太陽電池的效率

上海大學通訊工程專業　黃頂棚

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太陽電池的效率

上海大學通訊工程專業黃頂棚

本文主要圍繞太陽能電池效率的估量和計算進行討論，從熱力學、固體物理學以及肖克萊等人提出的太陽電池效率理論闡述效率極限的估算方法及相關理論知識，分析總結一些導致太陽能電池效率下降的因素，使廣大初學者簡要了解太陽電池的效率問題。

太陽電池 熱力學效率 固體物理學效率 影響因素

一、前言

綠色能源的開發利用日益受到各個國家的重視，尤其是能源短缺的國家。綠色能源指不排放污染物的能源，如水力發電、風力發電、太陽能、生物能（沼氣）、海潮能等能源。筆者對所學知識進行總結，并讓更多初學者能夠了解綠色能源。本文結合相關文獻，簡要分析太陽能電池的效率問題及影響因素。

二、熱力學效率

熱力學關于效率極限的研究發現不同限制條件下的電池效率極限：

1.卡諾效率

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

2. CА效率

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

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、固體物理學效率

禁帶寬度（Band gap，Eg）指導帶的最低能級與價帶的最高能級之間的能量差。它是價電子想要躍遷至導帶發生本征激發產生自由電子和空穴所需的最小能量。當光照射到半導體材料時，能量小于Eg的光子無法激發電子，只有能量大于Eg的光子才會與形成共價鍵的電子發生作用形成自由電子—空穴對。

半導體中電子受光的作用從價帶激發到導帶創造電子—空穴對。該固體表面通過“復合中心”俘獲少數載流子和多數載流子，造成電子—空穴對的部分消失，以達到穩定狀態，這一過程稱為復合過程。如果電子和光子在復合過程中釋放的能量以光子形式放出，則這種復合稱為輻射復合。

四、太陽電池的效率計算

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）

我們舍去太陽光譜中能量小于禁帶寬度Eg，即波長大于長波限的一部分，認為只有其余部分才可以激發電子—空穴對。當激發的能量得到充分利用時，便可得到僅與Eg相關的電流最大值。

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，這之間存在一個禁帶寬度，使效率最大。

3.填充因子（FF）

填充因子是太陽電池最大功率與開路電壓及短路電流乘積的比值，是評價太陽電池輸出特性的重要參數。它又被稱為曲線因子。它的值越高，太陽電池的輸出特性曲線就越趨近于矩形，光電轉換的效率就越高。它主要受日照強度和太陽電池內部串并聯電阻的影響，串聯電阻越大，并聯電阻越小，填充因子就越小。同時，效率還是禁帶寬度的函數，為不同溫度下AM1.5對應變換效率，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電池效率，事實上現在廣泛應用的太陽電池效率遠不能達到理想效率，還有許多導致功率損失的原因。下文分析造成太陽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時會有部分光發生反射，反射掉的光會形成損失。

2.透射損失

如果太陽電池厚度不足，光照射到電池表面后，可能會直接穿過電池而不被電池吸收，造成損失。

3.復合損失

太陽電池激發出的電子—空穴對在起到作用前發生復合，如處于高能態的電子以光的形式將能量釋放發生輻射復合，或者電子吸收電子—空穴對結合釋放的能量，激發到導帶上更高的位置，產生消耗能量的俄歇效應等，都是導致效率下降的因素。

4.電阻的影響

太陽電池中還會有一些非理想電阻引起效率下降，其中包括串聯電阻和旁路分流電阻。串聯電阻主要來自半導體材料體電阻、金屬電極接觸電阻和電極本身傳輸過程的電阻。串聯電阻增加會使填充因子變小，效率下降。分流電阻的改變來自PN結存在非理想雜質等，它的減小會引起PN結反向漏電，造成開路電壓減小，效率下降。

根據現有文獻，我們可以看到影響太陽能電池效率的主要因素有太陽光譜、短路電流、開路電壓以及填充因子。同時它還會受到溫度、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方案、新型材料以及能夠進一步提高理想效率的理論不斷提出來，有更多的問題等待我們解決。

ISSN2095-6711/Z01-2016-06-0224