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

關鍵詞： 太陽能電池； 能量轉換效率； 影響因素； 光伏發電系統

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

近年來，太陽能發電由于具有清潔、無污染，對環境友好等優點越來越受到社會關注，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算

太陽能電池發電的最基本原理是基于光伏效應將太陽能轉換成電能，其最重要的參數是能量轉換效率，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[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生光生載流子，只有當光子的能量[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生電子空穴對。顯然，材料的[Eg]越小，能夠產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]計算最大效率為30%，目前最高效率為24.7%。要想進一步提高太陽能電池效率，可以采用疊層電池結構，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 少數載流子壽命

對于N+P（N區為重摻雜，稱為發射區，P區為輕摻雜，稱為基區），當基區少子擴散長度[LN]遠小于基區厚度[WP]時，基區飽和暗電流將增加，從而使開路電壓降低。另一方面，低擴散長度的載流子在基區的輸送過程中基本上被復合，擴散不到背電極。顯然隨少子壽命增加，[ISC]，[VOC]和[FF]均相應增加，太陽能電池效率也隨之增加。實際可以通過提高太陽能電池質量，減小載流子在輸送過程中的復合。

2.3 表面復合

除了半導體的體性質如缺陷能級影響復合過程外，非平衡載流子的復合也受材料尺寸、形狀和表面狀態的影響。不論是前電極或背電極的表面復合對電池效率都有重要的影響。嚴重的表面復合將會引起器件的失效。在太陽能電池的制備過程中，表面或界面復合對短路電流會產生直接的影響，低的表面或界面復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，降低表面復合速度，也是制備工藝的重要環節。如太陽電池的前電極與背電場的處理等。

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

采用合適的工藝及合理地設計太陽能電池結構可以降低表面復合的影響。例如，為了降低背表面復合的影響，可以采用背表面場的結構設計，而為了降低前表面復合的影響，可以采取以下方法：

（1） 利用PN結的淺結設計，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） 仿照背表面電場結構的特點設計前表面電場；

（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散至太陽能電池表面，受到表面缺陷的影響而復合。

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。

實際的太陽能電池都存在寄生電阻，包括串聯電阻和并聯電阻。實際上，串聯電阻和并聯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電阻消耗，使輸出電壓下降。并聯電阻主要來源于電池PN結的漏電，包括PN結內部的漏電極（晶體缺陷與外部摻雜沉積物）和結邊緣的漏電流。表現為使電池的整流特性變差。考慮到這兩個因素后，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。當在中性區內的復合效應，也就是載流子擴散電流主導時，[η]值會趨向于1；當在耗盡區內的復合效應占優勢時，[η]值會趨向于2。

圖3是理論計算寄生電阻對電流電壓特性仿真結果。圖3（a）是假設[Rs=0]，[RSH=∞]情況下不同串聯電阻的電流—電壓特性。由圖可知，當電流為零的開路時，串聯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，串聯電阻對填充因子的影響十分明顯。串聯電阻越大短路電流的降低將越明顯。圖3（b）給出了并聯電阻對電流—電壓特性的影響。當在電壓為零的短路情況下，并聯電阻不影響短路電流。電壓不為零時，與PN結并聯的電阻將分流一部分電流，I?V特性呈現為輸出電流將減小。填充因子對并聯電阻十分敏感，極低的并聯電阻還將降低開路電壓。完美的PN結工藝將具有大的，可提高填充因子。以上討論可以看到，電池的I?V特性直接聯系了電池性能與工藝的關系。I?V特性的分析提供了與工藝有關的重要信息，是發現和改進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，導致其效率下降，可以用電池溫度系數描述電池的這一性能[3]。通過分析太陽能電池的特性發現，二極管電流、本征載流子濃度、擴散系數、擴散長度及少數載流子壽命是溫度的函數，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，其與溫度的關系可表示為：

[Eg（T）=Eg（0）-αT2T+β] （4）

式中：[α，β]是因材料而異的函數；[Eg（0）]為絕對零度時半導體的帶隙。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果是[ni]增加。由于[ni]與[T]的關系是成指數關系，因此，溫度上升的結果使[ni]迅速增加，總的結果是開路電壓下降。

開路電壓與溫度的依賴關系可近似地表示為[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，總的結果是效率降低。

2.6 負載

太陽能電池與一般電源的區別之一是不同的負載情況下，其輸出電流和輸出電壓會發生變化，導致輸出功率發生變化，總會存在一個最佳的負載阻值使其輸出功率達到最大，從而使轉換效率最高[5]。因此，在實際的應用中，太陽能電池要想發揮其最佳性能，需要連接合適的負載。

3 結 語

太陽能電池效率的影響因素很多，通過對禁帶寬度、少數載流子壽命、寄生電阻等主要影響因素進行分析，得到其對太陽能電池效率的影響規律，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量，減小太陽能電池內部與表面缺陷態密度；減小串聯電阻，增加并聯電阻；合理設計太陽能電池結構，制備背電場，利用PN結的淺結設計等方法，在一定程度上可以提高太陽能電池效率。

參考文獻

[1] GREEN M A.太陽能電池工作原理、技術和系統應用[M].上海：上海交通大學出版社，2010.

[2] 黃惠良.太陽能電池：制備·開發·應用[M].北京：科學出版社，2012.

[3] 金井升.單晶硅太陽電池的溫度和光強特性[J].材料研究與應，2008（4）：488?502.

[4] EL?ADAWI M K， AL?NUAIM I A. The temperature functional dependence of Voc for a solar cell in relation to its efficiency new Approach [J]. Desalination， 2007， 209： 91?96.

[5] 郭陽雪，孔祥洪.硅太陽能電池輸出功率與負載匹配特性[J].實驗室研究與探索，2011，30（7）：20?22.

[6] 袁鎮，賀立龍.太陽能電池的基本特性[J].現代電子技術，2007，30（16）：163?165.