郝华丽，刘文富
（黄淮学院电子科学与工程系，河南驻马店463000）
摘要：太阳能电池作为光伏发电系统的核心单元，其能量转换效率和成本的高低直接影响光伏发电系统的应用。如何提高效率，降低成本是光伏技术工作者的核心任务之一。太阳能电池的转换效率是由其输出参数开路电压、短路电流和填充因子决定的。通过分析材料的禁带宽度、少数载流子寿命、表面复合、温度、寄生电阻等对其输出参数的影响规律，最终得到其对太阳能电池效率的影响规律，并针对性地提出提高效率的方法，对太阳能电池的发展与应用将具有一定的推动作用。
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关键词 ：太阳能电池；能量转换效率；影响因素；光伏发电系统
中图分类号：TN911-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X（2015）12-0156-03
收稿日期：2014-12-18
基金项目：国家自然科学基金项目（61404057）；河南省基础与前沿技术研究项目（122300410210；14230040112）
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W，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。
1 太阳能电池理论效率计算
太阳能电池发电的最基本原理是基于光伏效应将太阳能转换成电能，其最重要的参数是能量转换效率，也就是太阳能电池的最大输出功率与太阳入射光功率的比值，用公式表示为：
式中：FF 为太阳能电池的填充因子，它是太阳能电池输出特性曲线“方形”程度的量度，其值一般在0.7~0.85范围内[1]；VOC 与ISC 分别是太阳能电池的开路电压和短路电流。由此可见，在一定的光照条件下研究其效率的影响因素，需要从FF ，VOC 以及ISC 等方面着手分析。
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。如太阳电池的前电极与背电场的处理等。
对于扩散长度与基区厚度的关系，当LN - WP ，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，LN - WP ，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
理想的太阳能电池是由一个恒流源与两个二极管组成，其等效电路为图1所示。
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。考虑到寄生电阻时的太阳能电池等效电路如图2所示。
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。表现为使电池的整流特性变差。考虑到这两个因素后，电流表示为：
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2。
图3 是理论计算寄生电阻对电流电压特性仿真结果。图3（a）是假设Rs = 0 ，RSH = ∞ 情况下不同串联电阻的电流—电压特性。由图可知，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。图3（b）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。
2.5 温度
太阳能电池在光照情况下会引起自身温度升高，导致其效率下降，可以用电池温度系数描述电池的这一性能[3]。通过分析太阳能电池的特性发现，二极管电流、本征载流子浓度、扩散系数、扩散长度及少数载流子寿命是温度的函数，起主要影响因素的是本征载流子浓度：
式中NC 和NV 分别是导带与价带的有效能带密度，其对温度的依赖较弱。另外，带隙宽度也是温度的函数，其与温度的关系可表示为：
式中：α，β 是因材料而异的函数；Eg (0) 为绝对零度时半导体的带隙。式（4）表明，温度上升带隙减小。虽然带隙宽度减小拓宽了电池的光吸收范围，短路电流有所提高，但带隙减小的直接结果是ni 增加。由于ni 与T的关系是成指数关系，因此，温度上升的结果使ni 迅速增加，总的结果是开路电压下降。
开路电压与温度的依赖关系可近似地表示为[4]：
由此，开路电压随温度上升而下降，虽然短路电流随温度上升稍有提高，但开路电压下降明显，总的结果是效率降低。
2.6 负载
太阳能电池与一般电源的区别之一是不同的负载情况下，其输出电流和输出电压会发生变化，导致输出功率发生变化，总会存在一个最佳的负载阻值使其输出功率达到最大，从而使转换效率最高[5]。因此，在实际的应用中，太阳能电池要想发挥其最佳性能，需要连接合适的负载。
3 结语
太阳能电池效率的影响因素很多，通过对禁带宽度、少数载流子寿命、寄生电阻等主要影响因素进行分析，得到其对太阳能电池效率的影响规律，并找到提高太阳能电池效率的有效方法。选择合适禁带宽度的材料制作单结太阳能电池；利用不同禁带宽度的材料制作叠层电池；改善制作工艺，提高太阳能电池的质量，减小太阳能电池内部与表面缺陷态密度；减小串联电阻，增加并联电阻；合理设计太阳能电池结构，制备背电场，利用PN结的浅结设计等方法，在一定程度上可以提高太阳能电池效率。
作者简介：郝华丽（1985—），女，河南驻马店人，硕士。主要从事光纤传感与物理应用技术研究工作。
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参考文献
[1] GREEN M A.太阳能电池工作原理、技术和系统应用[M].上海：上海交通大学出版社，2010.
[2] 黄惠良.太阳能电池：制备·开发·应用[M].北京：科学出版社，2012.
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[4] EL-ADAWI M K，AL-NUAIM I A. The temperature functional dependence of Voc for a solar cell in relation to its efficiency new Approach [J]. Desalination，2007，209：91-96.
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