太陽能電池效率的影響因素分析

郝華麗++劉文富

摘 要： 太陽能電池作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心單元，其能量轉(zhuǎn)換效率和成本的高低直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用。如何提高效率，降低成本是光伏技術(shù)工作者的核心任務(wù)之一。太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是由其輸出參數(shù)開路電壓、短路電流和填充因子決定的。通過分析材料的禁帶寬度、少數(shù)載流子壽命、表面復(fù)合、溫度、寄生電阻等對其輸出參數(shù)的影響規(guī)律，最終得到其對太陽能電池效率的影響規(guī)律，并針對性地提出提高效率的方法，對太陽能電池的發(fā)展與應(yīng)用將具有一定的推動作用。

關(guān)鍵詞： 太陽能電池； 能量轉(zhuǎn)換效率； 影響因素； 光伏發(fā)電系統(tǒng)

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）12?0156?03

近年來，太陽能發(fā)電由于具有清潔、無污染，對環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)越來越受到社會關(guān)注，但其市場占有率還很低，究其原因是效率低并且成本高，對于成本相對低廉的多晶硅太陽能電池來說，其平均價格為1.2 [元W，]與目前的火力發(fā)電成本來比還是較高。為了提高其市場占有率，需要從提高效率和降低成本兩方面著手，因此，通過對太陽能電池效率的影響因素分析，對提高太陽能電池的效率將具有重要的意義。

1 太陽能電池理論效率計(jì)算

太陽能電池發(fā)電的最基本原理是基于光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，其最重要的參數(shù)是能量轉(zhuǎn)換效率，也就是太陽能電池的最大輸出功率與太陽入射光功率的比值，用公式表示為：

[η=ISCVOCFFPin] （1）

式中：[FF]為太陽能電池的填充因子，它是太陽能電池輸出特性曲線“方形”程度的量度，其值一般在0.7～0.85范圍內(nèi)[1]；[VOC]與[ISC]分別是太陽能電池的開路電壓和短路電流。由此可見，在一定的光照條件下研究其效率的影響因素，需要從[FF]，[VOC]以及[ISC]等方面著手分析。

2 太陽能電池效率的影響因素分析

2.1 禁帶寬度

太陽能電池被光照射時，并不是任何波長的光子都能夠產(chǎn)生光生載流子，只有當(dāng)光子的能量[hν]大于禁帶寬度[Eg]的情況下才能被太陽能電池材料吸收產(chǎn)生電子空穴對。顯然，材料的[Eg]越小，能夠產(chǎn)生光生載流子的光子越多，[ISC]就越大；另一方面，[Eg]的減小將使[VOC]降低。因此，對于單結(jié)太陽能電池來說，存在最佳的[Eg]值，約為1.1 eV，可以獲得理論上的最高效率為48%。

對于單晶硅太陽電池理論[2]計(jì)算最大效率為30%，目前最高效率為24.7%。要想進(jìn)一步提高太陽能電池效率，可以采用疊層電池結(jié)構(gòu)，使各個部分的材料禁帶寬度相匹配，提高太陽能光譜的有效利用率，從而獲得高效率的太陽能電池。

2.2 少數(shù)載流子壽命

對于N+P（N區(qū)為重?fù)诫s，稱為發(fā)射區(qū)，P區(qū)為輕摻雜，稱為基區(qū)），當(dāng)基區(qū)少子擴(kuò)散長度[LN]遠(yuǎn)小于基區(qū)厚度[WP]時，基區(qū)飽和暗電流將增加，從而使開路電壓降低。另一方面，低擴(kuò)散長度的載流子在基區(qū)的輸送過程中基本上被復(fù)合，擴(kuò)散不到背電極。顯然隨少子壽命增加，[ISC]，[VOC]和[FF]均相應(yīng)增加，太陽能電池效率也隨之增加。實(shí)際可以通過提高太陽能電池質(zhì)量，減小載流子在輸送過程中的復(fù)合。

