自然局限理念

自然局限可称为P-n结暗电流损失，它来自电池P-n结本身，无论其材料和工艺质量如何理想，它都不免面临这样一个境况:它在光照下产生的输出电压同时成为加在它自身的正偏压--再看一下理想太阳能发电电池等效电路就清楚了。

　　它导致一个与光生电流方向相反的净扩散电流。正偏压抵消一部分内建电势，打破了原有漂移与扩散的平衡，故有此净扩散电流其大小可由肖克莱方程近似给出，为I>n结二极管暗电流。它给效率带来的相对损失应为込下标m代表最大输出效率点。

　　对理想电池，其值可按输出功率极值条件求解，但得不到表达式，需输人具体数值如饱和电流与光生电流之比L/U等计算作图求解，对硅晶太阳能发电电池得到上述相对损失为6%～10%。取其下限6%，则效率上限降低为94%X29.4%，取为 27. 6%。

　　自然局限来自温度，太阳能发电电池作为一种半导体器件，温度总是其性能的自然限制因数。理论和经验都表明太阳能发电电池效率随温度线性变化，理论推得晶硅太 阳电池绝对值随温度变化的比例系数约为一0. 04%/°C。

　　因此我们需时刻清楚太阳能发电电池的转换效率受到温度的自然局限。注意，由于上述估算中对电池输出电压等参数的估计值为常温下的经验值，其中已包含温度影响，所以不能把所得效率极限 27. 6%当做0 K时的理想效率。

　　用PC1D计算，输入完全理想条件(无反射、无漏电、无串联内阻、无杂质缺陷复合中心、无表面复合），得到地面标准太阳光(AM1.5)照射条件下，温度为25/°C时，晶体硅电池理想条件下效率为26. 8%，开路电压为0.75V。与以上估计颇为接近。

　　马丁·格林对自然局限下硅太阳能发电电池效率上限的一种半理论半经验分析得出29%的结论；他同时所作一种基于黑体辐射平衡的理论分析得出效率上限在30%以上。有兴趣的读者可参阅本章所列其所著参考书。总体来看，30%应是对常温下硅晶太阳能发电电池能量转换效率上限的较为稳妥的估计。

　　前面的分析中，我们未将光的反射、表面复合等列入自然局限因素。因为它属于业界不断努力克服的因素，虽然我们知道它不可能消失为零，但没有理论能给出 一个下限。而温度、扩散、太阳光谱与半导体禁带特性这些都属于无可避免、相当“本征”的自然因素，至少到今天还是如此。

当然，技术发展无界,今天看来“本征”的局限，明天可能会被撼动。太阳光谱或可被某种上转换和下转换薄膜“修整”到更适合于太阳能发电电池接受，实际上十多年前已有此类研究尝试；异质结和多结太阳能发电电池亦能提高太阳光利用率，当然它没有改变半导体P-n结太阳能发电电池效率受暗电流局限的本质。

　　当结合光的反射，便面复合等自然局限因素时，它所需努力不断的克服狠多的因素，在温度扩散太阳光谱等不可避免的自然因素至今还是如此。自然局限狠多是来自温度，它本身的电流损失。

更新时间：2015-6-15 10:38:51
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