太阳能电池培训手册
AM=
b
secZ (2.41) b0
式中：
b0——标准大气压 b——测定时的大气压 Z——太阳天顶距离
一般情况下，b ≈ b0，例如，AM1相当于太阳在天顶位置时的情况，AM2相当于太阳高度角为30°时的情况，AM0则表示在宇宙空间中的分布
在实际的半导体表面的反射率与入射光的波长有关，一般为30～50％。为防止表面的反射，在半导体表面制备折射率介于半导体和空气折射率之间的透明薄膜层。这个薄膜层称为减反射膜（Antireflective coating）。
设半导体、减反射膜、空气的折射率分别为n2、n1、n0，减反射膜厚度为d1，则反射率R为
r12+r22+2r1r2cos2θR= (2.42)
1+r12r22+2r1r2cos2θ式中： r1=(n0 - n1)/(n0 + n1) r2=(n1 - n2)/(n1 + n2) θ=2πn1d1/λ λ－波长
显然，减反射膜的厚度d1为1/4波长时，R为最小。即
1λ'
d1= 时
4n1
Rmin
?(n12?n0n2)?'
(λ＝λ） (2.43) =?2
??(n1+n0n2)?
2
一般在太阳光谱的峰值波长处，使得R变为最小，以此来决定d1的值。
以硅电池为例，因为在可见光至红外光范围内，硅的折射率为n2 = 3.4～4.0，使式（2.43）为零，则n1的值（n1n0n2， n0＝1）为1.8≤ n1≤2.0。设λ=4800埃，则600埃≤d1≤667
'
埃，满足这些条件的材料一般可采用一氧化硅，在中心波长处，反射率达到1%左右。由于制备了减反射膜，短路电流可以增加30～40%。此外，采用的减反射膜SiO2（n1≈1.5）、Al2O3(n1≈1.9)、Sb2O3（n1≈1.9）、TiO2、Ta2O5（n1≈2.25）。将具有不同折射率的氧化膜重叠二层，在满足一定的条件下，就可以在更宽的的波长范围内减少折射率。此外也可以将表面加工成棱锥体状的方法，来防止表面反射。
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1.3.2开路电压
当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大小产生电动势，这就是开路电压。在式（2.39）中，设I=0（开路），Iph＝ISC，则
Voc=
nkT
ln[(IscI0)+1] (2.44) q
在可以忽略串联、并联电阻的影响时，ISC为与入射光强度成正比的值，在很弱的阳光下，ISC< Voc= nkT ， qI0 nkTIL =ILR0 (2.45) qI0 其中 R0= 在很强的阳光下，ISC>>I0， Voc= nkTIsc ln (2.46) qI0 由此可见，在较弱阳光时，硅太阳电池的开路电压随光的强度作近似直线的变化。而当有较 强的阳光时，VOC则与入射光的强度的对数成正比。图2.15表示具有代表性的硅和GaAs太 阳电池的ISC与Voc之间的关系。Si与GaAs比较，因GaAs的禁带宽度宽，故I0值比Si的小几个数量级，GaAs的VOC值比Si的高0.45伏左右。假如结形成的很好，禁带宽度愈宽的半导体，VOC也愈大。 图2.15 开路电压与短路电流的关系 1.3.3太阳电池的输出特性 1.3.3.1等效电路 为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一等效电路来模拟。在恒定光照下，一个处于工作状态的太阳电池，其光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可把它看 __________________________________________________________________ 17 太阳能电池培训手册 作是恒流源。光电流一部分流经负载RL，在负载两端建立起端电压V，反过来它又正向偏置于p—n结二极管，引起一股与光电流方向相反的暗电流Ibk，这样，一个理想的PN同质结太阳电池的等效电路就被绘制成如图2.16(a)所示。但是，由于前面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。流经负载的电流，经过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示。由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻RSh来等效。其等效电路就绘制成上图2.16（b）的形式。