基于太陽能光伏電池電流特性的探析

侯宏云

（滁州職業(yè)技術學院 安徽 滁州 239000）

引言

太陽電池的基本工作原理是基于半導體的光伏特性，其核心組成部分是PN 結。PN 結的形成是通過擴散作用將P 型半導體（雜質為三價元素硼、鋁等，多子是空穴，少子為自由電子）與N 型半導體（雜質為五價磷、砷、銻等，多子是自由電子，少子是空穴）制作在同一塊半導體的基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)即PN結，該空間電荷區(qū)也形成一種能量勢壘即PN 結的內建電場，此電場方向由N 區(qū)指向P 區(qū)。同時PN 結也將被分成薄層（N 區(qū)）耗盡層（PN 結）和體區(qū)（P 區(qū)）。在光照或是無光照的條件下PN 結內部會有不同方向的電流產(chǎn)生，這些電流對太陽電池的出力、太陽電池的光電轉換效率以及太陽電池的質量品質都將產(chǎn)生重要的影響。

一、太陽電池內的暗電流

（一）光伏電池暗電流的形成因素

半導體PN 結的暗電流是指在沒有光照的條件下，給PN 結加反偏電壓（N 區(qū)接電源正極，P 區(qū)接電源負極）時產(chǎn)生的反向電流。因為加在PN 結上的反向電壓使得PN 結的空間電荷區(qū)變寬，內建電場變大，電子的電勢能增加，使得P 區(qū)和N 區(qū)的多數(shù)載流子就很難越過內建電場，多子的擴散電流幾乎為零。隨著內建電場的增加，N 區(qū)和P 區(qū)中的少子漂移運動更加容易，暗電流的產(chǎn)生不可避免。對單純的PN 結而言，暗電流可以認為是PN 結加反向電壓時所產(chǎn)生的反向電流。并且反向電壓在較大范圍內變化時，反向電流的數(shù)值變化范圍都很小，大部分情況下認為是不變的，所以習慣把反向電流稱之為反向飽和電流。所以單純的PN 結的暗電流就是反向飽和電流。一般情況下，影響PN 結的暗電流大小的因素除了PN 結兩端的反向電壓外，溫度的變化、半導體的種類和半導體的摻雜濃度都會產(chǎn)生一定的影響。

由于太陽電池的結構和材料具有一定的特殊性，太陽能電池的暗電流，除了包括太陽能電池芯片PN 結的反向飽和電流外，還包含PN 結的薄層漏電流和體區(qū)漏電等多種因素。

（二）光伏電池暗電流的伏安特性

無光照時太陽能電池PN 結暗電流的電流電壓特性可表示為：

其中

I0：逆飽和電流作用，由PN 結兩端少數(shù)載流子和擴散常數(shù)所決定的常數(shù)；

V：光照射時的太陽電池的端電壓；

e：電子電量；

K：為玻耳茲曼常數(shù)；

n:二極管因子，反映PN 結中擴散電流與復合電流的比值關系，理想狀態(tài)下其數(shù)值為1-2 之間；

T:絕對溫度其單位為K。

（三）影響太陽電池暗電流的主要因素：

太陽能電池的種類和生產(chǎn)材料多樣繁雜，太陽能電池生產(chǎn)工藝也具有一定的特定性，這些特殊因素的存在對太陽能電池的暗電流有不可忽視的影響。

首先太陽電池的芯片所使用的材料半導體主要是晶硅，晶硅本身含有氧、碳、硫等雜質，這些雜質的存在會在一定的范圍使太陽電池芯片內的反向電流增加。

其次在太陽電池的生產(chǎn)過程中，切片、清洗、制絨、擴散、等離子邊緣刻蝕等都是太陽電池芯片的重要制作工藝流程。這些流程在實際的操作中除了不同程度地增加硅片中的雜質含量外，還會對硅片表面造成機械損傷。比如太陽能電池硅片的切片加工過程中金屬線鋸會對硅片表面造成不同程度的機械損傷使得切片表面不均勻，同時金屬線鋸的使用還有可能增加硅片中金屬雜質的含量。機械刻槽時也會造成硅片表面機械損傷。太陽能電池的制絨過程中對所使用的濃硫酸或濃硝酸或氫氧化鈉的濃度大小和量的多少有嚴格的要求，酸堿的使用不當也會不同程度破壞PN 結的表面結構，導致太陽電池表面絨的生成不均勻，鍍膜燒結后也容易漏電，這在一定程度上影響了太陽電池內PN 結的反向電流。

除了上述影響因素外，太陽電池在制作過程中，還有許多工序目前主要依靠人工操作。比如太陽電池的芯片制造中的收片和插片等工序，人工操作都會使硅片的表面容易被污染而帶上鈉離子等堿金屬離子，從而增大太陽電池PN 結產(chǎn)生反向電流的幾率。

二、太陽電池的光電流

（一）太陽電池PN 結光電流產(chǎn)生的原理

PN 結光電流的產(chǎn)生是基于半導體的光生伏特原理，在光激發(fā)的條件下，PN 結內部少數(shù)載流子的數(shù)量會產(chǎn)生很大變化：即N 區(qū)少子空穴數(shù)目和P 區(qū)少子電子會同等數(shù)目增多。這些少子在內建電場的作用下，N 區(qū)的空穴載流子會向P 端運動積累，使得P 端電勢升高，形成光電源的正極。而P 區(qū)的電子載流子會向N 區(qū)運動積累同時也會使N 端的電勢降低，形成光電源的負極。因而在P 端和N 端之間形成光生電場和光生電壓，其電場方向由PN 結的P 端指向N 端。PN 結內部隨著光生載流子的運動，同時也產(chǎn)生一個由N 區(qū)流向P 區(qū)的電流即光生電流。在PN 結的外部將PN 結短路或者連接一個負載，PN 結的外部也會出現(xiàn)光生電流，其方向由P 端流向N 端，光電流在PN 結的內部和外部形成一個完整的閉合回路。

（二）影響太陽電池PN 結光電流的原因

太陽電池的光電流大小首先與入射光的強度有關，即光強越強，PN 結內部電子-空穴對的產(chǎn)生率越高，光生電流越大。光生電壓和光生電流的大小與PN結的結構和材料也有一定的關系。另外太陽電池表面的溫度、太陽電池的合適安裝條件、太陽電池板的傾斜角度，太陽電池安裝的地理位置以及太陽電池板表面的清潔度等等因素也會影響太陽電池PN 結光電流。，理想狀態(tài)下，我們認為太陽能電池電路是由一個光生電流源和一個正向偏置的二極管并聯(lián)組成。在正常工作狀態(tài)下，假如負載不短路，PN 結內流過的電流Id 方向與光生電流方向相反。太陽能電池輸出的凈電流 是光生電流 和二極管電流 之差。并且當當凈輸出電流時，此時的光生電流 大小等于光生電壓 所產(chǎn)生的二極管正向電流。

（三）太陽電池的等效電路及電流電壓特性

理想太陽能光伏電池的凈輸出電流與光電流光電壓存

在如下關系：

其中

Iph：太陽電池的光生電流；

UD：太陽電池的光生電壓；

ID：二極管的正向電流。

結語

太陽電池的暗電流是影響太陽電池產(chǎn)品合格率和太陽能電池品質的重要因素，如果太陽能電池PN 結的暗電流過大,那么太陽電池的出力就會受到影響，太陽電池的最佳工作狀態(tài)也很難達到，太陽電池的光電轉換效率也會很低。所以降低太陽電池PN 結的暗電流對提高太陽電池的光電轉換效率以及改善太陽電池品質因數(shù)都有著非常重要的意義。

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