太阳能电池的I-V特性及其他性能参数

前面已介绍的基本参数包括：开路电压Voc；短路电流Isc；漏电电阻Rsh；串联电阻Rs。以下我们围绕电池I－V输出特性曲线介绍：最大功率Pm；能量转换效率η；填充因子FF。还将介绍电池的物理特性参数：内、外量子效率IQE、EQE；温度系数；反向饱和电流密度J0。

从等效电路图（见图4．4）我们知道太阳电池的输出电流将是一个相对恒定的光生电流Iph减去一个二极管的暗电流，再加上漏电电阻Rsh与串联电阻Rs的影响，如图4．6所示。在图4．4所示回路中令负载电阻R在0到无穷大之间变化，并记录相应I，V变化，可得到图4．6第一象限部分。这是半导体太阳电池的正常工作范围。光伏业内习惯上将电压V作为横坐标，电流作为纵坐标。图4．7示出一条来自太阳电池生产车间的实测P型多晶硅太阳电池在标准太阳光辐照（AM1．5，见第2章）条件下的输出I－V曲线，和由测量仪给出的相应输出参数。可以看到硅晶体太阳电池的I－V输出与基于等效电路和肖克莱方程预测的I－V曲线形状相当一致。

图4．6　太阳电池I－V曲线与相关参数示意图

图4．7　一片P型多晶硅太阳电池在标准太阳光辐照条件（AM1．5）下的I－V输出测量结果（图中电流为密度，mA／cm2）

太阳电池输出功率P＝IV从开路时为0，随负载电阻降低电流增大，功率逐增，至短路时又复为0，之间有最大值Pm＝ImVm，称为最大输出功率。光伏发电系统技术的任务之一就是要随时跟踪匹配，令太阳电池在其最大功率点工作，产生最大功率输出。目前此类技术已发展成熟而成为常规技术。

填充因子FF（Fill Factor）的定义很简明：

其物理意义相当于I－V曲线的“直方度”，是电池工艺质量的常用表征参数。因为串联电阻和漏电都使I－V曲线更斜即更远离直方型，集中体现在使FF变小。现在一般较好的硅片太阳电池FF值都在0．75～0．85范围。理想情况下，FF仅由Voc决定，为

这应看做是填充因子的上限值。

太阳电池的能量转换效率为电池最大输出功率Pm与照射到电池表面的光功率PL之比：(www.xing528.com)

它可以说是最具代表性的、最突出的太阳电池输出性能指标。当前硅片太阳电池商业产品的效率在17%～22%范围。图4．1所示常规结构的电池效率范围也达到了17%～19%。

量子效率指入射光量子被太阳电池转化为电荷输出的效率，依不包含和包含光的反射影响而分为内量子效率IQE与外量子效率EQE，其定义为

式中：Q为单位时间、单位面积入射光子数，R为光反射率。显然量子效率与入射光的波长密切相关，因此也被称为太阳电池的频率响应。内量子效率便于研究者排除外界因素，直接考察电池本身对各波段光的光伏发电响应；而外量子效率则将表面反射这一重要因素包括进来，体现电池对外来光照的总光伏响应。不同波段量子效率来自电池内部不同区域的贡献。图4．8给出了对一种p型硅衬底太阳电池内量子效率的理论计算分析结果。可以看到，在较短波长范围，量子效率主要来自表面层n区；在较长波范围，量子效率主要来自衬底p区；耗尽层虽然很薄，其贡献比例也很可观。这里我们也可清楚看到，称太阳电池正表面掺杂层为“发射区”，似意只有此处对外发射输送载流子，其实不妥，因其他区同样“发射”甚至贡献更大。

图4．8　一种p型硅衬底太阳电池内部各区域（衬底，表层n型区，耗尽层）对内量子效率的贡献，及太阳电池总量子效率的理论计算结果［7］。虚线代表理想的内量子效率曲线

太阳电池的量子效率现在可以较容易地实测。对于太阳电池性能优化与问题诊断研究来说，它们是十分重要的信息。图4．9给出了一组实验室获得的调整表面掺杂分布改善硅晶太阳电池内量子效率的例子：常规掺杂的电池短波部分内量子效率（蓝光响应）不佳，降低掺杂浓度则能有效地提高其蓝光响应，在所示三种掺杂工艺下都得到了这个效果。图中同时给出了电池表面反射率，它们对掺杂工艺并不敏感。

图4．9　常规掺杂工艺硅晶太阳电池及三种工艺（浅结、离子注入、深结）得到的同类但低掺的太阳电池的内量子效率IQE和反射率R［8］

作为一种半导体器件，太阳电池各种性能都会随温度降低而提高，随温度升高而下降，在室温上下40℃的范围这种变化基本保持线性，温度系数即为该线性系数，代表温度每升高一摄氏度引起的参数变化。最重要的温度系数为转化效率的温度系数，一般温度系数如不加说明即指转化效率的温度系数。对p型硅片太阳电池，它一般约为－0．045%／℃，意味着如温度升高22℃，电池转换效率绝对值就会下降1%；按现有资料报告，n型硅片太阳电池和硅薄膜太阳电池的温度系数都相对低些。

反向饱和电流I0与太阳电池输出性能的关系体现在它对Voc的影响，式（4－3）。反向饱和电流越大，电池的输出性能越低；从其关系式（3－28）来看，它与电池材料中两种载流子的扩散长度都呈反比关系，是材料纯度和结晶质量的重要表征。在太阳电池生产与研发中，它也是被关注和报告的太阳电池基本性能之一。