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电性能参数分析
常规晶体硅太阳电池结构及工作原理:
太阳电池是一种能够直接将太阳辐射能转化为电能的电子器件。对
P
< br>型(空穴型)或
n
(电子型)型
硅衬底进行相反类型的源掺杂,
形成
n+
或
p+
型发射区,经电子扩散之后形成内建电场,
可将光照条件下产
生的光生载流子进行分离。
太阳电池理想
I-V
特性方程,即工作状态电流
-
电压关系式,如
(1-1)
式
I=Iph-I
0
[
exp(qv/n
kT)-1
]
(1-1)
其中,
q
为电子电量
(1.6*10
库仑
)
,
k
为
玻尔兹曼常数,
T
为绝对温度
(K)<
/p>
,
I
0
为二极管
饱和电流,
Iph
为光生电流,
n
p>
为二极管理想因子。一般晶体硅太阳电池
I-V
曲线如图所示,纵坐标表示电流,最大值
为短路电流
Isc
,横坐标表示电压,最大值为开路电压
Voc
< br>。玻尔兹曼常量系热力学的一个基本常量,
记为“K”,数值为:K=1.380
6505×
10
-
23
-19
J/K
,玻尔兹曼常
量可以推导得到,理想气体常数
R
等于
-1
-1
玻尔兹曼常数乘以阿伏伽德罗常数。R=8.314J
·mol
·K
阿伏伽德罗常数
6.02×10
23
短路电流(
Isc
)
:
当太阳电池的输出电压为零时,即外接电路短路时,流经太阳电池体内的电流为短路电流
Isc
,对于
理想太阳电池,短路电流就等于光生电流
p>
Iph
,所以短路电流的大小和以下几个因素相关联:
(1)
太阳电池的面积。通常在分析时利用短路电
流密度概念
Jsc
,即单位面积上流过的电流,单位为
A
/
cm
2
(
I = nqsv
其中:
n
:表示单位体积内的自由电荷数
q
:电子的电量
s
:为导体横截面积
v
:为
自由电子定向移动的速率。)。
(2)
光照强度以及光谱分布。
p>
(3)
太阳电池的减反射、陷光效果和前表面栅线的遮挡面积。
p>
(4)
电子收集效率。这主要取决于表面
钝化效果以及少子寿命。如在非常好的表面钝化和一致的电子
-
空穴
对产生率条件下,短路电流密度为:
Jsc=qG(Ln+
Lp)
其中
G
为电子
-
空穴产生率,
Ln
、
Lp
分别为电子和空
穴扩散长度。
开路电压(
Voc
)<
/p>
:
当太阳电池外接电路开路时
,
可得到太阳电池的有效最大电压,即开路电压
Voc
。在开路状态下,流
经太阳电池的净电流为零。
在方程
(1-1)
中,
令
I=0
,
可得到:
< br>Voc=
(
nkT/q)ln(Iph/I
0
+1)
。
,
从中可以看出,
Voc
的大小与以下因素相关:
p>
本文详见:
/
1
p>
(1)
从光生电流
Iph
< br>可以看出,
Iph
的改变量有限,其对
Voc
的大小影响也较小。
(2)
反向饱和电流
I
0
。在太阳电池中,
I
0
的变
化通常可达几个数量级,所以它对
Voc
的影响非常大。而
p>
I
0
决定于太阳电池的各种复合机制,所以
通常
Voc
的大小可以用来检测太阳电池的复合大小。
反向饱和电流:
二极管中:如果给它
加反向电压,当反向电压在某一个范围内变化时,反向电流(即此时通
过二极管的电流)
基本不变,这个电流就叫反向饱和电流.其他器件中也有类似的情况.
其根本
在于
p-n
结的单向导
电性。反向电流是由少数载流子的漂移运动形成的,同时少数载流子是由本
征激发产生的
,当二极管制成后,其数值决定于温度,而几乎与外加电压无关。在一定温度
T
下,
由于热激发而产生的少数载流子的数量是一定的,电流的值趋于恒定
,这时的电流就是反向饱和
电流。
填
充因子(
FF
)
:
Voc
和
Isc
是太阳电池所能达到的最大电压和电流值,但是,从
I-V
特性曲线上可以看出,此时的输
出功率为零。填充因子表示最大功率点处功率与
p>
Voc*Isc
的比值。高的
Voc
可得到高的填充因子。
一般计算
FF
可用经验公式:
FF=[
< br>v
oc
—
ln(
v
oc+0.72)]/(
v
oc+1)
V
oc=Voc q/(nkT)
转化效率(
Eta
)
:
太阳电池转换效率
Eta
是表示单位面积上将辐照能量转换为多少电能的量。通常定义为
:
Eta=Pmp/Pin=VocIscFF/Pin
Pin
表示入射光功率
转换效率越高,
表示在单位面积上单位辐照强度下能产生更多的电能。
其大小与
Voc
、
I
sc
、
FF
息息相关。
晶体硅太阳能电池性能影响因素:
特征电阻
Rch
:
特征电阻表示在最大功率点条件下
太阳电池的负载电阻。当负载电阻等于特征电阻时,太阳能电池的
最大功率加载到负载上
,同时电池也运行在最大功率条件下。
Rch=Vmp/Imp
可近似表示为
Rch=Voc/Isc
所以一般电流电压关系可表示为
I=V/Rch
串联电阻
(Rs)
< br>和并联电阻
(Rsh)
:
p>
太阳电池的自身电阻的存在消耗了太阳电池的功率,
降低填充因子和
转换效率,
通常指串联电阻和并
联电阻,如图
< br>1-5
所示。由于电阻的值与面积密切相关,通常在分析时采用“归一化电阻”概
念,其单位
为
Ω
cm2
,根据欧姆定律,将
I
值以
J
值替代,得到:
R(
Ω
cm2)=V
/
J
本文详见:
/
2
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