使用载流子输运理论分析光电流Jph与暗电流Jdark的关系

当太阳光从太阳电池表面入射到电池内部时，其中能量E大于电池材料禁带宽度E_g的入射光子分别被电池的发射区、势垒区和基区的价带电子吸收。价带电子吸收光子后激发到导带，在电池的各区产生电子—空穴对。在势垒区产生的电子—空穴对，在势垒区内建电场的作用下，将电子扫到n区，将空穴扫到p区，使势垒区的电子—空穴对分离。在n区的势垒边界处，产生的空穴几乎全部被扫入到p区，从而在此处与n区内部形成了指向势垒区的空穴浓度梯度。因而，即使在n区没有内建电场的情况下，空穴仍可以扩散方式向势垒区运动，到达势垒区边界后，即被势垒区的内建电场扫入p区。同理，由于p区势垒边界处的电子浓度近似为零，p区内部也形成了指向势垒区的电子浓度梯度。因此，在不借助电场的情况下，电子仍可以扩散方式运动到势垒区，到达势垒区边界后，即被势垒区的内建电场扫入n区。总之，在内建电场作用和少子的扩散运动两种方式下，各区的光生载流子分别沿不同方向越过势垒区，形成光生电流J_ph。在太阳电池短路的情况下，此时短路电流J_sc和光生电流J_ph相等。这就是光电流J_ph的由来^[1]。回顾2.2节的内容，不难发现J_ph是与入射光子通量和太阳电池材料自身相关的物理量。

注意，在太阳电池接上负载、持续光照的情况下，光生载流子被内建电场分离，电子被扫到n区，空穴被扫到p区的同时，光生载流子便产生一个与内建电场V_bi方向相反的电场，我们称之为光生电场。该光生电场削弱内建电场，使势垒高度降低为q（V_bi-V）。对比pn结的单向导电性可知，此时相当于给pn结施加正向电压V，产生了与光生电流方向相反的电流J_F^[2]。

众所周知，黑暗条件下，太阳电池就是一个处于热平衡状态的普通的pn结。所以J_F产生的物理过程，等同于在黑暗条件下对太阳电池pn结施加正向偏压。所以J_F满足肖克莱方程，更确切地说满足肖克莱方程中V＞0时的情况。因此，定义暗电流J_dark为

这就是暗电流的由来及表达式^[3]。图6.3所示为满足肖克莱方程的暗电流曲线。

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图6.3 满足肖克莱方程的暗电流曲线

若忽略太阳电池自身的电阻，太阳电池就源源不断地向负载供电，此时太阳电池起到了电源的作用。太阳电池对外电路输出的电流为^[4]

在太阳电池断路的情况下，被分离的光生电子和空穴分别在n区和p区积累，形成了以p区为正极、n区为负极的电势差V_oc，这就是太阳电池的开路电压。