太阳电池的效率

上海大学通讯工程专业　黄顶棚



太阳电池的效率

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本文主要围绕太阳能电池效率的估量和计算进行讨论，从热力学、固体物理学以及肖克莱等人提出的太阳电池效率理论阐述效率极限的估算方法及相关理论知识，分析总结一些导致太阳能电池效率下降的因素，使广大初学者简要了解太阳电池的效率问题。

太阳电池 热力学效率 固体物理学效率 影响因素

一、前言

绿色能源的开发利用日益受到各个国家的重视，尤其是能源短缺的国家。绿色能源指不排放污染物的能源，如水力发电、风力发电、太阳能、生物能（沼气）、海潮能等能源。笔者对所学知识进行总结，并让更多初学者能够了解绿色能源。本文结合相关文献，简要分析太阳能电池的效率问题及影响因素。

二、热力学效率

热力学关于效率极限的研究发现不同限制条件下的电池效率极限：

1.卡诺效率

卡诺效率来自卡诺循环（Carnot cycle），包括等温吸热、绝热膨胀、等温放热、绝热压缩四个理想可逆过程的热力循环，给出两个热源之间理想热量传递的效率极限。

2. CА效率

CА循环（Curzon-Аhlborn cycle）是基于卡诺循环在热源之间有限速率、时间上热交换的不可逆情况下，热源间存在损失时的最佳效率。

3.朗斯堡极限效率

朗斯堡极限（Landsberg limit）效率在卡诺极限的基础上增加工作温度下向外辐射的能量流和熵流。

三、固体物理学效率

禁带宽度（Band gap，Eg）指导带的最低能级与价带的最高能级之间的能量差。它是价电子想要跃迁至导带发生本征激发产生自由电子和空穴所需的最小能量。当光照射到半导体材料时，能量小于Eg的光子无法激发电子，只有能量大于Eg的光子才会与形成共价键的电子发生作用形成自由电子—空穴对。

半导体中电子受光的作用从价带激发到导带创造电子—空穴对。该固体表面通过“复合中心”俘获少数载流子和多数载流子，造成电子—空穴对的部分消失，以达到稳定状态，这一过程称为复合过程。如果电子和光子在复合过程中释放的能量以光子形式放出，则这种复合称为辐射复合。

四、太阳电池的效率计算

之后，我们可以分析开路电压VOC、短路电流ISC 和填充因子FF 的变化情况。

1.短路电流（ISC）

我们舍去太阳光谱中能量小于禁带宽度Eg，即波长大于长波限的一部分，认为只有其余部分才可以激发电子—空穴对。当激发的能量得到充分利用时，便可得到仅与Eg相关的电流最大值。

2.开路电压（VOC）

开路电压随禁带宽度减小而减小，短路电流随着禁带宽度减小而增加，这之间存在一个禁带宽度，使效率最大。

3.填充因子（FF）

填充因子是太阳电池最大功率与开路电压及短路电流乘积的比值，是评价太阳电池输出特性的重要参数。它又被称为曲线因子。它的值越高，太阳电池的输出特性曲线就越趋近于矩形，光电转换的效率就越高。它主要受日照强度和太阳电池内部串并联电阻的影响，串联电阻越大，并联电阻越小，填充因子就越小。同时，效率还是禁带宽度的函数，为不同温度下AM1.5对应变换效率，一般在Eg=1.4eV处有最大值。

五、影响效率的其他因素

以上是理想情况下得到的太阳电池效率，事实上现在广泛应用的太阳电池效率远不能达到理想效率，还有许多导致功率损失的原因。下文分析造成太阳电池功率损失的一些其他因素。

1.反射损失（R）

光从空气入射到媒质时会有部分光发生反射，反射掉的光会形成损失。

2.透射损失

如果太阳电池厚度不足，光照射到电池表面后，可能会直接穿过电池而不被电池吸收，造成损失。

3.复合损失

太阳电池激发出的电子—空穴对在起到作用前发生复合，如处于高能态的电子以光的形式将能量释放发生辐射复合，或者电子吸收电子—空穴对结合释放的能量，激发到导带上更高的位置，产生消耗能量的俄歇效应等，都是导致效率下降的因素。

4.电阻的影响

太阳电池中还会有一些非理想电阻引起效率下降，其中包括串联电阻和旁路分流电阻。串联电阻主要来自半导体材料体电阻、金属电极接触电阻和电极本身传输过程的电阻。串联电阻增加会使填充因子变小，效率下降。分流电阻的改变来自PN结存在非理想杂质等，它的减小会引起PN结反向漏电，造成开路电压减小，效率下降。

根据现有文献，我们可以看到影响太阳能电池效率的主要因素有太阳光谱、短路电流、开路电压以及填充因子。同时它还会受到温度、材料反射、折射率、电阻等其他因素影响。种种减少损失的改进方案、新型材料以及能够进一步提高理想效率的理论不断提出来，有更多的问题等待我们解决。

ISSN2095-6711/Z01-2016-06-0224