太阳能电池培训手册(上)
设半导体、减反射膜、空气的折射率分别为n2、n1、n0，减反射膜厚度为d1，则反射率R为
R?r1?r2?2r1r2cos2?1?r1r2?2r1r2cos2?2222 (2.42)
式中：
r1=(n0 - n1)/(n0 + n1) r2=(n1 - n2)/(n1 + n2) θ=2πn1d1/λ λ－波长
显然，减反射膜的厚度d1为1/4波长时，R为最小。即
d1?21?'4n1 时
Rmin??n12?n0n2??'??2? (λ＝λ） (2.43)
??n1?n0n2??一般在太阳光谱的峰值波长处，使得R变为最小，以此来决定d1的值。
以硅电池为例，因为在可见光至红外光范围内，硅的折射率为n2 = 3.4?4.0，使式（2.43）
'
为零，则n1的值（n1n0n2， n0＝1）为1.8? n1?2.0。设?=4800埃，则600埃?d1?667
埃，满足这些条件的材料一般可采用一氧化硅，在中心波长处，反射率达到1%左右。由于制备了减反射膜，短路电流可以增加30～40%。此外，采用的减反射膜SiO2（n1?1.5）、Al2O3(n1?1.9)、Sb2O3（n1?1.9）、TiO2、Ta2O5（n1?2.25）。将具有不同折射率的氧化膜重叠二层，在满足一定的条件下，就可以在更宽的的波长范围内减少折射率。此外也可以将表面加工成棱锥体状的方法，来防止表面反射。
1.3.2开路电压
当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大小产生电动势，这就是开路电压。在式（2.39）中，设I=0（开路），Iph＝ISC，则
Voc?nkTqln??IscI0??1? (2.44)
在可以忽略串联、并联电阻的影响时，ISC为与入射光强度成正比的值，在很弱的阳光下，ISC< Voc?nkTILqI0?ILR0 (2.45) __________________________________________________________________ 上海交通大学太阳能研究所 上海国飞绿色能源有限公司 17 太阳能电池培训手册(上) 其中 R0?nkTqI0， 在很强的阳光下，ISC>>I0， Voc?nkTqlnIscI0 (2.46) 由此可见，在较弱阳光时，硅太阳电池的开路电压随光的强度作近似直线的变化。而当有较 强的阳光时，VOC则与入射光的强度的对数成正比。图2.15表示具有代表性的硅和GaAs太阳电池的ISC与Voc之间的关系。Si与GaAs比较，因GaAs的禁带宽度宽，故I0值比Si的小几个数量级，GaAs的VOC值比Si的高0.45伏左右。假如结形成的很好，禁带宽度愈宽的半导体，VOC也愈大。 图2.15 开路电压与短路电流的关系 1.3.3太阳电池的输出特性 1.3.3.1等效电路 为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一等效电路来模拟。在恒定光照下，一个处于工作状态的太阳电池，其光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可把它看作是恒流源。光电流一部分流经负载RL，在负载两端建立起端电压V，反过来它又正向偏置于p—n结二极管，引起一股与光电流方向相反的暗电流Ibk，这样，一个理想的PN同质结太阳电池的等效电路就被绘制成如图2.16(a)所示。但是，由于前面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。流经负载的电流，经过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示。由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻RSh来等效。其等效电路就绘制成上图2.16（b）的形式。其中暗电流等于总面积AT与Jbk乘积，而光电流IL为电池的有效受光面积AE与JL的乘积，这时的结电压不等于负载的端电压，由图可见 Vj?IRS?V (2.47) __________________________________________________________________ 上海交通大学太阳能研究所 上海国飞绿色能源有限公司 18 太阳能电池培训手册(上) 图2.16 pn同质结太阳电池等效电路 （a）不考虑串并联电阻 （b）考虑串并联电阻 1.3.3.2输出特性 根据上图就可以写出输出电流I和输出电压V之间的关系 I?RShRS?RSh?VI??Ibk(V?LRSh??)? (2.48) ?其中暗电流Ibk应为结电压Vj的函数，而Vj又是通过式（2.47）与 输出电压V相联系的。 当负载RL从0变化到无穷大时，输出电压V则从0变到VOC，同时输出电流便从ISC变到0，由此得到电池的输出特性曲线，如图2.17所示。曲线上任何一点都可以作为工作点, 工作点所对应的纵横坐标，即为工作电流和工作电压,其乘积 P=IV 为电池的输出功率 图2.17 太阳电池的输出特性 __________________________________________________________________ 上海交通大学太阳能研究所 上海国飞绿色能源有限公司 19 太阳能电池培训手册(上) 1.3.4转换效率 转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻R时，得到的最大能量转换效率，其定义为 ??PmaxPin?ImpVmpPin 即电池的最大功率输出与入射功率之比， 这里我们定义一个填充因子FF为 FF?ImpVmpVocIsc?PmVocIsc (2.49) 填充因子正好是I-V曲线下最大长方形面积与乘积Voc?Isc之比，所以转换效率可表示为 ??FFVocIscPin (2.50) 1.3.5太阳电池的光谱响应 太阳电池的光谱响应是指光电流与入射光波长的关系，设单位时间波长为λ的光入身到单位面积的光子数为?0（?），表面反射系数为ρ（?），产生的光电流为JL，则光谱响应SR（?）定义为 SR(?)?JL(?)q?0(?)?1??(?)? (2.51) 其中JL＝JL|顶层＋JL|势垒＋JL|基区。 理想吸收材料的光谱响应应该是：当光子能量hν 1.3.6太阳电池的温度效应 载流子的扩散系数随温度的增高而增大，所以少数载流子的扩散长度也随温度的升高稍有增大，因此，光生电流JL也随温度的升高有所增加。但是J0随温度的升高是指数增大，因而VOC随温度的升高急剧下降。当温度升高时，I—V曲线形状改变，填充因子下降，所以转换效率随温度的增加而降低。 1.3.7太阳电池的辐照效应 作为人造卫星和宇宙飞船的电源，太阳电池已获得了广泛的应用。但是在外层空间存在着高能粒子，如电子、质子、?粒子等。高能粒子辐照时通过与晶格原子的碰撞，将能量传给晶格，当传递的能量大于某一阈值时，便使晶格原子发生位移，产生晶格缺陷，如填隙原子、空位、缺陷簇、空位一杂质复合体等。这些缺陷将起复合中心的作用，从而降低少子 __________________________________________________________________ 上海交通大学太阳能研究所 上海国飞绿色能源有限公司 20