晶硅電池轉換效率的理論上限？

1954年貝爾實驗室的CHAPIN等三人發表了第一篇關于硅太陽電池的文章，在這篇文章中就已指出有反射、復合、電阻三方面的因素使電池的效率低于某個上限。

早在1961年，William Shockley等人根據細致平衡原理在只考慮輻射復合作為電子－空穴對唯一的復合機制的理想情況下，通過計算得出p-n結太陽能電池的效率極限為30％。

利用新南威爾士大學光伏與可再生能源工程學院免費發布的一維太陽電池計算模擬軟件PC1D計算，輸入完全理想條件得到地面標準太陽光（AM1.5G）照射條件下，溫度為25 ℃時，晶體硅電池理想條件下效率為26.8％。

德國ISFH在2019年Silicon PV的報告會上基于載流子選擇性的概念從理論上對不同結構太陽能電池的理論效率極限做了細致的分析，結論是鈍化接觸電池（例如TOPCon電池）具有更加高的效率極限（28.2%~28.7%），高于HJT的27.5%極限效率，同時也遠遠高于PERC電池（24.5%），TOPCon電池最接近晶體硅太陽能電池理論極限效率（29.43%）。

各類太陽能電池最新進展，2019年11月，來源：NREL


效率公式


式中Pin是太陽電池整個面積的總輸入光功率.對于陸地上的應用, 標準測試條件是: 一個太陽,AM1.5G, 1000W/m2(或100mW/cm2), 25 ℃。

因此,太陽電池的三個參數Voc，Isc和FF就能確定太陽電池的效率。為了獲得高的效率,這三個參數應該盡可能高。

(a)為了獲得高的開路電壓Voc，電池必須有低的正向暗電流I0,高的并聯電阻Rsh。

(b)為了獲得高的光電流(短路電流Isc)，電池材料和結構應該在紫光，可見光和近紅外光譜范圍有高的，寬的和平坦的光譜響應，內量子效率接近于1。

(c)為了獲得高的填充因子FF，電池必須有低的正向暗電流I0，理想因子“n”接近于1，串聯電阻必須低(<1Ω)，并聯電阻Rsh必須大(>102Ω·cm2)。

開路電壓Voc


式中, I0是無光照時電池的反向飽和電流；q是電子電荷；k是玻爾茲曼常數；T是絕對溫度；n是二極管理想因子。

影響因素

材料－光伏有源材料：電阻率ρ，少子壽命τ，其它雜質等。

表面發射極摻雜層；

背面電場；

漏電流－反向飽和電流I0；

理想因子n；

并聯電阻Rsh；

鈍化技術－電池材料的表面和內部的鈍化。

短路電流Isc

短路電流Isc：理想狀態下，應等于光生電流IL，即Isc＝IL。

影響因素

絨面結構

正面減反射膜；

表面發射極摻雜層－高或低的磷濃度；

減少遮光損失；

串連電阻Rs；

背面反射；

鈍化技術－電池材料的表面和內部的鈍化。

填充因子FF


影響因素

表面發射極摻雜層－高或低的磷濃度；

去除周邊pn結和去磷硅玻璃；

串連電阻Rs(電極接觸、金屬指條寬度和縱橫比大小);

正面減反射膜；

金屬電極接觸的烘烤、燒結；

并聯電阻Rsh。

為了提高絲網印刷（SP）填充因子FF，必須解決下列問題：

（1）金屬電極接觸的燒結對總串連電阻Rs（特別是對rc）的影響；

（2）金屬電極接觸的燒結對pn結質量（并聯電阻Rsh和J02）的影響。