太阳能电池的最终效率探讨

王志国

摘 要：太阳能电池利用光伏效应将太阳能直接转换为电能，拥有可再生、清洁、安全、寿命长等优点，被认为是最有前途的可再生能源技术之一.虽然光电转化效率在10%～18%的太阳能电池已经实现大规模产业化应用，但如何进一步提升太阳能电池的光电转换效率依然是研究者面临的最重要的挑战.近年来，随着新材料和新技术的不断发展，单结太阳能电池的效率越来越逼近S-Q效率极限；另一方面，随着多结太阳能电池、中间带太阳能电池等新概念太阳能电池的出现，太阳能电池效率纪录在不断地被改写，文中分析了太阳能电池效率的影响因素。

关键词：太阳能电池；能量转换效率；影响因素

1引言

近年来，太阳能发电由于具有清洁、无污染，对环境友好等优点越来越受到社会关注，但其市场占有率还很低，究其原因是效率低并且成本高，对于成本相对低廉的多晶硅太阳能电池来说，其平均价格为1.2元，与目前的火力发电成本来比还是较高。为了提高其市场占有率，需要从提高效率和降低成本两方面着手，因此，通过对太阳能电池效率的影响因素分析，对提高太阳能电池的效率将具有重要的意义。

2 太阳能电池效率的影响因素分析

2.1禁带宽度

太阳能电池被光照射时，并不是任何波长的光子都能够产生光生载流子，只有当光子的能量[hν]大于禁带宽度[Eg]的情况下才能被太阳能电池材料吸收产生电子空穴对。显然，材料的[Eg]越小，能够产生光生载流子的光子越多，[ISC]就越大；另一方面，[Eg]的减小将使[VOC]降低。因此，对于单结太阳能电池来说，存在最佳的[Eg]值，约为1.1 eV，可以获得理论上的最高效率为48%。

对于单晶硅太阳电池理论[2]计算最大效率为30%，目前最高效率为24.7%。要想进一步提高太阳能电池效率，可以采用叠层电池结构，使各个部分的材料禁带宽度相匹配，提高太阳能光谱的有效利用率，从而获得高效率的太阳能电池。

2.2少数载流子寿命

对于N+P（N区为重掺杂，称为发射区，P区为轻掺杂，称为基区），当基区少子扩散长度[LN]远小于基区厚度[WP]时，基区饱和暗电流将增加，从而使开路电压降低。另一方面，低扩散长度的载流子在基区的输送过程中基本上被复合，扩散不到背电极。显然随少子寿命增加，[ISC]，[VOC]和[FF]均相应增加，太阳能电池效率也随之增加。实际可以通过提高太阳能电池质量，减小载流子在输送过程中的复合。

2.3表面复合

除了半导体的体性质如缺陷能级影响复合过程外，非平衡载流子的复合也受材料尺寸、形状和表面状态的影响。不论是前电极或背电极的表面复合对电池效率都有重要的影响。严重的表面复合将会引起器件的失效。在太阳能电池的制备过程中，表面或界面复合对短路电流会产生直接的影响，低的表面或界面复合是制造高效电池的重要因素。器件的制备除了要有清洁的表面外，去除表面损伤及钝化表面缺陷态，降低表面复合速度，也是制备工艺的重要环节。

对于扩散长度与基区厚度的关系，当载流子扩散不到背电极就被复合掉了。在此情况下，背表面的复合不影响饱和电流。当少子寿命足够长，基区载流子扩散到背表面并通过背表面输出，饱和电流将受到背表面复合速度的影响。

采用合适的工艺及合理地设计太阳能电池结构可以降低表面复合的影响。例如，为了降低背表面复合的影响，可以采用背表面场的结构设计，而为了降低前表面复合的影响，可以采取以下方法：

（1）利用PN结的浅结设计，可以有效提高载流子的收集几率；

（2）晶体材料表面钝化处理，降低表面的缺陷密度；

（3）仿照背表面电场结构的特点设计前表面电场；

（4）在晶体表面再生长一层宽能带的窗口层，此层可以让大部分的光通过，又可以防止电子与空穴扩散至太阳能电池表面，受到表面缺陷的影响而复合。

2.4寄生电阻

实际的太阳能电池都存在寄生电阻，包括串联电阻和并联电阻。实际上，串联电阻和并联电阻对太阳能电池性能的影响是不容忽略的。

串联电阻主要来源于电池本身的体电阻、前电极金属栅线的接触电阻，栅线之间横向电流对应的电阻、背电极的接触电阻及金属本身的电阻等。电池的光生电压被串联电阻消耗，使输出电压下降。并联电阻主要来源于电池PN结的漏电，包括PN结内部的漏电极（晶体缺陷与外部掺杂沉积物）和结边缘的漏电流。表现为使電池的整流特性变差。考虑到这两个因素后，电流表示为：

[I=ISC′-Is（eq（V+IRs）ηkT-1）-V+IRsRSH]（2）

式中，[ISC′]为不考虑寄生电阻时的短路电流；[η]为二极管的理想因子，[η]值介于1和2之间。当在中性区内的复合效应，也就是载流子扩散电流主导时，[η]值会趋向于1；当在耗尽区内的复合效应占优势时，[η]值会趋向于。当电流为零的开路时，串联电阻不影响开路电压。电流不为零时，它使输出终端有一压降，因此，串联电阻对填充因子的影响十分明显。串联电阻越大短路电流的降低将越明显。给出了并联电阻对电流―电压特性的影响。当在电压为零的短路情况下，并联电阻不影响短路电流。电压不为零时，与PN结并联的电阻将分流一部分电流，I？V特性呈现为输出电流将减小。填充因子对并联电阻十分敏感，极低的并联电阻还将降低开路电压。完美的PN结工艺将具有大的，可提高填充因子。以上讨论可以看到，电池的I？V特性直接联系了电池性能与工艺的关系。I？V特性的分析提供了与工艺有关的重要信息，是发现和改进电池工艺的有效途径之一。

3 结语

近年来，随着科技技术的不断发展，老百姓对能源的需求量也在逐年增加。在众多能源中，太阳能作为一种清洁型可再生能源，也是人类接触最早的能源之一，由它衍生出的光伏发电以及光热发电系统正逐渐改变我国能源紧缺的困境。因此，分析研究太阳能电池的动态特性并建立动态模型，对我国研究以及利用太阳能具有至关重要的意义。

参考文献

[1]薛继元，冯文林，赵芬，等.太阳能电池板的输出特性与实际应用研究[J].红外与激光工程，2015（1）：176-181.

[2]张天慧，朴玲钰，赵谡玲，等.有机太阳能电池材料研究新进展[J].有机化学，2011，31（2）：260-272.

[3]任航，叶林.太阳能电池的仿真模型设计和输出特性研究[J].电力自动化设备，2009，29（10）：112-115.

（作者单位：英利能源（中国）有限公司）