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填充因子FF
FF
7.4.6光-电能量转换效率
太阳能电池最重要的和综合性的特性参数是光-电能量转换效率,经常简称为效率,用符号表示,它的值是太阳能电池最大输出电功率与入射光功率之比,即:
PIVIVFF“_m_mm_»scoc*11
PPP
minm
式中,Pi"是在整个太阳能电池正面光入射面积的总入射光功率;代是太阳能电池最大输出电功率,In和W就是对应于Pn时的电流和电压,即Vn;J是短路电流;%是开路电压;FF是填充因子。
对于地面上应用,标准测试条件是光谱AM1.5G,入射光功率100mW/cm2,温度25"C。
■
从上式可知道,三个参数J,Vg和FF,能决定电池的效率。
影响电池性能Voc,I«,FF的因素:
\匕:
硅(Si)基片性质(晶向,p型/n型,电阻率,少子寿命等),p/n结掺杂浓度,电池结构形式,并联电阻等;
11硅基片性质(少子寿命等),表面反射,光陷作用,硅片对光不全吸收,p/n结对载流子不全收集和收集面积等;
FF:
硅(Si)基片性质(电阻率,少子寿命等),电池结构.电极接触,串联电阻,并联电阻等.
为了获得高效率,这三个参数应尽可能高。
这就意味着
(1)要获得较高的短路电流Leo太阳能电池有源材料和太阳能电池结构应在紫外光,可见光和近红外光的光谱范围上,有较高,较宽和较平坦的光谱响应,内量子效率应接近于1。
(2)要获得较高的开路电压太阳能电池内部必需正向暗电流I。
较低而并联电阻為较髙。
(3)要获得较高的填充因子FF。
太阳能电池必需正向暗电流L较低,理
想因子“十接近于1,串联电阻&必需较低(lcm,的太阳能电池面积应该乩1),而并联电阻也必须较高(10’.cm2)o
7.4.5填充因子FF
填充因子,FF,是太阳能电池品质(串联电阻和并联电阻)的量度。
填充因子FF定义为实际的最大输岀功率除以理想目标的输出功率(JVOL.),即
因而
PnT丄FF
理想情况下,FF只是开路电压兀的函数,可用下面的近似经验公式计算:
厅上-叫+0.72)
%+1
这里的FF.事实上就是实际应用的FF。
。
式中,*定义为归一化开路电压,
%=爲人
上式只适用于理想情况下,即没有寄生电阻损失的情况。
数值可精确到四位数字。
由式可见,FF是太阳能电池IV特性曲线内所含最大功率面积与开路短路相应的矩形面积(理想形状)比较的量度。
很清楚,FF应尽可能接近于1(即100%),但指数函数的p-n结特性会阻止它达到1。
FF越大,太阳能电池的质量越高。
FF的典型值通常处于60^85%,并由太阳能电池的材料和器件结构决定。
我们假定J.Voc保持恒定,研究填充因子FF(实际上是阳RJ对效率n
的影响.
Vocv
图2填充因子FF是面积之比。
实际上是在有光照的I—V曲线内最大矩形面积(JXVQ相对于理想情况下矩形面积(IscXVoc)的测量。
为了获得高的开路电压J电池必须有低的暗电流馬高的并联电阻R曲为了获得高的短路电流J(光电流).电池材料和结构应该在紫光•可见光和近红外光谱范围有高的,宽的和平坦的光谱响应,内量子效率接近于1;为了获得高的填充因子FF,电池必须有低的暗电流I。
,理想因子”n”接近于1,串联电阻必须很低(〈1Q・<^),并联电阻JU必须大(>6
我们假定保持恒定,研究填充因子FF(实际上是出,RQ对效率T1
的影响.
Vocv
图2填充因子FF是面积之比。
实际上是在有光照的I—V曲线内最大矩形面积(1旳XVJ相对于理想情况下矩形面积(IscX
Voc)的测量。
为了获得髙的开路电压电池必须有低的暗电流I。
,高的并联电阻Rsh;为了获得高的短路电流J(光电流),电池材料和结构应该在紫光,可见光和近红外光谱范围有高的,宽的和平坦的光谱响应,内量子效率接近于1;为了获得高的填充因子FF,电池必须有低的暗电流I。
,理想因子”n”接近于1,串联电阻必须很低(<1Q・cm?
