晶硅电池效率理论上限？

晶硅电池转换效率的理论上限？

1954年贝尔实验室的CHAPIN等三人发表了第一篇关于硅太阳电池的文章，在这篇文章中就已指出有反射、复合、电阻三方面的因素使电池的效率低于某个上限。

早在1961年，William Shockley等人根据细致平衡原理在只考虑辐射复合作为电子－空穴对唯一的复合机制的理想情况下，通过计算得出p-n结太阳能电池的效率极限为30％。

利用新南威尔士大学光伏与可再生能源工程学院免费发布的一维太阳电池计算模拟软件PC1D计算，输入完全理想条件得到地面标准太阳光（AM1.5G）照射条件下，温度为25 ℃时，晶体硅电池理想条件下效率为26.8％。

德国ISFH在2019年Silicon PV的报告会上基于载流子选择性的概念从理论上对不同结构太阳能电池的理论效率极限做了细致的分析，结论是钝化接触电池（例如TOPCon电池）具有更加高的效率极限（28.2%~28.7%），高于HJT的27.5%极限效率，同时也远远高于PERC电池（24.5%），TOPCon电池最接近晶体硅太阳能电池理论极限效率（29.43%）。

各类太阳能电池最新进展，2019年11月，来源：NREL


效率公式


式中Pin是太阳电池整个面积的总输入光功率.对于陆地上的应用, 标准测试条件是: 一个太阳,AM1.5G, 1000W/m2(或100mW/cm2), 25 ℃。

因此,太阳电池的三个参数Voc，Isc和FF就能确定太阳电池的效率。为了获得高的效率,这三个参数应该尽可能高。

(a)为了获得高的开路电压Voc，电池必须有低的正向暗电流I0,高的并联电阻Rsh。

(b)为了获得高的光电流(短路电流Isc)，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。

(c)为了获得高的填充因子FF，电池必须有低的正向暗电流I0，理想因子“n”接近于1，串联电阻必须低(<1Ω)，并联电阻Rsh必须大(>102Ω·cm2)。

开路电压Voc


式中, I0是无光照时电池的反向饱和电流；q是电子电荷；k是玻尔兹曼常数；T是绝对温度；n是二极管理想因子。

影响因素

材料－光伏有源材料：电阻率ρ，少子寿命τ，其它杂质等。

表面发射极掺杂层；

背面电场；

漏电流－反向饱和电流I0；

理想因子n；

并联电阻Rsh；

钝化技术－电池材料的表面和内部的钝化。

短路电流Isc

短路电流Isc：理想状态下，应等于光生电流IL，即Isc＝IL。

影响因素

绒面结构

正面减反射膜；

表面发射极掺杂层－高或低的磷浓度；

减少遮光损失；

串连电阻Rs；

背面反射；

钝化技术－电池材料的表面和内部的钝化。

填充因子FF


影响因素

表面发射极掺杂层－高或低的磷浓度；

去除周边pn结和去磷硅玻璃；

串连电阻Rs(电极接触、金属指条宽度和纵横比大小);

正面减反射膜；

金属电极接触的烘烤、烧结；

并联电阻Rsh。

为了提高丝网印刷（SP）填充因子FF，必须解决下列问题：

（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；

（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。