太阳能电池设计原理

太阳能电池设计涉及到确定太阳能电池结构的参数,以便在给定某些限制的情况下最大程度提高效率。这些限制将由太阳能电池生产的工作环境决定。例如,在目标是生产价格具有竞争力的太阳能电池的商业环境中,必须考虑制造特定太阳能电池结构的成本。然而,在目标是生产高效实验室型电池的研究环境中,主要考虑因素是效率最大化而不是成本。

evolution of sc efficiency

硅太阳能电池效率的演变

光伏转换的理论效率超过 86.8% 1。然而,86.8% 这个数字使用了细致平衡计算,并未描述设备运行情况。对于硅太阳能电池,在一个太阳运行下更实际的效率约为 29% 2。目前在 AM1.5G 下测得的硅太阳能电池的最大效率为 26.7%。高理论效率与地面太阳能电池测量效率之间的差异主要归因于两个方面。首先,理论最大效率的预测假设每个光子的能量都得到最佳利用,不存在未吸收的光子,并且每个光子都被带隙等于光子能量的材料吸收。理论上,这是通过对不同带隙材料的无限堆叠太阳能电池的建模来实现的,每个太阳能电池仅吸收与其带隙完全对应的光子。

第二个因素是高理论效率的预测假设高聚光率。假设温度和电阻效应在聚光太阳能电池中不占主导地位,则增加光强度会成比例地增加短路电流。由于开路电压 (Voc) 还取决于短路电流,因此 Voc 随光照强度呈对数增加。此外,由于最大填充因子 (FF) 随着 Voc 的增加而增加,因此最大可能的 FF 也会随着聚光度的增加而增加。额外的 Voc 和 FF 随着聚光度的增加而增加,这使得聚光太阳能可以实现更高的效率。

在设计此类单结太阳能电池时,最大化电池效率的原则是:

  • 增加电池收集的可转化为载流子的光照量;
  • 增加 p-n 结对光生载流子的收集(分离);
  • 最大限度地减少正向偏置暗电流;
  • 从电池中提取电流而无电阻损耗。