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到太阳能电池的伏安特性曲线 。如果选择的负载电阻值

能使输出电压和电流的乘积最大

,

即可获得最大输出功

率

,

用符号

P

m

表示 。此时的工作电压和工作电流称为最

佳工作电压和最佳工作电流

,

分别用符号

U

m

和

I

m

表示

,

P

m

=

U

m

I

m

。

(4)

填充因子

太阳能电池的另一个重要参数是填充因子

F F

,

他是

最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比

:

FF =

P

m

U

OC

I

SC

=

U

m

I

m

U

OC

I

SC

(

1

)

　　

F F

是衡量太阳能电池输出特性的重要指标

,

是代表

太阳能电池在带最佳负载时

,

能输出的最大功率的特性

,

其值越大表示太阳能电池的输出功率越大 。

F F

的值始终

小于

l

。

F F

可由下列经验公式给出

:

FF =

V

OC

-

ln

( V

OC

+

0

.

72

)

V

OC

+

1

(

2

)

　　式

(2)

中

V

OC

是归一化的开路电压

,

即

U

OC

/ (

n K T/ q

)

。

当

V

OC

> 15

时

,

该公式的精度可达

4

位有效数字

[ 3 ]

。实际

上

,

由于受串联电阻和并联电阻的影响

,

实际太阳能电池

填充因子的值要低于上式所给出的理想值 。

串 、

并联电阻对填充因子有较大影响

,

如图

2

所示 。

串联电阻越大

,

短路电流下降越多

,

填充因子也随之减少

的越多

;

并联电阻越小

,

这部分电流就越大

,

开路电压就下

降的越多

,

填充因子随之也下降的越多 。

图

2

　串并联电阻对填充因子的影响

(5)

转换效率

太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负

载电阻时的最大能量转换效率

,

等于太阳能电池的输出功

率与入射到太阳能电池表面的能量之比

:

η

=

P

m

P

in

・

FF

・

U

OC

・

I

SC

P

in

(

3

)

地面用太阳能电池的测试标准为

:

大气质量为

AM 1 . 5

时

的光谱分布

(

具体规定可参见有关我国国家标准和国际标

准

) ,

入射的太阳辐照度为

1 000 W/ m

2

,

温度为

25

℃。在

此条件下太阳能电池的输出功率定义为太阳能电池的峰

瓦数

,

用符号表示为

W

P

(peak watt)

。

太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术

水平的重要参数

,

他与电池的结构 、

结特性 、

材料性质 、

工

作温度 、

放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关 。其中与

制造电池半导体材料禁带宽度的关系最为直接 。首先

,

禁

带宽度直接影响最大光生电流即短路电流的大小 。由于

太阳光中光子能量有大有小

,

只有那些能量比禁带宽度大

的光子才能在半导体中产生光生电子

空穴对

,

从而形

成光生电流 。所以

,

材料禁带宽度小

,

小于他的光子数量

就多

,

获得的短路电流就大

;

反之

,

禁带宽度大

,

大于他的

光子数量就少

,

获得的短路电流就小 。但禁带宽度太小也

不合适

,

因为能量大于禁带宽度的光子在激发出电子

-

空

穴对后剩余的能量转变为热能

,

从而降低了光子能量的利

用率 。其次

,

禁带宽度又直接影响开路电压的大小 。开路

电压的大小和

P - N

结反向饱和电流的大小成反比 。禁

带宽度越大

,

反向饱和电流越小

,

开路电压越高 。

3 　太阳能电池的伏安特性

图

3

是

P - N

结太阳能电池的示意图 。他包含一个

形成于表面的浅

P - N

结 、

一个条状及指状的正面欧姆接

触 、

一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正

面的抗反射层 。

图

3

　硅

P - N

结太阳能电池的示意图

当电池暴露于太阳光谱时

,

能量小于禁带宽度

E

g

的

光子对电池输出并无贡献 。

能量大于禁带宽度

E

g

的光子

才会对电池输出贡献能量

E

g

,

大于

E

g

的能量则会以热的

形式消耗掉 。

因此

,

在太阳能电池的设计和制造过程中

,

必

须考虑这部分热量对电池稳定性 、

寿命等的影响 。

太阳能电池的能带 、

电路及等效电路如图

4

所示 。其

中

,

R

L

为电池的外负载电阻 。

把太阳能电池接上负载

,

负

载中便有电流流过

,

该电流称为太阳能电池的工作电流

,

也称负载电流或输出电流 。

负载两端的电压称为太阳能电

池的工作电压 。

一个理想的太阳能电池

,

串联电阻

R

S

很小

,

而并联电

阻

R

sh

很大 。

由于

R

S

和

R

sh

是分别串联和并联在电路中的

,

所以在进行理想的电路计算时

,

他们可以忽略不计 。

此时

,

流过负载的电流为

I

L

为

:

I

L

= I

SC

- I

D

(

4

)

　　采用单二极管模型

,

理想情况下太阳电池的电压

-

电

流特性

(

伏

-

安特性

)

可以写为

[ 4 ]

:

4

6

1

微 电 子 技 术

袁 　镇等 :太阳能电池的基本特性