第二章 太陽能電池原理介紹
1KW Power Supply
Class A AM1.5G Solar
Simulator Keithley 2400
SourceMeter Labview
Control Solar cell I-V Measurement
圖 2-7. EQE 頻譜響應量測架構圖。這機台的架構主要包含有氙(Xe)燈做為光源，透過單光 儀的系統進行分光，此處必頇考量到波長的解析度，以減少量測上的誤差，由於分光後的光 源強度較弱，設計上採用鎖相放大器去增強量測的精準度。
2-5 太陽能電池之等效電路訊號模型
圖 2-8. 太陽能電池等校電路模型。主要包太陽光電流源 Isc、p-n 二極體本身、串聯電阻 (Series Resistance)及並聯電阻(Shunt Resistance)的特性，可用於分析元件內部的接面阻 抗的大小及二極體本身漏電流(leak current)的情形。
為了能夠有效分析太陽能電池元件的特性，我們可以用二極體電路的等校模型來做模擬 Xe Light
Source Monochromator
Labview Control
Chopper
Detector
Cell SR830
Lock-in-amplifier
特性，模擬結果可以與太陽能轉換效率中所得到的 I-V 曲線做個比較，也可利用這個模型來 分析量測的結果。
圖 2-8 為一用於分析太陽能電池的等效電路模型，主要包含有太陽光電流源 Isc，用以表 示光電流的產生特性，可利用照光模式 I-V 特性測詴去進行分析；p-n 二極體則來表示太陽 能電池內部的二極體特性，可利用暗電流模式的 I-V 特性測詴去進行分析；並且為了能夠精 準的去進行元件的電路特性分析，還考量串連電阻(Series Resistance)及並聯電阻(Shunt Resistance)的特性，可用於分析元件內部的接面阻抗的大小及二極體本身漏電流(leak current)的情形，根據柯西荷夫電壓定律(Kirchoff's voltage laws)可以得到等效電路中輸 出電流密度 J 與輸出電壓 V 的關係式為 太陽能電池的受光面積，T 為絕對溫度(K)，n 為半導體理想因子(Ideal factor)，k 為波玆 曼常數(Boltzmann constant)，J 與 V 則分別為太陽能電池的輸出電流密度、輸出電壓。為 了簡化分析，考量一個理想的太陽電池，其串聯電阻非常小(Rs=0)，幾乎可以忽略，而並聯 參數為短路電流ISC (Short circuit current)、開路電壓VOC (Open circuit voltage)、充填 因子FF(Fill factor)、轉換效率η（Conversion efficiency）、最大功率輸出電壓VMP(Maxima power voltage)、最大功率輸出電流IMP(Maxima power current )，並利用太陽能電池電路的 等效模型去分析，可以得到串聯電阻(Series Resistance)與並聯電阻(Shunt Resistance) 的特性。
圖 2-9. 太陽能電池照光下的 I-V 量測結果示意圖。由曲線我們可以進行短路電流 ISC 、開 路電壓 VOC、充填因子 FF、轉換效率η、最大功率輸出電壓 VMP、最大功率輸出電流 IMP。
a.短路電流 ISC (Short circuit current)
短路電流是太陽電池在負載為零的狀態下，也就是外部電路短路時的輸出電流。此時的 輸出電壓 V = 0，對於理想的太陽電池，也就是串聯電阻 RS 趨近於 0，並聯電阻 RSH趨近於無 限大時，從(2-3)式可以得到
sc
nkT qV
sc
I e I
I
I
0( 1 )
(2-4) 即短路電流 ISC等於太陽電池照光後產生的光電流。如圖 16 中，I-V 關係圖曲線與 Y 軸(V=0) 的交點，其電流值就是 ISC。
b.開路電壓 VOC (Open circuit voltage)
開路電壓是太陽電池負載無限大的狀態下，也就是外部電路斷路時的輸出電壓，此時輸 出電流 I = 0，對於理想的太陽電池，從(2-3)式可以得到
c.填充因子 FF(fill factor)
充填因子的定義為太陽電池在最大功率輸出時，輸出功率值 PMP，與 VOC和 ISC乘積百分比。
d.轉換效率η（Conversion efficiency）
能量轉換效率定義為太陽電池最大輸出功率 PMP與入射光 Pin的比例，可知道 PMAX，可知
e.內部電阻 R(Internal Resistance)
一個完美的太陽能電池可以完全導通又不存在漏電流，所以不需考慮內部阻抗的問題，
然 而 真 實情 況 的太 陽能 電 池 特性 並 非如 此理 想 ， 我們 還 必頇 考量 串 聯 電阻 Rs(Series Resistance)及並聯電阻 Rsh(Shunt Resistance)的影響，內部電阻對於太陽能電池量測得到
的 I-V 曲線所造成的影響，可由公式(2-2)去進行分析，串聯電阻 Rs對短路電流應不構成影響，
卻會造成開路電壓的下降，串聯電阻的產生主要是由於金屬的接觸，特別是上電極的影響較 大，其次是元件內部的接面電阻所產生；然而並聯電阻 Rsh並不會對開路電壓造成影響，卻會 造成短路電流的下降，並聯電阻的值應該無限大，接近絕緣的狀態，但由於元件本身的缺陷 形成了漏電流的路徑，造成等效的並聯電阻下降。
a. 串聯電阻 Rs (Series Resistance)
由公式(2-2)可看出，當電流變大的時候，JARs的值不可忽略，此時對元件特性的影響以 Rs為主，並聯電阻 Rsh的影響較小，由圖 2-10 可看出相同的趨勢，當 Rs 的變化由 0Ω~200m Ω，在短路電流的部分可看出明顯的下降，填充因子(FF)也有很大的改變，造成轉換效率 的下降，其電壓-電流的公式可以表示為
] ln[
0 0
0
I I e I q R nkT
I sc
nkT qV
s sc
(2-8)
圖 2-10. 串聯電阻對太陽能電池 I-V 特性的影響。當串聯電阻越大時，FF 值會變小，而短 路電流會明顯下降，這是因為原來 IRs的值增加到不可忽略時所造成。
b. 並聯電阻 Rsh (Shunt Resistance)
反之，由公式(2-2)也可看出，當光電流很小時，並聯電阻的效應就變得非常重要，而串 聯電組所產生的功率消耗便可忽略，由圖 2-11 可看出相同的趨勢，當 Rsh改變的範圍由非 常大下降達 0.2=Ω，V/Rsh則不可忽略，會造成開路電壓的下降，對元件特性所造成的影 響，其關係式可表示為
nkT qV sc
sh
oc I I e
R
V 0
0
(2-9)
圖 2-11. 並聯電阻對太陽能電池 I-V 特性的影響。當並聯電阻越小時，FF 值會變小，而開 路電流會明顯下降，這是因為原來 V/Rsh的值增加到不可忽略時所造成。