1.2 太阳能电池的物理模型及特性参数

光伏电池是光电转换器件，能够通过光伏电池将光能转换成电能的太阳辐射波长范围大约在0.2～1.25μm之间。以禁带宽度为2eV的半导体材料制成的光伏电池为例，在太阳辐射能量中，只有波长小于0.62μm的光能可激发产生电流，而这个波长的能量只占太阳辐射总能量的58%。再考虑其他的光电损失，由这种材料制成的光伏电池，其光伏电池转换效率最多也只有58%的一半。理论分析表明，从光电转换效率来看，制造光伏电池的最佳材料是禁带宽度为1.5eV的半导体，而禁带宽度在1.1～2.0eV范围内的材料均可以制出效率比较高的光伏电池。

根据硅型光伏电池的光电特性分析，理论上它的最大光电转换效率为22%，而常规的硅型光伏电池效率只到12%左右，高效硅型光伏电池效率也只到18%左右。这是因为硅对光线不能做到100%的吸收，存在一定的折射和反射；进入硅晶体的光能也受到硅禁带宽度的限制，有一部分变为热能损失掉了，再加上电子—空穴对的复合损失和串、并联电阻的损失，使硅型光伏电池的光电转换效率进一步下降。

1.2.1 太阳能电池的基本结构

光伏电池按基底材料不同分为2DR型和2CR型。2DR型硅光电池是以P型硅作为基底（即在本征型材料中掺入三价元素硼、镓等），然后在基底上扩散磷而形成N型并作为受光面。2CR型硅光电池则是以N型硅作为基底（在本征型硅材料中掺入五价元素磷、砷等），然后在基底上扩散硼而形成P型并作为受光面。构成PN结后，再经过各种工艺处理，分别在基底和光敏面上制作、输出电极，涂上二氧化硅作为保护膜，即形成光电池，如图1-4所示。

一般硅光电池受光面上的输出电极多做成梳齿状，有时也做成“π”字形，目的是便于透光和减小串联电阻。在光敏面上涂一层二氧化硅透明层，一方面起防潮保护作用，另一方面对入射光起抗反射作用，以增加对光的吸收。

1.2.2 太阳能电池的等效电路

太阳能电池的主要功能是在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号。其工作原理如图1-5（a）所示，流经负载的电流为

式中，Ip是光生电流；ID是PN结反向电流；U 是PN结两端电压（包括外加电压或光生电压）；Is是PN结的反向饱和电流；e是电子电荷；k是玻耳兹曼常数；T是绝对温度。

由式（1-1）可画出光电池的等效电路如图1-5（b）所示。图中，Ip为恒流源，流出与入射光照成正比的电流，VD为等效二极管，Rsh 为动态结电阻，Rsh=dU/dI。在线性测量中，Rsh值越大越好，目前可达108～1010Ω/cm，计算时可看成开路，Rs是串联电阻，通常很小，可忽略。Cj（结电容）直流计算时可不予考虑，RL为负载电阻，IL为流过负载电阻 RL的电流。若进一步简化，图1-5（b）可画成如图1-5（c）所示的等效电路。

1.2.3 太阳能电池的特性参数

1.光照特性

光电池的光照特性主要有伏安特性、照度—电流电压特性和照度—负载特性。

硅光电池的伏安特性曲线是表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。伏安特性曲线是在某一光照度（或光通量）下，取不同的负载电阻值所测得的输出电流和电压画成的曲线。如图1-6所示为硅光电池在不同光照度时的伏安特性曲线。

