侯宏云

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽 滁州 239000）

引言

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

一、太陽電池內(nèi)的暗電流

（一）光伏電池暗電流的形成因素

半導(dǎo)體PN 結(jié)的暗電流是指在沒有光照的條件下，給PN 結(jié)加反偏電壓（N 區(qū)接電源正極，P 區(qū)接電源負(fù)極）時(shí)產(chǎn)生的反向電流。因?yàn)榧釉赑N 結(jié)上的反向電壓使得PN 結(jié)的空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)建電場(chǎng)變大，電子的電勢(shì)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(nèi)建電場(chǎng)，多子的擴(kuò)散電流幾乎為零。隨著內(nèi)建電場(chǎng)的增加，N 區(qū)和P 區(qū)中的少子漂移運(yùn)動(dòng)更加容易，暗電流的產(chǎn)生不可避免。對(duì)單純的PN 結(jié)而言，暗電流可以認(rèn)為是PN 結(jié)加反向電壓時(shí)所產(chǎn)生的反向電流。并且反向電壓在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，反向電流的數(shù)值變化范圍都很小，大部分情況下認(rèn)為是不變的，所以習(xí)慣把反向電流稱之為反向飽和電流。所以單純的PN 結(jié)的暗電流就是反向飽和電流。一般情況下，影響PN 結(jié)的暗電流大小的因素除了PN 結(jié)兩端的反向電壓外，溫度的變化、半導(dǎo)體的種類和半導(dǎo)體的摻雜濃度都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

由于太陽電池的結(jié)構(gòu)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(jié)的反向飽和電流外，還包含PN 結(jié)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(shí)太陽能電池PN 結(jié)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(jié)兩端少數(shù)載流子和擴(kuò)散常數(shù)所決定的常數(shù)；

V：光照射時(shí)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(jié)中擴(kuò)散電流與復(fù)合電流的比值關(guān)系，理想狀態(tài)下其數(shù)值為1-2 之間；

T:絕對(duì)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(duì)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(dǎo)體主要是晶硅，晶硅本身含有氧、碳、硫等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的存在會(huì)在一定的范圍使太陽電池芯片內(nèi)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(kuò)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(shí)際的操作中除了不同程度地增加硅片中的雜質(zhì)含量外，還會(huì)對(duì)硅片表面造成機(jī)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(huì)對(duì)硅片表面造成不同程度的機(jī)械損傷使得切片表面不均勻，同時(shí)金屬線鋸的使用還有可能增加硅片中金屬雜質(zhì)的含量。機(jī)械刻槽時(shí)也會(huì)造成硅片表面機(jī)械損傷。太陽能電池的制絨過程中對(duì)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(yán)格的要求，酸堿的使用不當(dāng)也會(huì)不同程度破壞PN 結(jié)的表面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致太陽電池表面絨的生成不均勻，鍍膜燒結(jié)后也容易漏電，這在一定程度上影響了太陽電池內(nèi)PN 結(jié)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(huì)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(jié)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(jié)光電流產(chǎn)生的原理

PN 結(jié)光電流的產(chǎn)生是基于半導(dǎo)體的光生伏特原理，在光激發(fā)的條件下，PN 結(jié)內(nèi)部少數(shù)載流子的數(shù)量會(huì)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(huì)同等數(shù)目增多。這些少子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，N 區(qū)的空穴載流子會(huì)向P 端運(yùn)動(dòng)積累，使得P 端電勢(shì)升高，形成光電源的正極。而P 區(qū)的電子載流子會(huì)向N 區(qū)運(yùn)動(dòng)積累同時(shí)也會(huì)使N 端的電勢(shì)降低，形成光電源的負(fù)極。因而在P 端和N 端之間形成光生電場(chǎng)和光生電壓，其電場(chǎng)方向由PN 結(jié)的P 端指向N 端。PN 結(jié)內(nèi)部隨著光生載流子的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)由N 區(qū)流向P 區(qū)的電流即光生電流。在PN 結(jié)的外部將PN 結(jié)短路或者連接一個(gè)負(fù)載，PN 結(jié)的外部也會(huì)出現(xiàn)光生電流，其方向由P 端流向N 端，光電流在PN 結(jié)的內(nèi)部和外部形成一個(gè)完整的閉合回路。

（二）影響太陽電池PN 結(jié)光電流的原因

太陽電池的光電流大小首先與入射光的強(qiáng)度有關(guān)，即光強(qiáng)越強(qiáng)，PN 結(jié)內(nèi)部電子-空穴對(duì)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(jié)的結(jié)構(gòu)和材料也有一定的關(guān)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(huì)影響太陽電池PN 結(jié)光電流。，理想狀態(tài)下，我們認(rèn)為太陽能電池電路是由一個(gè)光生電流源和一個(gè)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(fù)載不短路，PN 結(jié)內(nèi)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(dāng)當(dāng)凈輸出電流時(shí)，此時(shí)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(guān)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(jié)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(zhì)的重要因素，如果太陽能電池PN 結(jié)的暗電流過大,那么太陽電池的出力就會(huì)受到影響，太陽電池的最佳工作狀態(tài)也很難達(dá)到，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率也會(huì)很低。所以降低太陽電池PN 結(jié)的暗電流對(duì)提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率以及改善太陽電池品質(zhì)因數(shù)都有著非常重要的意義。

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