太陽(yáng)電池的效率

上海大學(xué)通訊工程專業(yè)　黃頂棚

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太陽(yáng)電池的效率

上海大學(xué)通訊工程專業(yè)黃頂棚

本文主要圍繞太陽(yáng)能電池效率的估量和計(jì)算進(jìn)行討論，從熱力學(xué)、固體物理學(xué)以及肖克萊等人提出的太陽(yáng)電池效率理論闡述效率極限的估算方法及相關(guān)理論知識(shí)，分析總結(jié)一些導(dǎo)致太陽(yáng)能電池效率下降的因素，使廣大初學(xué)者簡(jiǎn)要了解太陽(yáng)電池的效率問(wèn)題。

太陽(yáng)電池 熱力學(xué)效率 固體物理學(xué)效率 影響因素

一、前言

綠色能源的開發(fā)利用日益受到各個(gè)國(guó)家的重視，尤其是能源短缺的國(guó)家。綠色能源指不排放污染物的能源，如水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能、生物能（沼氣）、海潮能等能源。筆者對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行總結(jié)，并讓更多初學(xué)者能夠了解綠色能源。本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，簡(jiǎn)要分析太陽(yáng)能電池的效率問(wèn)題及影響因素。

二、熱力學(xué)效率

熱力學(xué)關(guān)于效率極限的研究發(fā)現(xiàn)不同限制條件下的電池效率極限：

1.卡諾效率

卡諾效率來(lái)自卡諾循環(huán)（Carnot cycle），包括等溫吸熱、絕熱膨脹、等溫放熱、絕熱壓縮四個(gè)理想可逆過(guò)程的熱力循環(huán)，給出兩個(gè)熱源之間理想熱量傳遞的效率極限。

2. CА效率

CА循環(huán)（Curzon-Аhlborn cycle）是基于卡諾循環(huán)在熱源之間有限速率、時(shí)間上熱交換的不可逆情況下，熱源間存在損失時(shí)的最佳效率。

3.朗斯堡極限效率

朗斯堡極限（Landsberg limit）效率在卡諾極限的基礎(chǔ)上增加工作溫度下向外輻射的能量流和熵流。

三、固體物理學(xué)效率

禁帶寬度（Band gap，Eg）指導(dǎo)帶的最低能級(jí)與價(jià)帶的最高能級(jí)之間的能量差。它是價(jià)電子想要躍遷至導(dǎo)帶發(fā)生本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴所需的最小能量。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，能量小于Eg的光子無(wú)法激發(fā)電子，只有能量大于Eg的光子才會(huì)與形成共價(jià)鍵的電子發(fā)生作用形成自由電子—空穴對(duì)。

半導(dǎo)體中電子受光的作用從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶創(chuàng)造電子—空穴對(duì)。該固體表面通過(guò)“復(fù)合中心”俘獲少數(shù)載流子和多數(shù)載流子，造成電子—空穴對(duì)的部分消失，以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這一過(guò)程稱為復(fù)合過(guò)程。如果電子和光子在復(fù)合過(guò)程中釋放的能量以光子形式放出，則這種復(fù)合稱為輻射復(fù)合。

四、太陽(yáng)電池的效率計(jì)算

之后，我們可以分析開路電壓VOC、短路電流ISC 和填充因子FF 的變化情況。

1.短路電流（ISC）

我們舍去太陽(yáng)光譜中能量小于禁帶寬度Eg，即波長(zhǎng)大于長(zhǎng)波限的一部分，認(rèn)為只有其余部分才可以激發(fā)電子—空穴對(duì)。當(dāng)激發(fā)的能量得到充分利用時(shí)，便可得到僅與Eg相關(guān)的電流最大值。

2.開路電壓（VOC）

開路電壓隨禁帶寬度減小而減小，短路電流隨著禁帶寬度減小而增加，這之間存在一個(gè)禁帶寬度，使效率最大。

3.填充因子（FF）

填充因子是太陽(yáng)電池最大功率與開路電壓及短路電流乘積的比值，是評(píng)價(jià)太陽(yáng)電池輸出特性的重要參數(shù)。它又被稱為曲線因子。它的值越高，太陽(yáng)電池的輸出特性曲線就越趨近于矩形，光電轉(zhuǎn)換的效率就越高。它主要受日照強(qiáng)度和太陽(yáng)電池內(nèi)部串并聯(lián)電阻的影響，串聯(lián)電阻越大，并聯(lián)電阻越小，填充因子就越小。同時(shí)，效率還是禁帶寬度的函數(shù)，為不同溫度下AM1.5對(duì)應(yīng)變換效率，一般在Eg=1.4eV處有最大值。

五、影響效率的其他因素

以上是理想情況下得到的太陽(yáng)電池效率，事實(shí)上現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的太陽(yáng)電池效率遠(yuǎn)不能達(dá)到理想效率，還有許多導(dǎo)致功率損失的原因。下文分析造成太陽(yáng)電池功率損失的一些其他因素。

1.反射損失（R）

光從空氣入射到媒質(zhì)時(shí)會(huì)有部分光發(fā)生反射，反射掉的光會(huì)形成損失。

2.透射損失

如果太陽(yáng)電池厚度不足，光照射到電池表面后，可能會(huì)直接穿過(guò)電池而不被電池吸收，造成損失。

3.復(fù)合損失

太陽(yáng)電池激發(fā)出的電子—空穴對(duì)在起到作用前發(fā)生復(fù)合，如處于高能態(tài)的電子以光的形式將能量釋放發(fā)生輻射復(fù)合，或者電子吸收電子—空穴對(duì)結(jié)合釋放的能量，激發(fā)到導(dǎo)帶上更高的位置，產(chǎn)生消耗能量的俄歇效應(yīng)等，都是導(dǎo)致效率下降的因素。

4.電阻的影響

太陽(yáng)電池中還會(huì)有一些非理想電阻引起效率下降，其中包括串聯(lián)電阻和旁路分流電阻。串聯(lián)電阻主要來(lái)自半導(dǎo)體材料體電阻、金屬電極接觸電阻和電極本身傳輸過(guò)程的電阻。串聯(lián)電阻增加會(huì)使填充因子變小，效率下降。分流電阻的改變來(lái)自PN結(jié)存在非理想雜質(zhì)等，它的減小會(huì)引起PN結(jié)反向漏電，造成開路電壓減小，效率下降。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，我們可以看到影響太陽(yáng)能電池效率的主要因素有太陽(yáng)光譜、短路電流、開路電壓以及填充因子。同時(shí)它還會(huì)受到溫度、材料反射、折射率、電阻等其他因素影響。種種減少損失的改進(jìn)方案、新型材料以及能夠進(jìn)一步提高理想效率的理論不斷提出來(lái)，有更多的問(wèn)題等待我們解決。

ISSN2095-6711/Z01-2016-06-0224