填充因子FF.docx
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填充因子FF
FF
7.4.6光-电能量转换效率
太阳能电池最重要的和综合性的特性参数是光电能量转换效率,经常简称为效率,用符号表示,它的值是太阳能电池最大输出电功率与入射光功率之比,即:
(7.14)
式中,Pin是在整个太阳能电池正面光入射面积的总入射光功率;Pm是太阳能电池最大输出电功率,Im和Vm就是对应于Pm时的电流和电压,即Pm=Im⨯Vm;Isc是短路电流;Voc是开路电压;FF是填充因子。
对于地面上应用,标准测试条件是光谱AM1.5G,入射光功率100mW/cm2,温度25oC。
从上式可知道,三个参数Isc,Voc和FF,能决定电池的效率η。
影响电池性能Voc,Isc,FF的因素:
Voc:
硅(Si)基片性质(晶向,p型/n型,电阻率,少子寿命等),p/n结掺杂浓度,电池结构形式,并联电阻等;
Isc:
硅基片性质(少子寿命等),表面反射,光陷作用,硅片对光不全吸收,p/n结对载流子不全收集和收集面积等;
FF:
硅(Si)基片性质(电阻率,少子寿命等),电池结构,电极接触,串联电阻,并联电阻等.
为了获得高效率,这三个参数应尽可能高。
这就意味着
(1)要获得较高的短路电流Isc。
太阳能电池有源材料和太阳能电池结构应在紫外光,可见光和近红外光的光谱范围上,有较高,较宽和较平坦的光谱响应,内量子效率应接近于1。
(2)要获得较高的开路电压Voc。
太阳能电池内部必需正向暗电流Io较低而并联电阻Rsh较高。
(3)要获得较高的填充因子FF。
太阳能电池必需正向暗电流Io较低,理想因子“n”接近于1,串联电阻Rs必需较低(1cm2的太阳能电池面积应该Rs<1Ω),而并联电阻Rsh必须较高(>104Ω.cm2)。
7.4.5填充因子FF
填充因子,FF,是太阳能电池品质(串联电阻和并联电阻)的量度。
填充因子FF定义为实际的最大输出功率除以理想目标的输出功率(Isc⨯Voc),即
(7.10)
因而
(7.11)
理想情况下,FF只是开路电压Voc的函数,可用下面的近似经验公式计算:
(7.12)
这里的FF,事实上就是实际应用的FFo。
式中,υoc定义为归一化开路电压,
(7.13)
上式只适用于理想情况下,即没有寄生电阻损失的情况。
数值可精确到四位数字。
由式(7.10)可见,FF是太阳能电池I-V特性曲线内所含最大功率面积与开路短路相应的矩形面积(理想形状)比较的量度。
很清楚,FF应尽可能接近于1(即100%),但指数函数的pn结特性会阻止它达到1。
FF越大,太阳能电池的质量越高。
FF的典型值通常处于60~85%,并由太阳能电池的材料和器件结构决定。
我们假定Isc,Voc保持恒定,研究填充因子FF(实际上是Rs,Rsh)对效率η的影响.
图2填充因子FF是面积之比。
实际上是在有光照的I-V曲线内最大矩形面积(Imp×Vmp)相对于理想情况下矩形面积(Isc×Voc)的测量。
为了获得高的开路电压Voc,电池必须有低的暗电流Io,高的并联电阻Rsh;为了获得高的短路电流Isc(光电流),电池材料和结构应该在紫光,可见光和近红外光谱范围有高的,宽的和平坦的光谱响应,内量子效率接近于1;为了获得高的填充因子FF,电池必须有低的暗电流Io,理想因子”n”接近于1,串联电阻必须很低(<1Ω·cm2),并联电阻Rsh必须大(>6
我们假定Isc,Voc保持恒定,研究填充因子FF(实际上是Rs,Rsh)对效率η的影响.
图2填充因子FF是面积之比。
实际上是在有光照的I-V曲线内最大矩形面积(Imp×Vmp)相对于理想情况下矩形面积(Isc×Voc)的测量。
为了获得高的开路电压Voc,电池必须有低的暗电流Io,高的并联电阻Rsh;为了获得高的短路电流Isc(光电流),电池材料和结构应该在紫光,可见光和近红外光谱范围有高的,宽的和平坦的光谱响应,内量子效率接近于1;为了获得高的填充因子FF,电池必须有低的暗电流Io,理想因子”n”接近于1,串联电阻必须很低(<1Ω·cm2),并联电阻Rsh必须大(>20Ω·cm2).
