太阳能电池的等效电路和转化效率理论上限.pptVIP

三、太阳能电池的等效电路等效电路是描述太阳能电池的最一般方法。理想pn结太阳能电池的等效电路理想pn结太阳能电池可以用一恒定电流源Iph（光生电流）及一理想二极管的并联来表示。其等效电路如左图所示。其电流电压关系满足我们上一节所介绍的方程。。I=IF-IL=Is[exp(qV/kT)-1]-IL2、pn结太阳能电池的实际等效电路实际上，pn结太阳能电池存在着Rs和Rsh的影响。其中，Rs是由材料体电阻、薄层电阻、电极接触电阻及电极本身传导电流的电阻所构成的总串联电阻。Rsh是在pn结形成的不完全的部分所导致的漏电流，称为旁路电阻或漏电电阻。这样构成的等效电路如右图所示。I=IL-Is[exp(qV/kT)-1]-V/Rsh下面我们来分析一下串联电阻Rs和漏电电阻Rsh对光电池效率的影响。根据图示的电路，对同一个太阳能电池，当入射光强度较弱时，IL较小，二极管电流和漏电流大小相差不多，此时，Rsh的影响较大。漏电电阻对光电池输出特性的影响可用右图表示。可以看出，漏电电阻Rsh对光电流的影响较小，而对开路电压的影响较大。入射光功率一定（100mW/cm2)，并假设Voc=0.51V，Jsc=30mA/cm2，Rs=0。当光照较强时，二极管电流远大于漏电电流，此时，Rsh对光电池的影响较小，而相反的，Rs的影响就变大起来。右图给出了Rs对光电池输出特性的影响。可以看出光电池的输出特性随着Rs有着较大的变化，并且Rs对开路电压的影响几乎没有，但对短路电流却有很大的影响。I=IL-Is{exp[q(V+RsI)/kT]-1}入射光功率一定（100mW/cm2)，并假设Voc=0.51V，Jsc=30mA/cm2，Rsh=?。四、太阳能电池转换效率的理论上限1、太阳能电池的理论效率太阳能电池的理论效率由下式决定：?=Voc?Isc?FFPin?S当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定以后，其值就取决于开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大值。下面我们就来分别考虑开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大值。我们假设在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳能电池没有贡献，其中长波限满足：?max=1.24(?m)/Eg(eV)而其余部分的光子，因其能量h?大于材料的禁带宽度Eg，被材料吸收而激发电子-空穴对。假设其量子产额为1，而且被激发出的光生少子在最理想的情况下，百分之百地被收集起来。在上述理想的假设下，最大短路电流值显然仅与材料带隙Eg有关，其计算结果如图所示。短路电流Isc的考虑：在AMO和AM1.5光照射下的最大短路电流值。开路电压Voc的考虑：开路电压Voc的最大值，在理想情况下有下式决定：Voc=kTqln(ILIs+1)式中IL是光生电流，在理想情况即为上图所对应的最大短路电流。Is是二极管反向饱和电流，其满足：Is=Aq(Dn/LnNA+Dp/LpND)ni2ni2=NcNvexp(-Eg/kT)显然，Is取决于Eg、Ln、Lp、NA、ND和绝对温度T的大小，同时也与光电池结构有关。为了提高Voc，常常采用Eg大，少子寿命长及低电阻率（例如对硅单晶片选用0.2欧姆厘米）的材料，代入合适的半导体参数的数值，给出硅的最大Voc值约700mV左右。填充因子FF的考虑：在理想情况下，填充因子FF仅是开路电压Voc的函数，可用以下经验公式表示：FF=Uoc-ln(Uoc+0.72)Uoc+1Uoc=Voc(kT/q)1/2这样，当开路电压Voc的最大值确定后，就可计算得到FF的最大值。综合上述结果，可得到作为带隙Eg的函数的最大转换效率，其结果示于下图中。影响太阳能电池转换效率的一些因素我们前面介绍了太阳能电池转换效率的理论值，这些理论值都是在理想情况下得到的。而太阳能电池在光电能量转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比上述的理论极限效率低。下面以pn结硅电池为例，介绍一些影响太阳能电池转换效率的因素。12光生电流的光学损失：太阳能电池的效率损失中，有三种是属于光学损失，其主要影响是降低了光生电流值。反射损失：从空气（或真空）垂直入射到半导体材料的光的反射。以硅为例，在感兴趣的太阳光谱中，超过30%的光能被裸露的硅表面发射掉了。栅指电极遮光损失c：定义为栅指电极遮光面积在太阳能总面积中所占的百分比（见下图）。对一般电池来说，c约为4%-15%。