实际太阳电池等效电路图及伏安特性曲线分析

图6.8 考虑寄生电阻的太阳电池的等效电路

对于真实的太阳电池器件而言，太阳电池各层材料、前表面和背表面电极接触及引线接触均不可避免地引入了附加电阻。在等效电路中，可将其总效果用串联电阻R_s来表示。此外，由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种影响可用并联电阻R_sh来等效。考虑寄生电阻后的太阳电池的等效电路如图6.8所示。

根据基尔霍夫电流方程和图6.8可知

式中 J_sh，V_sh——由R_sh引起的分流电流和分流电压^[6]。

由式（6.60）～式（6.62）可见，这两种寄生电阻都会降低太阳电池的性能，其中R_s主要是分压的作用，R_sh则主要是分流的作用。因此很高的R_s和很低的R_sh会分别导致太阳电池性能的下降。将上述三个式子带入式（6.54），得到

上式即为考虑了寄生电阻后太阳电池的伏安特性方程。式（6.63）为未考虑各种复合过程的伏安特性曲线，若进一步利用修正后的肖克莱方程式（6.45），则J-V曲线进一步精确为^[7]

根据式（6.64）设定电压V为自变量，J为因变量。在Matlab中编写solarcelljV程序，可以绘出太阳电池J-V特性。自编Matlab程序如下所示：(www.xing528.com)

图6.9和图6.10所示为在其他参数不变情况下，单纯R_s或R_sh变化对太阳电池伏安特性曲线的影响。

图6.9 R_s对伏安特性曲线的影响

图6.10 R_sh对伏安特性曲线的影响

由图6.9可见，太阳电池等效电路中的串联、并联电阻对太阳电池的性能影响很大。随着R_s的增加，FF减小；当R_s增加到非常大的数值时，J_sc开始减小；而V_oc几乎不受R_s的影响^[13]。太阳电池要获得高的效率，就要使R_s减至最小，一般要求R_s在0.5Ω·cm²以下^[14]。

由图6.10可见，随着R_sh的减小，FF同样减小；当R_sh减小到非常小的数值时，V_oc开始减小；而J_sc几乎不受并联电阻的影响^[15]。在太阳电池的制备过程中，总是希望R_sh越大越好，最好在1000Ω·cm²以上^[14]。并且，S.Ashok等^[16]研究发现串联电阻和并联电阻与电池J-V特性曲线的斜率有一定的关系：串联电阻R_s近似等于J-V曲线在V_oc点处斜率的负导数；并联电阻R_sh近似等于J-V曲线在J_sc处斜率的负导数。