太陽能電池分析技術(shù)(1)：理想因子、開路電壓與光強(qiáng)

來源：巨力光電（北京）科技有限公司 2021年11月26日 10:58

本系列文章將介紹用于有機(jī)和鈣鈦礦太陽能電池的不同光電表征技術(shù)，同時(shí)提取和分析重要的器件參數(shù)，例如穩(wěn)態(tài)性能、瞬態(tài)光電壓、瞬態(tài)光電流、電荷載流子遷移率、電荷密度、陷阱密度、阻抗、理想因子等。

JV曲線測量是太陽能電池的最常規(guī)的表征技術(shù)。太陽能電池的短路電流（Isc）、開路電壓（Voc）、填充因子（FF）、最大功率點(diǎn) （MPP）和功率轉(zhuǎn)換效率等重要參數(shù)都是由JV曲線獲得。

Voc 是光伏器件中電流為零時(shí)電壓，如圖1所示。

圖1：光照和暗態(tài)下電流電壓曲線（左：線性，右：對(duì)數(shù)）示意圖，注明了上文提到的參數(shù)。

測量開路電壓與光強(qiáng)度的關(guān)系可用于光照理想因子。理想因子是衡量該器件是否接近理想的二極管，當(dāng)以復(fù)合電流為主（SRH復(fù)合）時(shí) nidL = 2 ，以擴(kuò)散電流為主 (PN結(jié)無缺陷）時(shí)nidL = 1，而實(shí)際中PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)總是存在復(fù)合中心，所以一般情況下n介于1和2之間。在理想器件中，光照理想因子 nidL 與通過暗態(tài)JV 曲線提取的理想因子 nidd 相同的。在實(shí)際器件中，暗態(tài)和光照下的理想因子可能會(huì)發(fā)生偏差，由于光照理想因子不受串聯(lián)電阻的影響，因此更容易分析。

開路電壓 Voc 的表達(dá)式是通過在肖克利方程中將電流設(shè)置為零來獲得的，如下：

圖2

其中 nidL 是光照理想因子，kB 是玻爾茲曼常數(shù)，T 是溫度，q 是單位電荷， jph 是光電流，js 是暗飽和電流。假設(shè)光電流與光強(qiáng)是線性關(guān)系，且 jph/js >> 1。我們得到

圖3

L是歸一化的光強(qiáng)度，C1是不依賴于 L 變化的溫度因子。請(qǐng)注意，C1與光照為常量光系，但隨溫度變化。開路電壓隨溫度降低而隨光照強(qiáng)度增加。開路電壓與光強(qiáng)度的斜率僅取決于光照理想因子和溫度。光照理想因子計(jì)算依據(jù)公式：

圖4

光照理想因子進(jìn)一步依賴于光的強(qiáng)度。例如，SRH 復(fù)合在低光強(qiáng)度下更為突出。通常計(jì)算平均值以獲得理想的數(shù)值。

圖5 顯示了不同情況下模擬開路電壓與光強(qiáng)度的關(guān)系。在圖5 (f) 中，顯示了光照理想因子，它是根據(jù)公式 (圖4) 由 Voc 與光強(qiáng)度的平均斜率計(jì)算得出的?；厩闆r下理想因子恰好為 1。除"低并聯(lián)電阻"和"深陷阱"的情況外，理想因子約為 1。如果復(fù)合預(yù)因子增加（b），則 Voc 較低，但 Voc 斜率保持不變。在"深陷阱"（c）的情況下，斜率（Voc vs. L）明顯更陡，導(dǎo)致平均理想因子為 1.8。在"低并聯(lián)電阻" (d) 的情況下，Voc 在較低的光強(qiáng)下嚴(yán)重下跌，平均理想因子的計(jì)算便沒有意義。

圖5：根據(jù)表 1 中所有情況下的光強(qiáng)度對(duì)開路電壓進(jìn)行模擬。 (F) 從模擬結(jié)果中獲得的光理想因子 - 使用平均值。

因此，我們模擬結(jié)果表明，在研究 SRH 復(fù)合在器件中的影響時(shí)，光照理想因子是非常有用的，正如我們?cè)?深陷阱"中發(fā)現(xiàn)的情況。只有當(dāng)?shù)筒⒙?lián)電阻不隱藏效果的情況下，分析才有效。

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