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非晶硅太阳电池在弱光条件下的性能分析


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第 l卷   3

第 2期 









报 

V0】 1 . .  3

No.2  

I902年 4月 

   

ACT A EN ERG 】 AE S0 LA RI  SI I S N CA 

A 口 . 1O g 2 丁.        

磁 ,务 毛  


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.  

非 晶硅 太 阳电 池 在 弱 光 
条件 下 的 性 能 分 析 
三 篮 益      
北 京 有 色 金 属 研究 总 腕 , 北 京 , ] 0 8 ) 0 0 8 


7 f< 4 - f ̄ - M i ? 

摘 

要 

本 文通 过 一种 简单 的太 阳电 池等 效 电路对非 晶 硅太 阳 电池弱 光性 能进 行 了分 析 , 为 串 联 电阻  认 和 并联 电阻 是 影响 弱光 条 件下非 晶硅太 阳 电池填 充因 子的 主要 因素 ,增 大 并联 电阻 是改 善弱 光 性 
能 的必 要 条件 。  

I 7 年 研 制 成 功 非 晶硅 太 阳 电 池c, 由于 成 奉 低 , 可 以 大 面 积 制造 ,引 起 了广 泛 关 注 ,   4 g D   在 不长 的 时 间 内 , 非 晶 硅 太 阳 电 池 的 性 能 有 了 较 大 提 高 。 目前 , 单 结 电 池 转 换 效 率达 1  , 2   叠 层 电 池 转 换 效 率 达 到 1 .% 一 1 .  37 56 。   早 期 用于 计 算 器 的 非 晶 硅 太 阳 电 池 , 不 能 在 较 弱 的 光 强 下 工 作 , 目前 虽 然 弱 光 非 晶 硅 太  阳 电池 已商 品化 , 但 关 于 非 晶硅 太 阳 电池 在 弱 光 下性 能 的 研 究 还 很 少 。 奉 文分 析 了影 响非 晶  硅 太 阳 电池 弱 光 性 能 的 因素 ,并 对 弱 光 条 件 下 填 充 因 子 的变 化 进 行 了解 释 和 讨 论 。  

二 、 非 晶 硅 太 阳 电 池 等 效 电 路 
在 无 光 照 情 况 下 ,太 阳 电 池 的 电 流 一 电压 关 系 常 用二 报 管 电 流 公 式 表 示 ;  


(    e )  一

() 1  

其 中 , n 二 报 管 品 质 因子 , 对 非 晶 硅 太 阳 电池 通 常 取 2 这 是 理 想 的 二 极 管 特 性 。 实 际 的 非  为 。 晶 硅 太 阳 电 池 常 常 有 串联 电阻 R, 并联 电阻 R 和   其 等 效 电 路 常 用 图 l表 示 。  

,  工

图 l 太 阳电池 等效 电路 

因太 阳电池在静态 下工 作,故 p 结 电容可略去 。在光照条件 下, 阳电池电流一 电压关  n 太 系 用式 () 示 : 2表  

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12 6 

太 

阳 

能 

学 

报 

,I ,  - ) 。 =L 口 — 一 ) =   ( 『 1    一e — 一
太 阳 电 池 的 转 换 效 率 为 
=  

() () 2  

P P    
=  



 

每 P    

、 ㈩   
分 别 为 太 阳 电池 的 短 路 电流 和 

式 中 , P 是 入 射 到太 阳 电池 表面 的 辐 射 功 率 密度 , , 和    , 开 路 电 压 , P 为 最 大 输 出 功率 ,     J 光 电流 。  为  

和  分 别 为 最 大 功 率 点 的 电流 和 电 压 , FF为 填 充 因子 ,  

Rs R 的 存 在 将 消 耗 部 分 输 出功 率 , 使 电 流 一 电压 曲线 变 差  在 最 大 功 率 点 R 和 R    和     的  功 率 损 耗 分 别 为 ,   ( 一, 尺 )/   这 时 填 充 因 子 可 近 似 写 成 :  R 和        R , ” 

FF R ,R ) (     :上  
=  

生 

[  一 一 + 卜 酱      ̄F, , 一 一 ] F( 。[ 告     O。  
其 中,F O c )   F( ,o =, /  , …
很小,第五项 2   R R /  相 对 第三 项  … Z R 很 小 , 可 忽 略 不 计 。 /   

㈩ 

它皂 R 为O   、R  为无穷大 ,即理想 p n 情况的填充 因 —结  

子  通 常 非 晶 硅 太 阳 电池 R 很 小 ,R 很 大 , ()     式 4 中第 四项  R   R 相 对 第 = 项  R /    /    V

对于R 不太大 ,R 不 太小的情况 ,式 ()     4 可近似为 

F( F  R

F( L一y 一导 ] F  [ 訾 了   O     』自 J  J 』

(  5 )