2.3 表面復(fù)合

除了半導(dǎo)體的體性質(zhì)如缺陷能級影響復(fù)合過程外，非平衡載流子的復(fù)合也受材料尺寸、形狀和表面狀態(tài)的影響。不論是前電極或背電極的表面復(fù)合對電池效率都有重要的影響。嚴(yán)重的表面復(fù)合將會引起器件的失效。在太陽能電池的制備過程中，表面或界面復(fù)合對短路電流會產(chǎn)生直接的影響，低的表面或界面復(fù)合是制造高效電池的重要因素。器件的制備除了要有清潔的表面外，去除表面損傷及鈍化表面缺陷態(tài)，降低表面復(fù)合速度，也是制備工藝的重要環(huán)節(jié)。如太陽電池的前電極與背電場的處理等。

對于擴(kuò)散長度與基區(qū)厚度的關(guān)系，當(dāng)[LN?WP]，載流子擴(kuò)散不到背電極就被復(fù)合掉了。在此情況下，背表面的復(fù)合不影響飽和電流。當(dāng)少子壽命足夠長，[LN?WP]，基區(qū)載流子擴(kuò)散到背表面并通過背表面輸出，飽和電流將受到背表面復(fù)合速度的影響。

采用合適的工藝及合理地設(shè)計(jì)太陽能電池結(jié)構(gòu)可以降低表面復(fù)合的影響。例如，為了降低背表面復(fù)合的影響，可以采用背表面場的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而為了降低前表面復(fù)合的影響，可以采取以下方法：

（1） 利用PN結(jié)的淺結(jié)設(shè)計(jì)，可以有效提高載流子的收集幾率；

（2） 晶體材料表面鈍化處理，降低表面的缺陷密度；

（3） 仿照背表面電場結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)前表面電場；

（4） 在晶體表面再生長一層寬能帶的窗口層，此層可以讓大部分的光通過，又可以防止電子與空穴擴(kuò)散至太陽能電池表面，受到表面缺陷的影響而復(fù)合。

2.4 寄生電阻

理想的太陽能電池是由一個恒流源與兩個二極管組成，其等效電路為圖1所示。

實(shí)際的太陽能電池都存在寄生電阻，包括串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻。實(shí)際上，串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻對太陽能電池性能的影響是不容忽略的。考慮到寄生電阻時的太陽能電池等效電路如圖2所示。

串聯(lián)電阻主要來源于電池本身的體電阻、前電極金屬柵線的接觸電阻，柵線之間橫向電流對應(yīng)的電阻、背電極的接觸電阻及金屬本身的電阻等。電池的光生電壓被串聯(lián)電阻消耗，使輸出電壓下降。并聯(lián)電阻主要來源于電池PN結(jié)的漏電，包括PN結(jié)內(nèi)部的漏電極（晶體缺陷與外部摻雜沉積物）和結(jié)邊緣的漏電流。表現(xiàn)為使電池的整流特性變差?？紤]到這兩個因素后，電流表示為：

[I=ISC′-Is（eq（V+IRs）ηkT-1）-V+IRsRSH] （2）

式中，[ISC′]為不考慮寄生電阻時的短路電流；[η]為二極管的理想因子，[η]值介于1和2之間。當(dāng)在中性區(qū)內(nèi)的復(fù)合效應(yīng)，也就是載流子擴(kuò)散電流主導(dǎo)時，[η]值會趨向于1；當(dāng)在耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合效應(yīng)占優(yōu)勢時，[η]值會趨向于2。