0Ω·cm2).
7.7.5填充因子FF随温度升高而减少
填充因子FF随着温度升高而减少。
对硅(Si)太阳能电池可表示为:
(7.22)
意思是温度每升高1oC,填充因子FF的值会降低0.0015FF。
太阳能电池总是有寄生串联电阻Rs和寄生并联电阻Rsh的,这两种电阻都会把填充因子FF和输出功率降低,也就是降低太阳能电池的效率。
7.8.1寄生串联电阻
串联电阻Rs的组成,主要是:
(1)半导体内部的体电阻;
(2)电极用的金属与半导体表面层之间的接触电阻;
(3)电极用的金属本身的电阻;
(4)器件内部和外部线路互相连接的引线接触电阻。
图7.14给出了太阳能电池I-V特性随着寄生串联电阻Rs变化的曲线变化。
图7.14随着串联电阻而变化的I-V特性曲线。
串联电阻的增大使最大输出功率减少,因此太阳能电池效率降低。
因为填充因子FF决定着太阳能电池的输出功率水平,而最大输出功率Pm与串联电阻Rs相关,可近似表示为:
(7.25)
如果太阳能电池的特征电阻RCH定义为:
(7.26)
那么,归一化串联电阻rs定义为:
(7.27)
因而
FF=FFo(1-rs)(7.28)
有寄生电阻情况下引入FFo的符号。
FFo是理想情况下的FF式(7.12)。
或经验上而又更精确的表示为:
(7.29)
注意,本式只有当rs<0.4和υoc>10才有效。
7.8.2寄生并联电阻
并联电阻Rsh的组成,主要是来自非理想的pn结和pn结附近的杂质,会引起p-n结部份地短路,特別是太阳能电池的边缘部份漏电现象,会使Rsh值减少。
图7.15随着并联电阻而变化的I-V特性曲线。
并联电阻的减少使最大输出功率减少,因此太阳能电池效率降低。
跟前面考虑串联电阻方法一样,归一化并联电阻rsh可定义为:
(7.30)
因而
(7.31)
或更精确的表示:
(7.32)
注意,本式只有当rsh>0.4时才有效。
4.有那些参数影响填充因子FF的呢?
(WhatparametersaffecttheFF)
表面发射极掺杂层-高或低的磷浓度-方块电阻(Emitter–highorlowsurfacephosphorusconcentration);
去除周边pn结和去磷硅玻璃(Removeedgejunctionandphosphorussiliconglass);
串连电阻Rs(电极接触、金属指条宽度和纵横比大小)(Seriesresistance(contact,fingeretc));
正面减反射膜(ARcoating);
金属电极接触的烧结(Firing);
并联电阻Rsh(Shuntresistance)。
5.有那些参数影响填充因子FF的呢?
(WhatparametersaffecttheFF)
等效电路(EquivalentCircuit)
(在光照下的太阳电池)(IlluminatedSolarCell)
电池结构(损失的成分)CellStructure(LossComponents)
6.为了提高丝网印刷(SP)填充因子FF,必须解决下列问题:
(ToimproveSPfillfactors,thefollowingmustbedetermined):
(1)金属电极接触的烧结对总串连电阻Rs(特别是对rc)的影响;
(effectofcontactfiringontheoverallRseries(especiallyonrc))
(2)金属电极接触的烧结对pn结质量(并联电阻Rsh和J02)的影响;
(impactofcontactfiringonjunctionquality(RshuntandJo2))
*减少遮光损失,提升了短路电流Jsc,从而提高了能量转换效率η
*Reduceshadingloss,improveJscandincreaseη
Finalfingerwidth
最后的金属指条宽度
(μm)
Shading
遮光所占的面积
(%)
Jsc
短路电流Jsc
(mA/cm2)
Efficiency
能量转换效率η
(%)
EfficiencySolarfunStd
能量转换效率η(林洋的标准)(%)
150
6.3
34.4
16.7
17.3
120
5.0
34.8
16.9
17.5
100
4.2
35.3
17.2
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