),并联电阻曲必须大(〉20Q-cm2).
0Q・cm2).
7.7.5填充因子FF随温度升高而减少
填充因子FF随着温度升高而减少。
对硅(Si)太阳能电池可表示为:
意思是温度每升髙It,填充因子FF的值会降低。
太阳能电池总是有寄生串联电阻&和寄生并联电阻J的,这两种电阻都会把填充因子FF和输出功率降低,也就是降低太阳能电池的效率。
7.&1寄生串联电阻
串联电阻&的组成,主要是:
(1)半导体内部的体电阻;
(2)电极用的金属与半导体表面层之间的接触电阻;
(3)电极用的金属本身的电阻;
(4)器件内部和外部线路互相连接的引线接触电阻。
图给出了太阳能电池IV特性随着寄生串联电阻&变化的曲线变化。
OitputVotagevoc
图随着串联电阻而变化的IV特性曲线。
串联电阻的增大使最大输出功率减少,因此太阳能电池效率降低。
因为填充因子FF决定着太阳能电池的输出功率水平,而最大输岀功率化与串联电阻&相关,可近似表示为:
«讥-忘J"1-蓉RJ"1-卜心)
Vm
如果太阳能电池的特征电阻站定义为:
V
Rch=产
那么,归一化串联电阻「定义为:
R,
r=
因而
FF=FFO(1rs)
有寄生电阻情况下引入FF°的符号。
FF(,是理想情况下的FF式。
或经验上而又更精确的表示为:
2
FF严吧(1-1.比)+吕
注意,本式只有当「<和Q10才有效。
7•&2寄生并联电阻
并联电阻R.,的组成,主要是来自非理想的p-n结和p-n结附近的杂质,会引起p-n结部份地短路,特別是太阳能电池的边缘部份漏电现象,会使R•:
卜•值减少。
图随着并联电阻而变化的IV待性曲线。
并联电阻的减少使最大输
出功率减少,因此太阳能电池效率降低。
跟前面考虑串联电阻方法一样,归一化并联电阻s可定义为:
=J^h_
Rch
因而
或更精确的表示:
注意,本式只有当Gh>时才有效O
表面发射极掺杂层一高或低的磷浓度-方块电阻(Emitter-
highorlowsurfacephosphorusconcentration);
去除周边pn结和去磷硅玻璃(Removeedgejunctionandphosphorussiliconglass);
串连电阻&(电极接触、金属指条宽度和纵横比大小)(Series
resistance(contact,fingeretc));
正面减反射膜(ARcoating);
金属电极接触的烧结(Firing);
并联电阻Rsh(Shuntresistance)o
等效电路(EquivalentCircuit)
(在光照下的太阳电池)(IlluminatedSolarCell)
电池结构(损失的成分)CellStructure(LossComponents)
(1)金属电极接触的烧结对总串连电阻R$(特别是对叭)的影响;
(effectofcontactfiringontheoverallRseries(especially
onrc))
(2)金属电极接触的烧结对pn结质量(并联电阻IU和的影响;
(impactofcontactfiringonjunctionquality(RshUntand
JU)
Whatparametersaffectthe
ToimproveSPfillfactors,thefollowingmustbedetermined:
>effectofcontactfiringontheoverallRsenes(especiallyonpc)
>impactofcontactfiringonjunctionquality(RshuntandJO2)
水减少遮光损失,提升了短路电流几,从而提高了能量转换效率n
♦Reduceshadingloss,improveJscandincreasen
Finalfinger
Shading
几
Efficiency
Efficiency
width
■
•
短路电流J8C
能量转换效率
SolarfunStd
最后的金属指条宽
遮光所占的面
(mA/cm2)
n
能量转换效率n
度(um)
积(%)
(%)
(林洋的标准)(%)
150
0
120
100
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