短路电流

短路电流是当太阳能电池两端的电压为零时(即当太阳能电池短路时)通过太阳能电池的电流。通常写为ISC,短路电流如下面的IV曲线所示。

iv curve

显示短路电流的太阳能电池的 IV 曲线。


短路电流是由于光生载流子的产生和收集而产生的。对于理想的太阳能电池来说,在最适度的电阻损耗机制下,短路电流和光生电流是相同的。因此,短路电流是可以从太阳能电池汲取的最大电流。

短路电流取决于多种因素,如下所述:

  • 太阳能电池的面积。为了消除太阳能电池面积的依赖性,更常见的是列出短路电流密度(Jsc,单位为mA/cm2)而不是短路电流;
  • 光子的数量(即入射光源的功率)。太阳能电池的 Isc 直接取决于光强度,如光照强度影响中所述;
  • 入射光的光谱。对于大多数太阳能电池测量,光谱被标准化为 AM1.5 光谱
  • 光学特性(吸收和反射)在(光的损耗)中讨论;和
  • 太阳能电池中少数载流子的收集概率,主要取决于表面钝化和基极的少数载流子寿命。

在比较相同材料类型的太阳能电池时,最关键的材料参数是扩散长度和表面钝化。在具有完美钝化表面和均匀生成的电池中,短路电流密度的方程可近似为:

$$J_{SC}=q G\left(L_{n}+L_{p}\right)$$

其中 G 是生成速率,Ln 和 Lp 分别是电子和空穴扩散长度。尽管该方程做出了一些假设,这些假设对于大多数太阳能电池所遇到的条件来说并不成立,但上述方程仍然表明短路电流很大程度上取决于生成速率和扩散长度。

短路电流 ISC 是短路电流密度 JSC 乘以电池面积:

$$I_{SC}=J_{SC} A$$

AM1.5 光谱下的硅太阳能电池的最大可能电流为 46 mA/cm2。实验室设备测得的短路电流超过42 mA/cm2,商业太阳能电池的短路电流约为28 mA/cm2 至35 mA/cm2

Solar cell short circuit current as a function of bandgap

在理想器件中,带隙上方的每个光子都会在外部电路中产生一个电荷载流子,因此最高电流产生于最低带隙。


光生电流和短路电流(IL 或 Isc?)

IL 是太阳能电池内部光产生的电流,是太阳能电池方程中使用的正确术语。在短路条件下,外部测量的电流为 Isc。由于 Isc 通常等于 IL,因此为了简单起见,两者可互换使用,并且太阳能电池方程用 Isc 代替 IL。但在串联电阻非常高 (> 10 Ωcm2) 的情况下,Isc 小于 IL,此时用 Isc 写太阳能电池方程是不正确的。

另一个假设是广生电流 IL 仅取决于入射光,并且与电池两端的电压无关。然而,在漂移场太阳能电池中,载流子寿命是注入水平的函数,例如有缺陷的多晶材料,此时 IL 随电压变化。