发电

基于P2N 结的太阳能电池伏安特性的分析与模拟
摘 要 通过分析实际P2N 结与理想模型之间的差别,建立了P2N 结二极管及太阳能电池的数学
模型;利用Matlab 中的系统模块库建立模型,设置参量,求解模型方程并绘制了图形1 对
太阳能电池在一定光照下旁路电阻及串联电阻取不同数值时对其开路电压、短路电流及填充因子
的影响做了模拟,并与实际测得的硅太阳能电池伏安特性进行了比较1 模型分析与实验测量的结
果表明:等效的旁路电阻和串联电阻分别影响电池的开路电压和短路电流1 结果与实验测量
结果一致1
关键词 P2N 结;伏安特性;等效电路模型;太阳能电池
中图分类号 O475 文献标识 A
0 引言
P2N结是许多微和光器件的核心部分1
这些半导体器件的电学特性及光电特性由P2N 结
的性质所决定,掌握P2N 结的性质是分析这些器件
特性的基础1 半导体导电是通过两种载流子的漂
移、扩散及产生与复合实现的[1 ]1 由于P2N 结的非
线性特性,其电流电压关系无法通过一个简单的解
析模型来确定1 虽然肖克莱方程给出了理想P2N
结的电流电压关系,但与实际器件的性质差别很大1
在实际器件中,由于表面效应、势垒区载流子的产生
及复合、电阻效应等因素的影响,其电流电压特性只
在很小的范围内接近理想值1 正向电压增大时, I2V
曲线由指数关系转变为线性关系1 反向电压增大
时,在一定范围内也是线性关系,反向电压过大还会
发生P2N 结的击穿1
本文通过一个简单的电路模型模拟了实际的
P2N 结,讨论了各实际参量对伏安特性的影响1 并
针对太阳能电池在一定光照下其实际参量如旁路电
阻和串联电阻对其开路电压、短路电流及填充因子
的影响,利用计算机对其伏安特性进行建模分析,以
获得接近实际器件的特性1
1 P2N结的伏安特性分析及等效电路
理想P2N 结模型满足小注入、突变耗尽层及玻
耳兹曼边界条件,且不考虑耗尽层中载流子的产生
和复合作用[2 ]1 其电流电压关系可由肖克莱方程给
出,即
J = J s exp
qV
k T
- 1 (1)
式中,V 为P2N 结两端的电压, J 为通过P2N 结的
电流密度, J s 为反向饱和电流1 当正向偏压较大
时,括号中的指数项远大于1 ,因而第二项可以忽
略,电流密度与电压呈指数增加关系1 反向偏压时,
当q| V | m k T 时, 指数项趋于0 , 电流不随电压改
变,趋于饱和值J s
1
实验测量发现,肖克莱方程与实际P2N 结的伏
安特性偏离较大,主要表现在两个方面:1) 正向电压
较小时,理论值比实验值小,正向电压较大时,J2V
关系变为线性关系;2) 反向偏压时,反向电流比理论
值大许多,反向电流不饱和,随反向偏压的增大略有
增加1 这说明理想模型不能真实反映实际器件的特
性,需要建立更为完善的P2N 结模型[3 ]1 在实际器
件中,载流子的产生、传输和复合会对P2N 结中的
空间电荷场产生影响[4 ] ,从而导致P2N 结电流电压
特性偏离理想方程1
正向偏压时,注入势垒区的载流子有一部分形
成复合电流,其大小与exp ( qV/ 2 k T) 成正比, 总电
流密度为扩散电流密度与复合电流密度之和1 对于
硅,在较低正向偏压下, 复合电流占主要地位, 因而
总电流大于理想条件下的电流,正向偏压较高时,复
合电流可以忽略

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