!太阳能电池测试技术培训

1、2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班 2004 年全国太阳能光伏组件技术 培训班 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 2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班 第一章第一章 太阳电池测试原理太阳电池测试原理 第一节第一节 光电流和光电压光电流和光电压 一、光电流一、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 g E 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 )(max) gphL EqNJ= （2-1） 式中)( gph EN为每秒入射到电池上能量大于 g E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 ddxxqG ddxeaRQqJ H L H xa L = = 00 00 )( )( )()(1)( （2-2） xa L

2、 eaRQxG )( )()(1)()( = （2-3） 式中，)(为入射到电池上波长为、带宽为d的光子数；Q为量子产额，即一个 能量大于 g E的光子产生一对光生载流子的几率， 通常情况下可以令1=Q；)(R为和波长 有关的反射因数；)(a为对应波长的吸收系数；dx为距电池表面x处厚度为dx的薄层；H 为电池总厚度。)(xGL表示x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d、光子数为)(的单色光照明太阳电池的情况。 2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班 类似 p-n 结正偏，在单位面积的太阳电池中把)( L J看为各区贡献的光电流密度之和 )()()( pcnL JJJJ+=

3、 （2-4） 其中)( n J、)( c J、)( p J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 n J和 p J，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： (1) 光照时太阳电池各区均满足 pnni2，即满足小注入条件。 (2) 耗尽区宽度 W电池厚度 H，结平面为无限大，不考虑周界影响。 (4) 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 dx dp qDpqJ n pnnpp = （2-5） dx dJ q UG dt dp p nL n 1 = （2-6） 对 p 区 dx dn qDnqJ p nppnn += （2-7） dx dJ q UG dt dn n pL p 1 += （2-8） )( 0 npNN q dx d AD r += （2-9） 入射光 H W pn E h123 x xn xjxpxH 图 2-1 太阳电池结构 2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班2004 年全国太阳能光

4、伏组件技术培训班 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： = phLsc NJJ 二、光电压二、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 oc V。 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 L J， 而太阳电池两端出现的光电压即开路电压 oc

5、V却产生由 p 区指向 n 区的正向结电流 D I。 在稳定光照时，光电流恰好正和正向结电流相等（ DL JJ=） 。p-n 结的正向电流可由下式 得出 = 1 0 AkT qV D eJJ （2-10） 于是有 = 1 0 AkT qV L oc eJJ （2-11） 两边取对数整理后，当1A时，得 +=1ln 0 J J q AkT V L oc （2-12） 在 AM 1 条件下，1 0 J JL ，所以 0 ln J J q AkT V L oc = （2-13） 显然， oc V随 L J的增加而增加，随 0 J的增加而减少。似乎开路电压也随着曲线理想因 子 A 增加而增加，实际上 A 因子的增加，也是与 0 J的增加有关，所以总的来说，A 因子大 2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班 的电池开路电压不会大。在略去产生电流影响时，反向饱和电流密度为 pD i p nA i n LN n qD LN n qDJ 22 0 += （2-14） 因为 kT qV DAi D eNNn = 2 所以 kT qV kT qV p A p n

6、D n DD eJe L N qD L N qDJ = += 000 （2-15） 其中 += p A p n D n L N qD L N qDJ00 D V为最大 p-n 结电压，等于 p-n 结势垒高度。把式（2-15）代入式（2-13） ，当1=A时 可得 L Doc J J q kT VV 00 ln= （2-16） 在低温和高光强时， oc V接近 D V， D V越高 oc V越大。因为 2 ln i AD D n NN q kT V，所以 p-n 结两边掺杂度越大，开路电压也越大。 2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班 第二节第二节 太阳电池的等效电路太阳电池的等效电路 当受到光照的太阳电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端产生端压，这时 可以使用一个等效电路来描述太阳电池的工作情况。图中把太阳电池看成稳定产生光电流 L I的电流源（假设光源稳定） ，与之并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻 sh R，显然，二极管的正向电流 =1 0 AkT qV D eII和旁路电流 sh I都是靠 L I提供的，剩余的

7、光电流经过一个串联电阻 s R流入负载 L R。 由等效电路可得，当流入负载 L R的电流为I，负载端压为V时， sh Ls AkT IRVq LshDL R RRI eIIIIII s )( 1 )( 0 + = + （2-17） L IRV= （2-18） 当负载 L R从 0 变化到无穷的时候，就可以根据上式画出太阳电池的负载特性曲线（伏 安特性曲线） 。曲线上的每一点称为工作点，工作点和原点的连线称为负载线，斜率为 L R 1 ， 工作点的横坐标和纵坐标即为相应的工作电压和工作电流。若改变负载电阻 L R到达某一个 特定值 m R，此时，在曲线上得到一个点M，对应的工作电流与工作电压之积最大 （ mmm VIP =） ，我们就称这点M为该太阳电池的最大功率点，其中， m I为最佳工作电流， IL ID Cj Rsh Ish Vj Rs RL I 图2-2 p-n结太阳电池等效电路 2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班 m V为最佳工作电压， m R为最佳负载电阻， m P为最大输出功率。 负载特性曲线如下图所示： O Vm Voc I

8、m Isc V I A M m R 1 图 2-3 太阳电池负载特性曲线 2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班 第三节第三节 参数的测量及计算参数的测量及计算 当负载 L R连续变化时，经过测量得到一系列 IV 数据，由此可以作出如图 2-3 所示的 太阳电池的伏安特性曲线，同时计算出一些重要的参数。这些参数主要包括：开路电压 oc V， 短路电流 sc I，最佳工作电压 m V，最佳工作电流 m I，最大功率 m P，填充因子FF，串联电 阻 s R，并联电阻 sh R和电池效率。 1. 开路电压 oc V，短路电流 sc I的计算 从图 2-3 上可知，测量得到的曲线与 V、I 两轴的交点即开路电压 oc V，短路电流 sc I。 2. 最佳工作电压 m V，最佳工作电流 m I，最大功率 m P的计算 一般情况下，直接求 m P会有一些麻烦。所以，可以在计算机上按照步长，求得每一点 的IVP=，然后直接取其中的最大值就是 m P了。这时，该点所对应的电压和电流也就是最 佳工作电压 m V，最佳工作电流 m I。 3. 填充因子FF的计算 最大功率（ m P）与开路电压短路电流之积（ scoc IV）的比值就称为填充因子（FF） ， 在图 2-3 中所表示的就是四边形 mmMV OI与四边形 ocscAV OI面积之比。 scoc mm scoc m IV IV IV P FF= 填充因子是表征太阳电池性能的优劣的重要参数之一。 4. 并联电阻 sh R与串联电阻 s R的近似解法 由第二节等效电路可得，当流入负载 L R的电流为I，负载端压为V时， sh Ls AkT IRVq LshDL R RRI eIIIIII s )( 1 )( 0 + = + （2-17） L IRV= （2-18） 2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班2004 年全国太阳能光伏组件技术培训班 考虑在0V

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