其中暗电流等于总面积AT与Jbk乘积，而光电流IL为电池的有效受光面积AE与JL的乘积，这时的结电压不等于负载的端电压，由图可见 Vj=IRS+V (2.47) 图2.16 pn同质结太阳电池等效电路 （a）不考虑串并联电阻 （b）考虑串并联电阻 1.3.3.2输出特性 根据上图就可以写出输出电流I和输出电压V之间的关系 I= RShRS+RSh ??V II(V)??bk? (2.48) ?LR Sh?? 其中暗电流Ibk应为结电压Vj的函数，而Vj又是通过式（2.47）与 输出电压V相联系的。 当负载RL从0变化到无穷大时，输出电压V则从0变到VOC，同时输出电流便从ISC变到0，由此得到电池的输出特性曲线，如图2.17所示。曲线上任何一点都可以作为工作点, 工作点所对应的纵横坐标，即为工作电流和工作电压,其乘积 P=IV __________________________________________________________________ 18 太阳能电池培训手册 为电池的输出功率 图2.17 太阳电池的输出特性 1.3.4转换效率 转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻R时，得到的最大能量转换效率，其定义为 η= PmaxImpVmp = PinPin 即电池的最大功率输出与入射功率之比， 这里我们定义一个填充因子FF为 FF= ImpVmpVocIsc = Pm (2.49) VocIsc 填充因子正好是I-V曲线下最大长方形面积与乘积Voc×Isc之比，所以转换效率可表示为 η= FFVocIsc (2.50) Pin 1.3.5太阳电池的光谱响应 太阳电池的光谱响应是指光电流与入射光波长的关系，设单位时间波长为λ的光入身到单位面积的光子数为Φ0（λ），表面反射系数为ρ（λ），产生的光电流为JL，则光谱响应SR（λ）定义为 SR(λ)= JL(λ) (2.51) qΦ0(λ)[1?ρ(λ)]其中JL＝JL|顶层＋JL|势垒＋JL|基区。 理想吸收材料的光谱响应应该是：当光子能量hν 1.3.6太阳电池的温度效应 载流子的扩散系数随温度的增高而增大，所以少数载流子的扩散长度也随温度的升高 __________________________________________________________________ 19 太阳能电池培训手册 稍有增大，因此，光生电流JL也随温度的升高有所增加。但是J0随温度的升高是指数增大，因而VOC随温度的升高急剧下降。当温度升高时，I—V曲线形状改变，填充因子下降，所以转换效率随温度的增加而降低。 1.3.7太阳电池的辐照效应 作为人造卫星和宇宙飞船的电源，太阳电池已获得了广泛的应用。但是在外层空间存在着高能粒子，如电子、质子、γ粒子等。高能粒子辐照时通过与晶格原子的碰撞，将能量传给晶格，当传递的能量大于某一阈值时，便使晶格原子发生位移，产生晶格缺陷，如填隙原子、空位、缺陷簇、空位一杂质复合体等。这些缺陷将起复合中心的作用，从而降低少子寿命。大量研究工作表明，寿命参数对辐照缺陷最为灵敏，也正因为辐照影响了寿命值，从而使太阳电池性能下降。 1.4影响太阳电池转换效率的因素 一、 禁带亮度 VOC随Eg的增大而增大，但另一方面，JSC随Eg的增大而减小。结果是可期望在某一个确定的Eg随处出现太阳电池效率的峰值。 二、温度 随温度的增加，效率η下降。ISC对温度T很敏感，温度还对VOC起主要作用。 对于Si，温度每增加1°C，VOC下降室温值的0.4%，η也因而降低约同样的百分数。例如，一个硅电池在20°C时的效率为20%，当温度升到120°C时，效率仅为12％。又如GaAs电池，温度每升高1°C，VOC降低1.7mv 或降低0.2%。 三、复合寿命 希望载流子的复合寿命越长越好，这主要是因为这样做ISC大。在间接带隙半导体材料如Si中，离结100μm处也产生相当多的载流子，所以希望它们的寿命能大于1μs。在直接带隙材料，如GaAs或Gu2S中，只要10ns的复合寿命就已足够长了。长寿命也会减小暗电流并增大VOC。 达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中，要避免形成复合中心。在加工过程中，适当而且经常进行工艺处理，可以使复合中心移走，因而延长寿命。 四、光强 将太阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。设想光强被浓缩了X倍，单位电池面积的输入功率和JSC都将增加X倍，同时VOC也随着增加(kT/q)lnX倍。因而输出功率的增加将大大超过X倍，而且聚光的结果也使转换效率提高了。 __________________________________________________________________ 20
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