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太阳能电池
返回列表 来源: 发布日期: 2022.04.30 浏览次数:

太阳能电池主要分为以下三类:

(1)  第一代太阳能电池:主要包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池以及其与非晶硅复合的太阳能电池。第一代太阳能电池因其制备工艺发展完善、转换效率较高被广泛应用于人类的日常生活中,占据着光伏市场绝大部分的份额。同时,硅基太阳能电池组件的寿命可以确保在 25 年后其效率依然能保持在原始效率的 80  %,因此到目前为止晶硅太阳电池是目前光伏市场的主流产品。

(2)  第二代太阳能电池:主要以铜铟稼硒(CIGS)、锑化镉(CdTe)和砷化镓(GaAs)等材料为代表。与第一代相比,第二代太阳能电池因吸光层较薄使得所需成本显著降低,在晶体硅价格昂贵的时候被认为是非常具有潜力的光伏发电的材料。

(3)  第三代太阳能电池:主要包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池等。上述电池因其高效,先进,已成为该领域的重点研究方向。其中,钙钛矿太阳能电池的最高转换效率己经高达 25.2 %。

综合来看,晶硅太阳电池仍是目前光伏市场上应用最广、商业价值最高的主流产品,其中,多晶硅电池价格优势和市场优势明显,但其光电转换效率不佳,单晶硅电池造价较高,但其效率显著优于多晶硅电池。不过,伴随着新一代技术革新,单晶硅片的成本正在不断降低,且目前市场对于高转换效率的高端光伏产品的需求量只增不减,因此,对单晶硅电池的研究和改进成为光伏研究领域的重要方向。

 

晶硅太阳能电池

晶硅太阳能电池结构

晶硅太阳能电池的基本结构如图 1.3 所示,其通常采用 P 型硅作为衬底,通过磷扩散将上表面的 p 型硅转变为 n 型硅,从而形成一个简单的 p-n 结,随后利用化学气相沉 积法(Chemical  vapor deposition,  CVD)在扩散层的上方沉积一层 SiN x 减反射膜, 除了可以有效实现表面钝化,增长少子寿命,其还能够降低入射光的反射率。最后,由丝网印刷将浆料分别印刷在硅片的上下表面,作用为有效收集和导出电流。

 










 

晶硅太阳能电池工作机理 

晶硅太阳能电池的核心是 p-n 结。当通过扩散形成 p-n 结后,由于 p-n 结两边的电子和空穴浓度不同,载流子会自发地在有浓度梯度的地方移动。电子离开 n 区后,不能运动的掺杂离子依然停留在原地,在 n 区形成正电荷区域。同理,空穴离开后,p 区形成负电荷区域。如图 1.4(a)所示,形成了 p-n 结附近的空间电荷区。由于耗尽区两边电荷的极性差异较大,p-n 结之间会形成一个势垒电场。由于势垒电场的方向与载流子扩散方向不同,所以在此电场的驱动下,电子和空穴将向原本扩散方向的反方向移动。最终这两种运动会达到平衡。如图 1.4(b)所示为 p-n 结在动态平衡下的能带结构图。

 


太阳能电池依赖于光伏效应进行发电。当光子击中太阳能电池表面时,所携带的能量大于或等于硅的禁带宽度的光子会引发电子跃迁,产生光生载流子对。在内建电场的作用下,电子向正极(n 区)运动,而空穴向反方向运动。  

 


 

晶硅太阳能电池表征参数 

如图 1.6 所示为晶硅太阳能电池的等效电路。太阳能电池可用一个电流大小为 IL 恒流源与二极管并联来等效表示。流经负载 RL的电流为 I,流经二极管的暗电流为 ID,此外,考虑到实际电池中基底材料的缺陷以及材料的电阻率,通常还存在一个串联电阻R s,而因为电池表面漏电等原因还存在一个并联电阻 R sh

 


由等效电路可得到以下计算公式:  

 


将公式 1.2 带入 1.1 可得流经负载的电流为:

 


其中,q 为电子电量,k 为玻尔兹曼常数,T 为绝对温度, V 为负载两端的电压。当负载被短路时,V = 0,可得短路电流 Isc

 


当电路处于开路时,I = 0,此时开路电压 Uoc

 


常用的太阳能电池性能表征参数基本都可从伏安特性曲线得到,如图 1.7 所示。

(1)  短路电流 Isc  

短路电流是指在输出端短路时的电流,短路电流源于光照下电池中光生载流子的产生和收集。在理想情况下,串联电阻 Rs =0,Rsh趋向于无穷,此时,I sc =IL。Isc 的主要影响因素为可影响光生载流子产生和收集的因素,包括入射光的光谱和强度,太阳能电池实际可接受光的表面积以及电极接触等。

 


(2)  开路电压 Uoc 

开路电压是指外电路处于开路状态时电路两端的电压。由式 1.4 可得,Uoc 的大小取决于太阳能电池光生电流的大小和饱和电流的大小。而实际情况中 Uoc主要由饱和电流来影响,即主要和电池的复合效应有关。

(3)  填充因子 FF

填充因子是表征太阳能电池的关键参数之一,填充因子 FF 被定义为 Pm 与 Uoc和 I sc乘积的比值,最大输出功率为  Pm   =  Vm   ×  Im  ,即:

 


填充因子 FF 的数值越大表明太阳能电池的输出特性越好,但是由于能量转换过程中会存在一定的损失,所以填充因子总是小于 1,填充因子的大小受 Rs 和 Rsh以及电荷的迁移率等因素影响。

 

(4)  转换效率 Eta 

转换效率是太阳能电池质量好坏最直观的表征参数,是太阳能电池最大的能量转换情况:

 


由式子 1.6 可知,转换效率与 I sc ,U oc ,FF 均成正比,所以要想提升电池的转换效率,就要改进这三个参数。提高I sc 需要增强光谱响应,提高 U oc 需要减小 I 0 ,提高 FF 则需要减小串联电阻,提高并联电阻,即想要获得高的 E ta 需要对电池进行全面且系统的优化。  



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