硅光电池的电流方程式为

式中，SE是光电池的光电灵敏度（又称光电响应度）。

当E=0时，则有

式中，Is是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现的暗电流。

当 IL=0时，RL=∞（开路），此时曲线与电压轴交点的电压通常称为光电池开路时两端的开路电压，以Uoc表示。由式（1-3）可得

当 pI≫Is时，

当 RL=0（即特性曲线与电流轴的交点）时所得的电流称为光电池短路电流，以 Isc 表示，所以

式中，Ev是入射光照度。

从式（1-5）可知，光电池的短路光电流 Isc与入射光照度成正比，而开路电压 Uoc与光照度的对数成正比，如图1-7所示。

在线性测量中，光电池通常以电流形式使用，故短路电流 Isc与光照度（光通量）呈线性关系，是光电池的重要光照特性。实际使用时都接有负载电阻 RL，输出电流 IL 随照度（光通量）的增加而非线性缓慢增加，并且随着负载 RL的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出电流与光照度呈线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在光照范围内使用。如图1-8所示为硅光电池光照与负载的特性曲线。

2.光谱特性

光电池由于制作PN结材料不同，目前有硒光电池、硅光电池、砷化镓光电池和锗光电池四大类，它们的相对光谱响应曲线如图1-9所示。由图可见，硒光电池的光谱响应曲线与U（λ）很相似，很适合做光度测量的探测量，但由于其稳定性很差，目前已被硅光电池代替。砷化镓光电池具有量子效率高、噪声小、光谱响应在紫外区和可见光区等优点，适用于光度仪器。锗光电池由于长波响应宽，适合做近红外探测器。

一般硅光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关系。一般用相对响应表示，器件的长波限制取决于材料的禁带宽度 Eg，短波则受材料表面反射损失的限制，其峰值不仅与材料有关，而且随制造工艺及使用环境温度不同而有所不同。如图1-10所示的2CR型硅光电池的光谱响应曲线，其响应范围为0.4～1.1μm，峰值波长为0.8～0.9μm。

在线性测量中，要求硅光电池不仅要有高的灵敏度和稳定性，同时还要求与人眼视见函数有相似的光谱响应特性，因此要求硅光电池对紫蓝光有较高的灵敏度。现已研制出一种蓝硅光电池（也称硅蓝光电池），如图1-10所示为2CR1133-01型和2CR1133型硅光电池的光谱响应曲线。从它们的光谱曲线中可以看出，在0.48μm的光入射时，其相对响应度仍大于50%，它们被广泛应用在视见函数或色探测器件中。

3.频率特性

对于结型光电器件，由于载流子在PN结区内的扩散、漂移、产生与复合都要有一定的时间，所以当光照变化很快时，光电流就滞后于光照变化。对于矩形脉冲光照，可用光电流上升时间常数 tr和下降时间常数 tf来表征光电流滞后于光照的程度，国内生产的几种2CR型硅光电池的时间响应如表1-1所示。由表中可以看出要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻 RL；光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容 Cj越大，在给定负载RL时，时间常数τ=RLCj就越大，故如果要求响应时间较短，必须选用小面积硅光电池。

光电池接收正弦型光照时常用频率特性曲线表示，如图1-11所示为硅光电池的频率特性曲线。由图可见，负载大时频率特性变差，减小负载可减小时间常数 τ，提高频率响应。但是负载电阻RL的减小会使输出电压降低，实际使用时视具体要求而定。

总的来说，硅光电池光敏面积大，结电容大，频响较低。为了提高频率响应，光电池可在光电导模式下使用。例如，只要加1～2V的反向偏置电压，则响应时间就会从1μs下降到几百纳秒。

4.温度特性

光电池的参数都是在室温（25℃～30℃）下测得的，参数值随工作环境温度改变而变化。

光电池的温度特性曲线主要指光照射光电池时开路电压Uoc与短路电流Isc随温度变化的情况，光电池的温度特性曲线如图1-12所示。由图可以看出开路电压Uoc具有负温度系数，即随着温度的升高Uoc值反而减小，其值约为2～3mV/℃，短路电流Isc具有正温度系数，即随着温度的升高，Isc值增大，但增大比例很小，约为10-5～10-3mA/℃数量级。

当光电池接受强光照射时必须考虑光电池的工作温度，如硒光电池超过50℃或硅光电池超过200℃时，它们将因晶格受到破坏而导致器件的破坏。因此光电池作为探测器件时，为保证测量精度应考虑温度变化的影响。