基于太阳能光伏电池电流特性的探析

侯宏云

（滁州职业技术学院 安徽 滁州 239000）

引言

太阳电池的基本工作原理是基于半导体的光伏特性，其核心组成部分是PN 结。PN 结的形成是通过扩散作用将P 型半导体（杂质为三价元素硼、铝等，多子是空穴，少子为自由电子）与N 型半导体（杂质为五价磷、砷、锑等，多子是自由电子，少子是空穴）制作在同一块半导体的基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区即PN结，该空间电荷区也形成一种能量势垒即PN 结的内建电场，此电场方向由N 区指向P 区。同时PN 结也将被分成薄层（N 区）耗尽层（PN 结）和体区（P 区）。在光照或是无光照的条件下PN 结内部会有不同方向的电流产生，这些电流对太阳电池的出力、太阳电池的光电转换效率以及太阳电池的质量品质都将产生重要的影响。

一、太阳电池内的暗电流

（一）光伏电池暗电流的形成因素

半导体PN 结的暗电流是指在没有光照的条件下，给PN 结加反偏电压（N 区接电源正极，P 区接电源负极）时产生的反向电流。因为加在PN 结上的反向电压使得PN 结的空间电荷区变宽，内建电场变大，电子的电势能增加，使得P 区和N 区的多数载流子就很难越过内建电场，多子的扩散电流几乎为零。随着内建电场的增加，N 区和P 区中的少子漂移运动更加容易，暗电流的产生不可避免。对单纯的PN 结而言，暗电流可以认为是PN 结加反向电压时所产生的反向电流。并且反向电压在较大范围内变化时，反向电流的数值变化范围都很小，大部分情况下认为是不变的，所以习惯把反向电流称之为反向饱和电流。所以单纯的PN 结的暗电流就是反向饱和电流。一般情况下，影响PN 结的暗电流大小的因素除了PN 结两端的反向电压外，温度的变化、半导体的种类和半导体的掺杂浓度都会产生一定的影响。

由于太阳电池的结构和材料具有一定的特殊性，太阳能电池的暗电流，除了包括太阳能电池芯片PN 结的反向饱和电流外，还包含PN 结的薄层漏电流和体区漏电等多种因素。

（二）光伏电池暗电流的伏安特性

无光照时太阳能电池PN 结暗电流的电流电压特性可表示为：

其中

I0：逆饱和电流作用，由PN 结两端少数载流子和扩散常数所决定的常数；

V：光照射时的太阳电池的端电压；

e：电子电量；

K：为玻耳兹曼常数；

n:二极管因子，反映PN 结中扩散电流与复合电流的比值关系，理想状态下其数值为1-2 之间；

T:绝对温度其单位为K。

（三）影响太阳电池暗电流的主要因素：

太阳能电池的种类和生产材料多样繁杂，太阳能电池生产工艺也具有一定的特定性，这些特殊因素的存在对太阳能电池的暗电流有不可忽视的影响。

首先太阳电池的芯片所使用的材料半导体主要是晶硅，晶硅本身含有氧、碳、硫等杂质，这些杂质的存在会在一定的范围使太阳电池芯片内的反向电流增加。

其次在太阳电池的生产过程中，切片、清洗、制绒、扩散、等离子边缘刻蚀等都是太阳电池芯片的重要制作工艺流程。这些流程在实际的操作中除了不同程度地增加硅片中的杂质含量外，还会对硅片表面造成机械损伤。比如太阳能电池硅片的切片加工过程中金属线锯会对硅片表面造成不同程度的机械损伤使得切片表面不均匀，同时金属线锯的使用还有可能增加硅片中金属杂质的含量。机械刻槽时也会造成硅片表面机械损伤。太阳能电池的制绒过程中对所使用的浓硫酸或浓硝酸或氢氧化钠的浓度大小和量的多少有严格的要求，酸碱的使用不当也会不同程度破坏PN 结的表面结构，导致太阳电池表面绒的生成不均匀，镀膜烧结后也容易漏电，这在一定程度上影响了太阳电池内PN 结的反向电流。

除了上述影响因素外，太阳电池在制作过程中，还有许多工序目前主要依靠人工操作。比如太阳电池的芯片制造中的收片和插片等工序，人工操作都会使硅片的表面容易被污染而带上钠离子等碱金属离子，从而增大太阳电池PN 结产生反向电流的几率。

二、太阳电池的光电流

（一）太阳电池PN 结光电流产生的原理

PN 结光电流的产生是基于半导体的光生伏特原理，在光激发的条件下，PN 结内部少数载流子的数量会产生很大变化：即N 区少子空穴数目和P 区少子电子会同等数目增多。这些少子在内建电场的作用下，N 区的空穴载流子会向P 端运动积累，使得P 端电势升高，形成光电源的正极。而P 区的电子载流子会向N 区运动积累同时也会使N 端的电势降低，形成光电源的负极。因而在P 端和N 端之间形成光生电场和光生电压，其电场方向由PN 结的P 端指向N 端。PN 结内部随着光生载流子的运动，同时也产生一个由N 区流向P 区的电流即光生电流。在PN 结的外部将PN 结短路或者连接一个负载，PN 结的外部也会出现光生电流，其方向由P 端流向N 端，光电流在PN 结的内部和外部形成一个完整的闭合回路。

（二）影响太阳电池PN 结光电流的原因

太阳电池的光电流大小首先与入射光的强度有关，即光强越强，PN 结内部电子-空穴对的产生率越高，光生电流越大。光生电压和光生电流的大小与PN结的结构和材料也有一定的关系。另外太阳电池表面的温度、太阳电池的合适安装条件、太阳电池板的倾斜角度，太阳电池安装的地理位置以及太阳电池板表面的清洁度等等因素也会影响太阳电池PN 结光电流。，理想状态下，我们认为太阳能电池电路是由一个光生电流源和一个正向偏置的二极管并联组成。在正常工作状态下，假如负载不短路，PN 结内流过的电流Id 方向与光生电流方向相反。太阳能电池输出的净电流 是光生电流 和二极管电流 之差。并且当当净输出电流时，此时的光生电流 大小等于光生电压 所产生的二极管正向电流。

（三）太阳电池的等效电路及电流电压特性

理想太阳能光伏电池的净输出电流与光电流光电压存

在如下关系：

其中

Iph：太阳电池的光生电流；

UD：太阳电池的光生电压；

ID：二极管的正向电流。

结语

太阳电池的暗电流是影响太阳电池产品合格率和太阳能电池品质的重要因素，如果太阳能电池PN 结的暗电流过大,那么太阳电池的出力就会受到影响，太阳电池的最佳工作状态也很难达到，太阳电池的光电转换效率也会很低。所以降低太阳电池PN 结的暗电流对提高太阳电池的光电转换效率以及改善太阳电池品质因数都有着非常重要的意义。

[1]车孝轩.太阳能光伏系统概论[M].武汉：武汉大学出版社，2006.

[2]靳瑞敏.太阳能电池原理与应用[M].北京：北京大学出版社，2011.

[3]李雷，杨春.我国光伏产业现状与可持续发展策略研究[J].中外能源.2012，（04）.