太陽(yáng)電池吸取太陽(yáng)光就能產(chǎn)生一般電池的功能。但是和傳統(tǒng)的電池不一樣，傳統(tǒng)電池的輸出電壓和最大輸出功率是固定的，而太陽(yáng)電池的輸出電壓、電流，功率則是和光照條件及負(fù)載的工作點(diǎn)關(guān)。正因如此，要應(yīng)用太陽(yáng)電池來(lái)產(chǎn)生電力，必需了解太陽(yáng)電池的電流-電壓關(guān)系，及工作原理。太陽(yáng)光的頻譜照度：太陽(yáng)電池的能量來(lái)源是太陽(yáng)光，因此入射太陽(yáng)光的強(qiáng)度(intensity)與頻譜(spectrum)就打算了太陽(yáng)電池輸出的電流與電壓。我們知道，物體置放于于陽(yáng)光下，其承受太陽(yáng)光有二種形式，一為直接direct〔diffuse)陽(yáng)光。一般狀況下，直接入射光約占太陽(yáng)電池承受光的80%。因此，我們下面的爭(zhēng)論也以直接著實(shí)陽(yáng)光為主。(W/um)。而太陽(yáng)光的強(qiáng)度〔W/㎡),為太陽(yáng)光到達(dá)地表前，會(huì)經(jīng)過(guò)大氣層的吸取與散射。位置與角度這二項(xiàng)因素，一般就用所謂的空氣質(zhì)量airmass,AMAMO是指在外太空中，太陽(yáng)正射的狀況，其光強(qiáng)度約為1353W/㎡,5800K的黑體輻射產(chǎn)生的光源。AMI是指在地表上，太陽(yáng)正射的狀況，光強(qiáng)度約為925W/m2AMI.5足指在地表上，太陽(yáng)以45844W/㎡。一般也使用AM1.5來(lái)代表地表上太陽(yáng)光的平均照度。太陽(yáng)電池的電路模型：一個(gè)太陽(yáng)電池沒(méi)有光照時(shí)，它的特性就是一個(gè)p-n結(jié)二極管。而一個(gè)抱負(fù)的二極管其電流-電壓關(guān)系可表為其中I代表電流，V代表電壓，Is是飽和電流，和VT=KBT/q0,其中KB代表BoItzmann常數(shù)，q0是單位電量，T是溫度。在室溫下，VT=0.026v。需留意的是，P-n二極管電流的方向是定義在器件內(nèi)從P型流向n型，而電壓的正負(fù)值，則是定義為P型端電勢(shì)減去n型端電勢(shì)。因此假設(shè)遵循此定義，太陽(yáng)電池工作時(shí)，其電壓值為正，電流值為負(fù)，I-V曲線在第四象限。這里必需提示讀者的是，所謂的抱負(fù)二極管是建立在很多物理?xiàng)l件上，而”實(shí)際的二極管自然會(huì)有一些非抱負(fù)〔nonideal)的因素影響器件的電流--復(fù)合電流，這里我們不多做爭(zhēng)論。當(dāng)太陽(yáng)電池受到光照時(shí)，p-n二極管內(nèi)就會(huì)有光電流。由于p-n結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向是從n型指向p型，光子被吸取產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)，電子會(huì)往n型端跑，而空穴會(huì)往p型端跑，則電子和空穴二者形成的光電流會(huì)由n型流到p型。一般二極管的正電流方向是定義為由p型流到n型。這樣，相對(duì)于抱負(fù)二極管，太陽(yáng)電池光照時(shí)產(chǎn)生的光電流乃一負(fù)向電流。而太陽(yáng)電池的電流-電壓關(guān)系就是抱負(fù)二極管加上一個(gè)負(fù)向的光電流IL，其大小為：IL=0,V=0,其短路電流則為Isc=-IL.也就是說(shuō)當(dāng)太陽(yáng)電池短路，短路電流就是入射光產(chǎn)生光電流。假設(shè)太陽(yáng)電池開(kāi)路，也就是你I=0，其開(kāi)路電壓則為:圖二、太陽(yáng)電池的等效電路：〔a〕無(wú)，〔b〕有串聯(lián)和分流電阻的狀況。