太陽能電池的最終效率探討

王志國

摘 要：太陽能電池利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，擁有可再生、清潔、安全、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前途的可再生能源技術(shù)之一.雖然光電轉(zhuǎn)化效率在10%～18%的太陽能電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，但如何進(jìn)一步提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率依然是研究者面臨的最重要的挑戰(zhàn).近年來，隨著新材料和新技術(shù)的不斷發(fā)展，單結(jié)太陽能電池的效率越來越逼近S-Q效率極限；另一方面，隨著多結(jié)太陽能電池、中間帶太陽能電池等新概念太陽能電池的出現(xiàn)，太陽能電池效率紀(jì)錄在不斷地被改寫，文中分析了太陽能電池效率的影響因素。

關(guān)鍵詞：太陽能電池；能量轉(zhuǎn)換效率；影響因素

1引言

近年來，太陽能發(fā)電由于具有清潔、無污染，對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)越來越受到社會(huì)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(duì)于成本相對(duì)低廉的多晶硅太陽能電池來說，其平均價(jià)格為1.2元，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(duì)太陽能電池效率的影響因素分析，對(duì)提高太陽能電池的效率將具有重要的意義。

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(shí)，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(duì)。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(duì)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(duì)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(gè)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(duì)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(shí)，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(jí)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(duì)電池效率都有重要的影響。嚴(yán)重的表面復(fù)合將會(huì)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(duì)短路電流會(huì)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)。

對(duì)于擴(kuò)散長度與基區(qū)厚度的關(guān)系，當(dāng)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，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

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(duì)太陽能電池性能的影響是不容忽略的。

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(duì)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(gè)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(shí)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(shí)，[η]值會(huì)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(shí)，[η]值會(huì)趨向于。當(dāng)電流為零的開路時(shí)，串聯(lián)電阻不影響開路電壓。電流不為零時(shí)，它使輸出終端有一壓降，因此，串聯(lián)電阻對(duì)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。給出了并聯(lián)電阻對(duì)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(shí)，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(duì)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。

3 結(jié)語

近年來，隨著科技技術(shù)的不斷發(fā)展，老百姓對(duì)能源的需求量也在逐年增加。在眾多能源中，太陽能作為一種清潔型可再生能源，也是人類接觸最早的能源之一，由它衍生出的光伏發(fā)電以及光熱發(fā)電系統(tǒng)正逐漸改變我國能源緊缺的困境。因此，分析研究太陽能電池的動(dòng)態(tài)特性并建立動(dòng)態(tài)模型，對(duì)我國研究以及利用太陽能具有至關(guān)重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]薛繼元，馮文林，趙芬，等.太陽能電池板的輸出特性與實(shí)際應(yīng)用研究[J].紅外與激光工程，2015（1）：176-181.

[2]張?zhí)旎?，樸玲鈺，趙謖玲，等.有機(jī)太陽能電池材料研究新進(jìn)展[J].有機(jī)化學(xué)，2011，31（2）：260-272.

[3]任航，葉林.太陽能電池的仿真模型設(shè)計(jì)和輸出特性研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29（10）：112-115.

（作者單位：英利能源（中國）有限公司）