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2004年全国太阳能光伏组件技术 培训班 太阳电池测试专题培训讲义 主讲 徐林 上海交通大学太阳能研究所 主办单位：国家发改委世行项目办 上海交通大学太阳能研究所 第一章 太阳电池测试原理 第一节 光电流和光电压 一、光电流 光生载流子的定向运动形成光电流。如果入射到电池的光子中，能量大于禁带宽度的光子均能被电池吸收，而激发出数量相同的光生电子—空穴对，且可以被全部收集，则光生电流密度的最大值为 （2-1） 式中为每秒入射到电池上能量大于的总光子数。考虑光的反射、材料吸收、电池厚度及光生载流子的实际生产率后，光电流密度可以表示为 （2-2） （2-3） 式中，为入射到电池上波长为、带宽为的光子数；为量子产额，即一个能量大于的光子产生一对光生载流子的几率，通常情况下可以令；为和波长有关的反射因数；为对应波长的吸收系数；为距电池表面处厚度为的薄层；为电池总厚度。表示处的光生载流子的产生率。 这个表达式认为，凡是在电池中产生的光生载流子均可以对光电流有贡献，因而是光电流的理想值。 在如图2-1所示的简化太阳电池结构图中：（1）太阳电池的n区、耗尽区和p区中均能产生光生载流子；（2）各区中的光生载流子必须在复合之前越过耗尽区，才能对光电流有贡献，所以求解实际的光生电流必须考虑各区中的产生和复合、扩散和漂移等各种因素。为简单起见，先讨论波长为带宽为、光子数为的单色光照明太阳电池的情况。 类似p-n结正偏，在单位面积的太阳电池中把看为各区贡献的光电流密度之和 （2-4） 其中、、分别表示n区、耗尽区、p区贡献的光电流密度。在考虑各种产生和复合后，即可以求出每一区中光生载流子的总数和分布，从而求出电流密度。 先考虑和，根据肖克莱关于p-n结的理论，假设图2-1的太阳电池满足： 光照时太阳电池各区均满足pnni2，即满足小注入条件。 耗尽区宽度W扩散长度Lp，并满足耗尽近似。 基区少子扩散长度Lp电池厚度H，结平面为无限大，不考虑周界影响。 各区杂质均已电离。 于是可列出在一维情况下，描述太阳电池工作状态的基本方程： 对n区 （2-5） （2-6） 对p区 （2-7） （2-8） （2-9） 方程（2-5）称为电流密度方程，它表示n区中的空穴决定的电流密度等于空穴的漂移分量与扩散分量的代数和。方程（2-6）称为连续性方程，它表示在单位时间单位体积的半导体中，空穴浓度的变化量等于净产生率（产生率减复合率）与空穴流密度梯度的代数和。其中末项前的负号分别表示扩散流动方向和空穴浓度梯度方向及电流密度方向均相反。方程（2-7）（2-8）分别为p区中自由电子决定的电流密度方程和连续性方程。方程（2-9）称为泊松方程，表示半导体中电势的空间分布和空间电荷的关系。 受照明的太阳电池被短路时，p-n结处于零偏压。这时，短路电路密度等于光电流密度，而正比于入射光强，即： 二、光电压 由于光照而在电池两端出现的电压称为光电压，它像外加于p-n结的正偏压一样，与内建电场方向相反，这光电压减低了势垒的高度，而且使耗尽区变薄。太阳电池开路状态的光电压称为开路电压。 在开路状态下，有光照时，内建电场所分离的光生载流子形成由n区指向p区的光电流，而太阳电池两端出现的光电压即开路电压却产生由p区指向n区的正向结电流。在稳定光照时，光电流恰好正和正向结电流相等（）。p-n结的正向电流可由下式得出 （2-10） 于是有 （2-11） 两边取对数整理后，当时，得 （2-12） 在AM 1条件下，，所以