第二节太阳电池参数第 节太阳电池参数
• 太阳电池IV曲线
太阳电池IV曲线是在二极管暗IV曲线的基础上加
上光生电流 光照会将 极管的暗 曲线平移至上光生电流。光照会将二极管的暗IV曲线平移至
第四象限,这样二极管就能输出电能。因而表征
电池IV曲线的方程为:
IL为光生电流。见动画1L为光 流 见动
方程等价于
代入数值计算
• 短路电流
短路电流指太阳电池两端电压为0时,其中流过的电
流 通常表示为I 短路电流如下图所示流。通常表示为ISC,短路电流如下图所示:
短路电流取决与光生载流子的产生和收集。对于一个
理想的(电阻损失很低的)太阳电池而言,短路电流和
光生电流相同 因此因此短路电流是能从太阳电池中光生电流相同。因此因此短路电流是能从太阳电池中
获得的最大电流。
• 短路电流取决于如下因素:
1. 电池的面积。为了消除电池面积的影响,通常列出短
路电流密度 而不是短路电流路电流密度,而不是短路电流。
2. 光子数量(入射光源的强度)。电池的短路电流直接取
决于入射光的强度。
3 入射光光谱 对大多数电池测试而言 光谱都是根据3. 入射光光谱。对大多数电池测试而言,光谱都是根据
AM1.5光谱校准的。
4. 电池的光学性质(光吸收和反射)。
太阳电池的收集几率 主要决定于基区的少子寿命和5. 太阳电池的收集几率。主要决定于基区的少子寿命和
表面钝化。
• 当比较同种类型材料的电池时,最关键的材料参数是
扩散长度和表面钝化 在 个具有完全钝化的表面且扩散长度和表面钝化。在一个具有完全钝化的表面且
均匀的产生率的电池中,短路电流的公式大致如下:
G为产生率 L 和 L 分别指电子和空穴的扩散长度 尽G为产生率,Ln和 Lp分别指电子和空穴的扩散长度。尽
管此方程做了一些不符合大多电池条件的假设,但上
述方程确实能指出短路电流强烈取决于产生率和扩散
长度。长度。
AM1.5光谱下太阳电池的理论最大可能电流密度为
/ 实验室测出的最大短路电流已超出46mA/cm2。实验室测出的最大短路电流已超出
42mA/cm2,商业电池短路电流密度范围在31‐
37mA/cm2之间。
• 开路电压
开路电压Voc指光照时电池中电流为0时,太
阳电池两端的电压 Voc对应于由于光生电流阳电池两端的电压。Voc对应于由于光生电流
存在而在太阳电池结区产生的偏压。开路电压
见如下IV曲线图。
• Voc的公式如下:
代入数值计算
上述公式表明Voc决定与电池的饱和电流以及
光生电流。由于光生电流变化较小,关键影响光生电流。由于光生电流变化较小,关键影响
是饱和电流,饱和电流可能会相差几个数量
级 饱和电流I 取决于太阳能电池中的复合级。饱和电流I0取决于太阳能电池中的复合。
开路电压Voc用来量度器件中的复合。实验室
中的硅太阳电池的开路电压在一个太阳及
AM1 5的光谱下可以达到720mV 而商业电池AM1.5的光谱下可以达到720mV,而商业电池
通常低于630mV。
• 填充因子FF
短路电流和开路电压分别对应与电池最大电流和最大
电压。然而,在这两个工作点,电池的输出功率都为0. 然 在 两个 作点 输 功率都为
填充因子FF结合Voc和Isc决定了太阳电池的最大输出功
率。填充因子定义为电池的最大功率与Voc和Isc乘积的率。填充因子定义为电池的最大功率与Voc和Isc乘积的
比值。FF用来量度太阳电池IV曲线的方形程度,也就是
可以从IV曲线图上取到的最大矩形面积可以从IV曲线图上取到的最大矩形面积。
• 由于FF是量度IV曲线方形程度的,因而电池的
开压越高,IV曲线圆形部分所占的面积约小,
FF就越大。理论上太阳电池FF的最大值出现在FF就越大。理论上太阳电池FF的最大值出现在
电池输出功率对电压求导等于0的点: d(IV)/dV
O= O
然而,上述方程不能得出一个简单的闭合形式
方程 只能给出Voc和Vmp的关系 求不出Imp方程,只能给出Voc和Vmp的关系,求不出Imp
和FF。一个更常见的表示FF的经验公式如下:
代入数值计算
其中voc指的是归一化的Voc,
• 以上方程表明开路电压越高,FF可能约大。然而给定材料
后 电池V 发生大幅度变化是不常见的 例如 个太后,电池Voc发生大幅度变化是不常见的。例如,一个太
阳下,典型商业电池和实验室最大Voc电池Voc相差约
120mV 给出的FF最大值FF0分别为0 83和0 85 然而用不同120mV,给出的FF最大值FF0分别为0.83和0.85. 然而用不同
材料做成的太阳电池,FF0变化非常大,例如GaAs太阳电
池FF0可达0 89池FF0可达0.89.
• 上述方程也表明理想因子n的重要性。理想因子是用来量
度PN结质量以及电池中的复合类型 对于简单的复合机
制度
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PN结质量以及电池中的复合类型。对于简单的复合机制,
n因子等于1. 然而,一些复合机制,尤其如果复合率很大,
可能会引入n等于2的复合机制 高的n值不仅降低FF 而可能会引入n等于2的复合机制。高的n值不仅降低FF,而
且由于它常和高复合联系在一起,这样也会降低Voc。
• 上述方程主要局限性在于它只给出了最大可能的FF 由于• 上述方程主要局限性在于它只给出了最大可能的FF,由于
寄生电阻的存在,实际的FF会低一些。因此,FF通常由IV
曲线决定:曲线决定:
代入数值计算
• 转换效率Eff
转换效率通常作为比较电池性能的常用参数。
转换效率定义为电池的输出电能和入射阳光能转换效率定义为电池的输出电能和入射阳光能
量的比值。转换效率除了反映电池自身性能外,
还和入射光强度,光谱以及电池的温度有关。
因此为了测试的可信度及可比性 一定要严格因此为了测试的可信度及可比性, 定要严格
控制测试条件。地面太阳电池通常在25 °C下,
采用 光谱条件采用AM1.5光谱条件。
代入数值计算代入数值计算