其 中 ,,、 V 分 别 为实 际 电池 的 最 大 输 出 功 率 点 的 电流 和 电压 。 从 式 ( ) 见 , 大 功 率 点 的      5可 最 电流 和 电压 及 串 、 井 联 电 阳影 响 电池 的 填 充 因子 。 通常 非 晶 硅 太 阳 电池 的 短路 电 流 与 光 强 成  正 比 , 而 开 路 电 压 受 光 强 的影 响较 小 , 因 而 可 以 认 为 在 弱 光 情 况 下 电流 是 影 响 太 阳 电池 填 充  因 子 的 主 要 因素 。从 式 () 出 , 当 入 射 光 由 强变 弱 时 , , 5看  由大 变 小 , 变 化 不 大 , 中第 二    式 项 绝 对 值 变 小 , 第 三 项绝 对 值 变 大 , R 太 大 或 R 太 小 对 太 阳 电池 的 填 充 因 子 都 很 不 利 。      

三 、 实 

验 

我 们 研 制 的 非 晶硅 太 阳 电 池 结 构 为 玻 璃 /n / (— i H) ia S : / (— iH)  S O:p a S c: / (— iH) n a S : / A l p i n各 层 由射 频 电 容耦 合辉 光 放 电沉 积 而 成 , 沉 积 在 单 室 进 行 。 p层 为 掺硼 氢 化 非  。 . 、

晶碳化硅 , i 层为本征 非晶硅, 厚度在3 0 A到5 0 ^。n 00 00 层为掺磷 非晶硅。 层 与 i 之间沉  在p 层 积 一 层 S  变 层 , 以 减 少 p 与 i 之 间的 界 面 缺 陷  背 电极 蒸 镀A1 系统 真 空 度 为 l  帕  i C缓 层 层 , 0 背 电极面积 由光学显微镜 测量 。电池转换效 率用太 阳模拟器 测量 ,条件为AM1 5 辐射功 率  .,
为 10 0 mW /  。 光 强 为 1’   l  条 件 下 的 太 阳 电池 , c 0L 和 OL 一  曲线 也 用 太 阳 模拟 器 测 量 。  

四 、结 果 与 讨 论 
经 过 光 老 化 的 非 晶 硅 太 阳 电 池 样 蜀 编 号 为 1 2的卜一 和  特 性 曲 线 如 图 2所 示 。测试 条 件 

为AM .,辐射光功率 密度为l 0 15   mW/ m 。 0 c*  

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王健 伟: 非晶硅 太 阳 电池在 弱光 条 件下 的性 能分 析 

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图 2 a S 太 阳 电池,   —  一 特性 曲线 
j 面 积 0 14 m , V。 . 9 V, , I .g . .3c    0 8 4   2 O mA/ m  FFO 6 , r .  c , .3 } 1 7 2 面 积 0 1 4 m , V。 0 8 2 . .3 c     . 9 V, , 1 .4   2 5 mA/ m , FFO 0 , 6 9 c  .2  . 

由 图 2可 以 看 出 , 电 池 l和 2的 转换 效 率 相 差 很 小 , 约 在 3 以 内 。 表 1 出 了上 述 电    给
池 的P i n 层 的光电特性。 、 、 三  
表 1 用于非 晶硅 太 阳电 池 的p 、n   ,i 层光电 特性 
— 、 、
~  

鬯 粤 

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类 别








导 

D(/ m) 5c  







口_ s e )  (/ r   a



 

5× 1 0一 

3× 1 0—0  

2×j 一 。     0   1—     0

2× 1 一   0 ‘ 2× 1 一 0 

电池 1和 2在 光强 l   和 l   情 况 下 的 电流 一 电 压 曲 线 如 图 3和 图 4所示 。 可 以看  0L 0L 出 , 强 光 下太 阳 电 池 1的 填 充 因子 变 坏 , 而 电池 2的 填充 因 子 变 好 。   、  

V (   V)



☆ _ 』  

图 3 光 强为 l    —   阳电池 ,   OL 时a S 太 一 特 性 曲线  1 FFO 5 ,V 0 7 2 . . l   . 8 V, f 1 2 …  lmA/ m  c 2 FF . 0 V。O.0 V, , 1 1 【A/ r。 . O7 , 。 87   .2| CI  I 1

图4 光 强 为 I 。   — i 阳 电池 f OL 时a S 太 — 特性 曲线  1 V…0 2 V,, c l2 .  0 ‘0_ 1mA/ m。 FFO 2 , v c , . 7  2 V。 O 7  .   . lv,f 0 1 2   . 1mA/ m ̄ FFO 7   c , .0

; 一O  ?

5— 1
. 

