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太阳能电池基本参数的影响因素分析
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文件大小:923K
更新日期:2015-01-03
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详细介绍
1.短路电流Isc
2.开路电压Voc
3.最大工作电压Vm
4.最大工作电流Im
5.填充系数FF
6.转换效率η
7.串联电阻Rs
8.并联电阻Rsh
第一、一个理想的光伏电池,因串联的Rs很小、并联电阻的Rsh很大,所以进行理想电路计算时,他们都可忽略不计。所以负载电流满足式(1),
I = IL-ID =IL-Is[exp(qV/kT)-1] (1)短路电流Isc=IL
IL——光生电流;ID——暗电流;
IS—— 反响饱和电流;
Rs——串联电阻;Rsh——并联电阻
所以根据上式,就会得到右图。
第二、但在实际过程中,就要将串联电阻和并联电阻考虑进去,Isc的方程如下:
当负载被短路时,V=0,并且此时流经二极管的暗电流ID非常小,可以忽略,上式可变为:
第三、由此可知,短路电流总小于光生电流IL且Isc的大小也与Rs和Rsh有关。
1.短路电流Isc
当V=0时,Isc=IL。IL为光生电流,正比于光伏电池的面积和入射光的辐照度。1cm2光伏电池的IL值均为16~30mA。环境温度的升高,IL值也会略有上升,一般来讲温度每升高1℃,IL值上升78μA
2.开路电压Voc
开路时,当I=0时,Voc=kT/qln(IL/IS+1) 太阳能电池的光伏电压与入射光辐照度的对数成正比,与环境温度成反比,与电池面积的大小无关。温度每上升1 ℃,UOC值约下降2~3mV。该值一般用高内阻的直流毫伏计测量。 同时也与暗电流有关。而对太阳能电池而言,暗电流不仅仅包括反向饱和电流,还包括薄层漏电流和体漏电流。(由于杂质或缺陷引起的载流子的复合而产生的微小电流)
漏电流:太阳能电池片可以分3层,即薄层(即N区),耗尽层(即PN结),体区(即P区),对电池片而言,始终是有一些有害的杂质和缺陷的,有些是材料本身就有的,也有的是工艺中形成的,这些有害的杂质和缺陷可以起到复合中心的作用,可以虏获空穴和电子,使它们复合,复合的过程始终伴随着载流子的定向移动,必然会有微小的电流产生,这些电流对测试所得的暗电流的值是有贡献的,由薄层贡献的部分称之为薄层漏电流,由体区贡献的部分称之为体漏电流。
3.填充系数FF
FF是一个重要参数,反映太阳能电池的质量。太阳电池的串联电阻越小,并联电阻越大,填充系数越大。反映到太阳电池的电流-电压特性曲线上是曲线接近正方形,此时太阳电池可以实现很高的转换效率
4.转换效率η
根据上式可得: 填充系数越大,即转换效率越大。 因此,影响η 的主要因素为串联电阻和并联电阻综上所述,影响Voc、Isc、Vm、Im、FF和
η的主要因素就是串联电阻和并联电阻。
二、串联电阻Rs和并联电阻Rsh
1.串联电阻Rs 一般小于1Ω,主要包括金属电极与半导体材料的接触电阻、半导体材料的体电阻和电极电阻三部分。
2.并联电阻Rsh一般为几千欧姆,主要是电池边缘漏电、电池表面污浊或耗尽区内的复合电流引起的,这几种电流构成了漏电流。而且并联电阻越大,漏电流也就越小。
3.前段工艺对Rs和Rsh的影响
3.1CVD
P层:
P层如果太厚,造成了P层对光的吸收增加,从而减少了i层对光的吸收,而且由于空穴的扩散速率较低,使得空穴的寿命降低;但是P层太薄,在界面层产生的电子-空穴对还没有扩散出去就会由于复合而消失,不利于载流子的收集,增加能量损失。
Buffer层:
当缓冲层厚度较薄时,晶格失配问题得到初步改善,从而减少了载流子在界面的复合,因而随着沉积时间的增加,电池的开路电压增加,填充因子也得到
较大的改善,电池效率增加。但是,随着沉积时间继续增长,由于没有掺硼,掺碳的缓冲层电阻升高,较厚的缓冲层虽然解决了晶格失配的问题,但是高阻层成为主要矛盾,所以随着掺碳缓冲层厚度的继续增加,填充因子下降,电池性能变差。
在其他条件不变的情况下,沉积
时间越长,膜的厚度越大。
i层:
该层是产生光生载流子的主要区域,膜厚越薄,复合中心较少,则并联电阻越小,同时空间电荷区变窄,使得光生电流减小,效率降低;膜厚增加,虽然增加对光的吸收,但缺陷越多,复合中心也就越多,大大降低了载流子的寿命,从而使得电池效率降低,同时使得光致衰减更加严重。
N层:
膜层太薄,在界面层产生的电子-空穴对还没有扩散出去就会由于复合而消失,增加能量损失 ;膜层过厚,虽然内建电场增加,但是方块电阻增加,即增加了Rs,同时,在总膜厚不变的情况下,增加了N层厚度,i层的厚度也就相对减少,不利于光生载流子的产生,使得电池效率降低。
3.2.PVD
主要考量的是薄层电阻,即方块电阻,它是太阳能电池串联电阻的一个组成部分。它的大小主要跟膜厚成反比,但是膜厚不能无限地增大,还要考虑其他因素的影响。
ZnO
为了减少接触电阻,背电极与n层之间必须形成良好的欧姆接触,尽量减少对载流子的阻挡作用,这就要求ZnO的电阻要尽可能地小。根据方块电阻的定义,增加膜厚,可以降低电阻,但是ZnO薄膜是太厚会影响到透过率,因此在特定的膜厚条件下,会有电阻和透过率的最佳值。
从该图可以看出,在衬底温度达到某个
值时,电阻值最小,透过率也较大。
同时,在n层和金属Ag之间加入ZnO
,会阻止Ag向n层扩散,阻止Ag的
漏电,增加电池的并联电阻,从而增
加电池效率。
Ag
根据实际分析,发现ZnO、Ag和Ti是并
联在一起的,所以他们的电阻由最小的电
阻决定,而Ag的电阻最小,降低方块电
阻的关键就是降低Ag的电阻。根据上述
分析,降低电阻,就要增加膜厚。可是增
加膜厚就会增加成本,并且当膜厚增大到
一定值后,它的电阻就不会降低的很多,
这一点由Ag材料本身的性能决定。
3.3.Laser
线宽:划线宽度越宽,死区增大,导致电池的有效面积越小,使得Ioc减少;划线宽度越窄,电阻增大,同时线条的完整性就受到影响,对设备的要求也极高。
划线深度
P1:如果太浅,就代表有TCO残留在glass 上,电流就会直接从TCO薄膜流过,将 电池短路,这样就将少了串联电池的个数,从而减少电池效率;如果太深,理论上无影响。
P2:如果太深,切到TCO薄膜,使得TCO薄膜变薄,从而增大了导电极的电阻,也就增加了Rs,Isc也随之减少;如果切得较浅,即没有将a-Si切断,仍有a-Si残留在TCO膜层上,就会增加TCO与金属层的接触阻抗,也就是增加了Rs。
P3:如果切到TCO薄膜,增加了Rs;如果切到玻璃,就减少了串联电池的个数,从而减少了电池的效率;如果没有将a-Si切割完全,增加漏电流,减少了并联电阻,短路电流减少。
P4:如果切割不完全,则增加漏电流,减少并联电阻,导致Ioc减少,效率降低;如果切割深度过深,导致玻璃漏在表面,应该对效率无影响。
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