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太陽能電池分析技術(1):理想因子、開路電壓與光強

 更新時間:2021-11-26 點擊量:15667
本系列文章將介紹用于有機和鈣鈦礦太陽能電池的不同光電表征技術,同時提取和分析重要的器件參數,例如穩態性能、瞬態光電壓、瞬態光電流、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的表征技術。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 (MPP) 和功率轉換效率等重要參數都是由JV曲線獲得。
 
Voc 是光伏器件中電流為零時電壓,如圖1所示。

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


測量開路電壓與光強度的關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,當以復合電流為主(SRH復合)時 nidL = 2 ,以擴散電流為主 (PN結無缺陷)nidL = 1,而實際中PN結勢壘區總是存在復合中心,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JV 曲線提取的理想因子 nidd 相同的。在實際器件中,暗態和光照下的理想因子可能會發生偏差,由于光照理想因子不受串聯電阻的影響,因此更容易分析。
 
開路電壓 Voc 的表達式是通過在肖克利方程中將電流設置為零來獲得的,如下:
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圖2

其中 nidL 是光照理想因子,kB 是玻爾茲曼常數,T 是溫度,q 是單位電荷, jph 是光電流,js 是暗飽和電流。假設光電流與光強是線性關系,且 jph/js >> 1。我們得到
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圖3

L是歸一化的光強度,C1是不依賴于 L 變化的溫度因子。請注意,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度增加。開路電壓與光強度的斜率僅取決于光照理想因子和溫度。光照理想因子計算依據公式:
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圖4

光照理想因子進一步依賴于光的強度。例如,SRH 復合在低光強度下更為突出。通常計算平均值以獲得理想的數值。

圖5 顯示了不同情況下模擬開路電壓與光強度的關系。在圖5 (f) 中,顯示了光照理想因子,它是根據公式 (圖4) 由 Voc 與光強度的平均斜率計算得出的?;厩闆r下理想因子恰好為 1。除"低并聯電阻"和"深陷阱"的情況外,理想因子約為 1。如果復合預因子增加(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,導致平均理想因子為 1.8。在"低并聯電阻" (d) 的情況下,Voc 在較低的光強下嚴重下跌,平均理想因子的計算便沒有意義。

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圖5:根據表 1 中所有情況下的光強度對開路電壓進行模擬。 (F) 從模擬結果中獲得的光理想因子 - 使用平均值。

因此,我們模擬結果表明,在研究 SRH 復合在器件中的影響時,光照理想因子是非常有用的,正如我們在"深陷阱"中發現的情況。只有當低并聯電阻不隱藏效果的情況下,分析才有效。



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