太阳能电池效率的影响因素分析孔繁业

太阳能电池效率的影响因素分析孔繁业

孔繁业

孔繁业

青海聚能电力有限公司青海西宁810000

摘要：随着我国在可持续发展观的理念逐渐深入背景下，走可持续发展道路已成为必然，通过对可再生能源的充分利用不仅能够起到保护自然资源的作用，同时也能够起到对环境的保护作用。太阳能作为取之不尽用之不竭的纯净能源，对其进行开发利用在近些年的发展过程中愈来愈受到人们的关注。本文则主要就太阳能电池的研究意义以及原理进行论述，并将影响太阳能电池效率的因素进行分析，提高太阳能电池效率。

关键词：太阳能；电池效率；影响因素

一、太阳能电池研究的意义与原理

（一）研究意义

太阳能是一种清洁能源，太阳能的开发与利用有了很长的历史。是随着太阳能开发技术的提高，丰厚的利润吸引的一批批研究者，随着研究的深入，气象资源的国有化，同行业的竞争，使太阳能开发技术已经不能满足需求，人类不得不走上增加太阳能效率的道路上来，太阳能电池的研究又是所有研究的基础，其主要因素有开路电压、短路电流、最大功率点等。

在有限的设备资金投入限制下，要想对太阳能电池效率进行提高，就必须拿出一些新的输出特性函数，也就是提出一些简单实用的I-V特性函数，这是太阳能电池长远发展的必要条件。

（二）太阳电池的工作原理

太阳能之所以能转换成电能，是利用太阳光使电池发电形成的。太阳电池发电的原理主要是半导体的光电效应，即光电材料吸收光能后发生光电子转换，然后在PN结作用下产生电动势，输出电能。电池器件其实就是一个大面积的PN结。

当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层界面，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的内建电场，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。当太阳光照射这种半导体材料时，能量大于禁带宽度的光子在PN结两边的P区和N区发生本征吸收，从而激发产生很多的电子-空穴对即光生载流子，PN结界面附近的电子和空穴在复合之前，将在内建电场的作用下相互分离。电子向带正电的N区运动使得N区电子富集，空穴向带负电的P区运动使得P区空穴富集。整个PN结材料两端宏观表现出电势差，即光生电动势。当PN结材料两端连接成回路时，电路中出现电流。通过光照产生的电动势越大，回路中电流越大。

二、影响太阳能电池效率的因素分析

（一）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。

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。

（二）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。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。

（三）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。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。

三、提高太阳电池效率的途径

（一）优化晶体硅材料

太阳电池的效率与硅材料的电阻率及少子寿命有着极其密切的联系。参杂浓度越大则反向饱和电流密度越小，少子寿命τn越长，Voc则也越大。因此，理想的太阳电池基底应该是低电阻率和高少子寿命。理论和实践都证明：0.5～3Ω·cm左右的工业生产直拉单晶硅片及铸锭多晶硅片都可以有很好的效果。

（二）减小暗电流

由I=Iph-Id可以看出，减小暗电流才可以增加短路电流。也就是要减少串联电阻，增加并联电阻，必须减少金属杂质以及其它能够作为复合中心的杂质、缺陷等出现在空间电荷区，抑制高掺杂效应，增加各区的少子寿命。

（三）提高丝网印刷技术

目前常规工业化晶硅太阳电池的正面金属栅线面积约占整个电池面积的8%。因此为了降低栅线遮挡造成的电池效率损失，可以从以下几个方面考虑：

缩小细栅的宽度：工业化生产中丝网印刷的细栅线的宽度已经从过去几年的140～150μm逐步降低到100～120μm左右，并有继续缩小到80μm左右的潜力。

栅线内反射：栅线是良好的光线反射体，通过特殊设计，可以将部分反射光线通过玻璃、封装材料等内反射再回到电池片表面。

（四）不断调整优化工艺流程

为提高太阳电池的转换效率和控制工艺的稳定性，在工艺过程中增强少子寿命测试对生产过程的监控是非常重要和必要的。通过少子寿命的监控，明确地知道每个工艺过程的质量情况，可以及时调整生产工艺，获得良好的工艺流程，从而达到控制生产过程的目的。提高太阳电池的转换率。

四结语

提升太阳能的电池效率对于我国的发展来说是迫在眉睫的，随着当前我国的经济不断发展，对资源的需求量会愈来愈大，加强对可再生能源以及相关技术的发展及应用对推动我国的绿色发展有着重要作用。太阳能电池的相关技术应用正是很好的新能源替代不可再生能源的典型示范，故此要能够在这一方面的理论研究及实践进一步的加强。

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