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l  ,

图 5 无 光照 时a S 太 阳 电池特 性 曲线    —i

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太 

阳 

能 

学 

报 

图 5给 出 了太 阳 电池 l和 2在 无 光 照 条 件 下 的 电流 一 电 压特 性 。 可 以 看 出 , 阳 电 触 l 太 和  2在 暗状 态 下 都 具 有 较好 的 二 极管 特性 , 其 电流 一 电 压 曲 线 几乎 重 台 , 说 明 电池 l 电池 2 和 的 
并联 电 阻 都 不 小 。   对 于 太 阳 电池 l, 将 测 试 数 据 代 入 式 ( ) 在 强 光 下 有  5,
0. 3 6 

14 . 5× l 一 R 0’ 
0.   67

0.   67

14 . 5× 1   R  0

(6 )  

在 1‘   强 下有  0L 光

01F( [一 一 ] .=F , -      5 0  
在 1    强 下 有  0L 光

07F( [一 .=F, 1  2 0  
从式( 6— 8) 求 得 : 可  
R  ̄ ' 0  60

一  

]  

(8 )  

R p 2× l 4 ≈ 0 0 

同 样 对 于 电 池 2, 将 测 试 数 据 代 八 式 ( ) 在 强 光 下 有   5,

02 .= 6 
在 l4   强 下有  0L 光

)1  ,一 [
1. 8 × l * 2 0-R  0.   67

一1 4× l ~R  J   0   .
0.   67 1 28 × l   . 0

0. 7 6 

]  

(0 )  

00F( z 一 .=F  [   7 0 1
在 l   强 下有   L 光

( 0  1 )

00F( [一 .=F , 1  7 0  
从 式 (一 1 可求 得 : 9 I)  

1 31   0 . ,x 1 ~R  0. 6 5 

0. 6 1● ●5   』   1 31   0 R . ,x l    

R  ≈ 6 0 0  

Rp ≈ 4 × 1  0 O 

从 上 述 结 果 可 以 看 出 电池 l 2具 有 相 同 的 串联 电阻 。 串联 电阻 来 源于 P 与 S Ot 的  、 层 n 层 接 触 电 阻 , n 与 背 电 极的 接 触 电阻 以及 S O: 非 晶 层 的 体 电 阻 , 因 电池 l和 2的 制 造 条 件  层 n 和 相 同 , 所以 串 联 电阻 也 相 同 。 电池 2的 并联 电阻 比 电池 l约大 两 个 数 量 级 , 说 明 电池 2的各  层 结 构 比较 完 整 , 缺 陷 少 , 而 电池 l 能 存 在 针 孔 等 结 构 缺 陷 ,形 成 p 结 之 间 的 漏 电流 。 、 可 n   要 提 高 太 阳 电池 的 转 换 效 率 ,必 须 减 小 串 联 电阻 和 增 大 并 联 电阻 , 消 除 各 层 薄膜 的 结 构  缺 陷 。要 提 高 太 阳 电池 弱 光 特 性 ,主 要 在于 提 高 并 联 电阻 。在 强 光 下 特 性 较 好 的 太 阳 电池 ,   会 因 并 联 电阻 不 够 大 , 在 弱 光 下 变 得 很差 。  

五 、结 

论 

非 晶硅太阳 电池的 串联 电阻莉并联 电阻会 降低太阳 电池的填充 因子 ,导致太 阳电池 光 电 
转 换 效 率 的 下 降 。 影 响 非 晶 硅 太 阳 电池 弱 光性 能 的 主 要 因 素 是 并 联 电阻 , 高 各层 噗 的 质 量 , 提   减 小p 结 漏 电流 , 有 助 于 提 高 太 阳 电池 的弱 光性 能 。 n  

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献 

1 N S   h u  s l n o s   e ] EEE Tr n ac i n  o  e e t o d v c s r c a s t o s n L c  ̄ n e i e ,V o   [I] D . E. Car  O . Am o p o s ii o  s l r c 1. I  
36, l 089, N o.1   2.

[2] 汤 定 元等 , 光 电器 件概 论  3 ,上海 科学 技 术 出版 社 , I 8 .     ,2 6   g  g

A NAL YSI O F —   S  a SiSO LAR  CE   ERF0 RM A NCE LL P   UNDER LO W   LLUM I   I NA TI N  O
W a g in we  n  Ja - i
( i ig G n   l Re e r k I s iu e y r No —   o s M e a s Be j n   e e a   s a c   n tt t  o   n Fe r u   r r  ̄ l ,Be tn ? [ 0 8 ) l g 0 0 8  i A b ta t src 
U sn  a i p i e  e ui a e  c r u t t e e f m a c  o a i oor l 1 u de   l w  i g  sm lf d q v l nt ic i  h  p ror n e l —S s l  c;   n r o i 1 il i ato  w a  an l ed j i s o n h  t e e it c  i  p r le i  t e k y f c o  lum n i n s a ys     s h w  t at h  r ssan e n t a a ll s h   e   a t r w h c  a f c s h  a i h fe t t e —Si o a  c l ero m an e  s l r e I  p i r c  un r o de l w il m i a i n. lu n to  


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