对于高质量的硅单晶，当掺杂浓度高于1017cm-3时，则俄歇复合产生影响，使少子寿命降低。 通常，电池表面还存在表面复合，表面复合也会降低Voc值。 三 填充因子损失 太阳能电池存在寄生的串联电阻和分流电阻。 I RS RSH V 串联电阻RS主要来源：制造电池的半导体材料的体电阻、电极和互联金属的电阻，电极和半导体之间的接触电阻。 并联电阻RSH主要来源：p-n结漏电，包括绕过电池边缘的漏电及由于结区存在晶体缺陷和外来杂质的沉淀物所引起的内部漏电。 输出电流 ISC VOC 大RS 中等RS RS=0 RSH→∞ 中等RSH 小RSH 输出电压 输出电流 ISC VOC 输出电压 △V △I 这两种寄生电阻都会减小填充因子，很高的RS和很低的RSH值会分别导致ISC和VOC降低。 寄生电阻对太阳能电池输出特性的影响 太阳能电池特征电阻RCH 与RCH相