圖3是理論計(jì)算寄生電阻對電流電壓特性仿真結(jié)果。圖3（a）是假設(shè)[Rs=0]，[RSH=∞]情況下不同串聯(lián)電阻的電流—電壓特性。由圖可知，當(dāng)電流為零的開路時，串聯(lián)電阻不影響開路電壓。電流不為零時，它使輸出終端有一壓降，因此，串聯(lián)電阻對填充因子的影響十分明顯。串聯(lián)電阻越大短路電流的降低將越明顯。圖3（b）給出了并聯(lián)電阻對電流—電壓特性的影響。當(dāng)在電壓為零的短路情況下，并聯(lián)電阻不影響短路電流。電壓不為零時，與PN結(jié)并聯(lián)的電阻將分流一部分電流，I?V特性呈現(xiàn)為輸出電流將減小。填充因子對并聯(lián)電阻十分敏感，極低的并聯(lián)電阻還將降低開路電壓。完美的PN結(jié)工藝將具有大的，可提高填充因子。以上討論可以看到，電池的I?V特性直接聯(lián)系了電池性能與工藝的關(guān)系。I?V特性的分析提供了與工藝有關(guān)的重要信息，是發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)電池工藝的有效途徑之一。

圖3 寄生電阻對太陽能電池輸出特性的影響

2.5 溫度

太陽能電池在光照情況下會引起自身溫度升高，導(dǎo)致其效率下降，可以用電池溫度系數(shù)描述電池的這一性能[3]。通過分析太陽能電池的特性發(fā)現(xiàn)，二極管電流、本征載流子濃度、擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散長度及少數(shù)載流子壽命是溫度的函數(shù)，起主要影響因素的是本征載流子濃度：

[n2i=NCNVe-EgkT] （3）

式中[NC]和[NV]分別是導(dǎo)帶與價帶的有效能帶密度，其對溫度的依賴較弱。另外，帶隙寬度也是溫度的函數(shù)，其與溫度的關(guān)系可表示為：

[Eg（T）=Eg（0）-αT2T+β] （4）

式中：[α，β]是因材料而異的函數(shù)；[Eg（0）]為絕對零度時半導(dǎo)體的帶隙。式（4）表明，溫度上升帶隙減小。雖然帶隙寬度減小拓寬了電池的光吸收范圍，短路電流有所提高，但帶隙減小的直接結(jié)果是[ni]增加。由于[ni]與[T]的關(guān)系是成指數(shù)關(guān)系，因此，溫度上升的結(jié)果使[ni]迅速增加，總的結(jié)果是開路電壓下降。

開路電壓與溫度的依賴關(guān)系可近似地表示為[4]：

[dVOCdT=-1qEg（0）-VOC+?kTqT] （5）

由此，開路電壓隨溫度上升而下降，雖然短路電流隨溫度上升稍有提高，但開路電壓下降明顯，總的結(jié)果是效率降低。

2.6 負(fù)載

太陽能電池與一般電源的區(qū)別之一是不同的負(fù)載情況下，其輸出電流和輸出電壓會發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出功率發(fā)生變化，總會存在一個最佳的負(fù)載阻值使其輸出功率達(dá)到最大，從而使轉(zhuǎn)換效率最高[5]。因此，在實(shí)際的應(yīng)用中，太陽能電池要想發(fā)揮其最佳性能，需要連接合適的負(fù)載。

3 結(jié) 語

太陽能電池效率的影響因素很多，通過對禁帶寬度、少數(shù)載流子壽命、寄生電阻等主要影響因素進(jìn)行分析，得到其對太陽能電池效率的影響規(guī)律，并找到提高太陽能電池效率的有效方法。選擇合適禁帶寬度的材料制作單結(jié)太陽能電池；利用不同禁帶寬度的材料制作疊層電池；改善制作工藝，提高太陽能電池的質(zhì)量，減小太陽能電池內(nèi)部與表面缺陷態(tài)密度；減小串聯(lián)電阻，增加并聯(lián)電阻；合理設(shè)計(jì)太陽能電池結(jié)構(gòu)，制備背電場，利用PN結(jié)的淺結(jié)設(shè)計(jì)等方法，在一定程度上可以提高太陽能電池效率。

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