這里必需強(qiáng)調(diào)的是，開(kāi)路電壓和短路電流時(shí)太陽(yáng)電池特性的二個(gè)重要參數(shù)。太陽(yáng)電池輸出的功率就是電流和電壓的乘積：很明顯，太陽(yáng)電池輸出的功率并非是個(gè)固定值，它在某個(gè)電流-電壓工作點(diǎn)到達(dá)最大值，而這最大輸出功率Pmax，則可由dp/dv=0來(lái)打算。我們可以推導(dǎo)得出最大輸出功率Pmax時(shí)的輸出電壓為：和輸出電流為：而太陽(yáng)電池最大輸出功率就是：太陽(yáng)電池的效率就是指太陽(yáng)電池將入射光的功率Pin轉(zhuǎn)換成最大輸出電功率的比例，也就是：一般的太陽(yáng)電池的效率測(cè)量，都是使用pin=1000W/㎡的類(lèi)似太陽(yáng)光的燈光光源。-電壓關(guān)系并沒(méi)有完全地遵循上訴的理論描述，這是由于光生伏特器件本身存在所謂的串聯(lián)電阻(seriesresistance)(shuntresistance)少的電阻，它們就會(huì)形成光生伏特器件串聯(lián)電阻。另一方面，光生伏特器件的正負(fù)電極間，存在任何非經(jīng)由抱負(fù)P-n二極管的-(generation-recombination)電流，外表復(fù)合〔surfacerecombination)電流，器件的邊緣隔離〔edgeisolation)不完全，和金屬接觸穿透結(jié)。Rsh=V/Ileak。分流電阻越大，就表示漏電流越小。假設(shè)考慮申聯(lián)電阻Rs和分流電阻Rsh，太陽(yáng)電池的電流-電壓關(guān)系則可寫(xiě)成：我們還可以只用一個(gè)參數(shù)，就是所謂的填充因子〔fillfactor〕,來(lái)同時(shí)概括串聯(lián)電阻與分流電阻這兩個(gè)效應(yīng)。定義為：很明顯，假設(shè)沒(méi)有串聯(lián)電阻，且分流電阻無(wú)窮大〔沒(méi)有漏電流〕時(shí)，填充因子最大。任何串聯(lián)電阻的增加或分流電阻的削減，都會(huì)削減填充因子。如此一來(lái)，。太陽(yáng)電池的效率就可以由三個(gè)重要參數(shù)：開(kāi)路電壓Voc、短路電流Isc、和填充因子FF來(lái)表達(dá)。明顯，要提高太陽(yáng)電池的效率，則要同時(shí)增加其開(kāi)路電壓、短路電流〔亦即光電流〕，和填充因子〔亦即削減串聯(lián)電阻與漏電流〕。開(kāi)路電壓與短路電流：由前面的公式來(lái)看，太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓是由光電流與飽和電池來(lái)打算。從半導(dǎo)體物理的觀點(diǎn)，開(kāi)路電壓就等于空間電荷區(qū)中電子和空穴間的Fermi能差。至于抱負(fù)P-n二極管的飽和電流，則可以用：來(lái)表達(dá)。其中q0代表單位電量，ni代表半導(dǎo)體的intrinsic載流子濃度，ND和NA各代表施主和受體主的濃度，Dn和Dp各n-p-p-型基板的太陽(yáng)電池，n-型區(qū)都格外淺，上面的表達(dá)式是必要修改的。-電壓關(guān)系中的閉路電流，這里我們就光電流的由來(lái)，做一簡(jiǎn)潔表達(dá)。載流子在單位時(shí)間單位體積中的產(chǎn)生率(m-3s-1)是由光吸取系數(shù)來(lái)打算，也就是其中α代表光吸取系數(shù)，是入射光子強(qiáng)度(或稱(chēng)為光子流量密度)，R指反射系數(shù)，因此 沒(méi)有被反射的入射光子強(qiáng)度。而產(chǎn)生光電流的主要三個(gè)機(jī)制為：少數(shù)載流子電子在p-型區(qū)的集中電流、少數(shù)載流子空穴在n-型區(qū)的集中電流、電子和空穴在空間電荷區(qū)的漂移電流。因此光電流約可表達(dá)為：其中Ln各Lp各代表p-