晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限？

1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室的CHAPIN等三人發(fā)表了第一篇關(guān)于硅太陽(yáng)電池的文章，在這篇文章中就已指出有反射、復(fù)合、電阻三方面的因素使電池的效率低于某個(gè)上限。

早在1961年，William Shockley等人根據(jù)細(xì)致平衡原理在只考慮輻射復(fù)合作為電子－空穴對(duì)唯一的復(fù)合機(jī)制的理想情況下，通過(guò)計(jì)算得出p-n結(jié)太陽(yáng)能電池的效率極限為30％。

利用新南威爾士大學(xué)光伏與可再生能源工程學(xué)院免費(fèi)發(fā)布的一維太陽(yáng)電池計(jì)算模擬軟件PC1D計(jì)算，輸入完全理想條件得到地面標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光（AM1.5G）照射條件下，溫度為25 ℃時(shí)，晶體硅電池理想條件下效率為26.8％。

德國(guó)ISFH在2019年Silicon PV的報(bào)告會(huì)上基于載流子選擇性的概念從理論上對(duì)不同結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的理論效率極限做了細(xì)致的分析，結(jié)論是鈍化接觸電池（例如TOPCon電池）具有更加高的效率極限（28.2%~28.7%），高于HJT的27.5%極限效率，同時(shí)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PERC電池（24.5%），TOPCon電池最接近晶體硅太陽(yáng)能電池理論極限效率（29.43%）。

各類太陽(yáng)能電池最新進(jìn)展，2019年11月，來(lái)源：NREL


效率公式


式中Pin是太陽(yáng)電池整個(gè)面積的總輸入光功率.對(duì)于陸地上的應(yīng)用, 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件是: 一個(gè)太陽(yáng),AM1.5G, 1000W/m2(或100mW/cm2), 25 ℃。

因此,太陽(yáng)電池的三個(gè)參數(shù)Voc，Isc和FF就能確定太陽(yáng)電池的效率。為了獲得高的效率,這三個(gè)參數(shù)應(yīng)該盡可能高。

(a)為了獲得高的開(kāi)路電壓Voc，電池必須有低的正向暗電流I0,高的并聯(lián)電阻Rsh。

(b)為了獲得高的光電流(短路電流Isc)，電池材料和結(jié)構(gòu)應(yīng)該在紫光，可見(jiàn)光和近紅外光譜范圍有高的，寬的和平坦的光譜響應(yīng)，內(nèi)量子效率接近于1。

(c)為了獲得高的填充因子FF，電池必須有低的正向暗電流I0，理想因子“n”接近于1，串聯(lián)電阻必須低(<1Ω)，并聯(lián)電阻Rsh必須大(>102Ω·cm2)。

開(kāi)路電壓Voc


式中, I0是無(wú)光照時(shí)電池的反向飽和電流；q是電子電荷；k是玻爾茲曼常數(shù)；T是絕對(duì)溫度；n是二極管理想因子。

影響因素

材料－光伏有源材料：電阻率ρ，少子壽命τ，其它雜質(zhì)等。

表面發(fā)射極摻雜層；

背面電場(chǎng)；

漏電流－反向飽和電流I0；

理想因子n；

并聯(lián)電阻Rsh；

鈍化技術(shù)－電池材料的表面和內(nèi)部的鈍化。

短路電流Isc

短路電流Isc：理想狀態(tài)下，應(yīng)等于光生電流IL，即Isc＝IL。

影響因素

絨面結(jié)構(gòu)

正面減反射膜；

表面發(fā)射極摻雜層－高或低的磷濃度；

減少遮光損失；

串連電阻Rs；

背面反射；

鈍化技術(shù)－電池材料的表面和內(nèi)部的鈍化。

填充因子FF


影響因素

表面發(fā)射極摻雜層－高或低的磷濃度；

去除周邊pn結(jié)和去磷硅玻璃；

串連電阻Rs(電極接觸、金屬指條寬度和縱橫比大小);

正面減反射膜；

金屬電極接觸的烘烤、燒結(jié)；

并聯(lián)電阻Rsh。

為了提高絲網(wǎng)印刷（SP）填充因子FF，必須解決下列問(wèn)題：

（1）金屬電極接觸的燒結(jié)對(duì)總串連電阻Rs（特別是對(duì)rc）的影響；

（2）金屬電極接觸的燒結(jié)對(duì)pn結(jié)質(zhì)量（并聯(lián)電阻Rsh和J02）的影響。