开路电压

 

开路电压 V_OC 是太阳能电池可用的最大电压，这发生在零电流的情况下。开路电压对应于由结与光生电流的偏置而产生的正向偏置量。开路电压如下面的 IV 曲线所示。

显示开路电压的太阳能电池的 IV 曲线。

通过将太阳能电池方程中的净电流设置为零，可得出 V_oc 方程：

$V_{OC}=\frac{nkT}{q}\ln (\frac{I_L}{I_0}+1)$

粗略检查一下上述方程可能会发现 V_OC 随温度呈线性上升。然而，情况并非如此，因为 I₀ 也会随温度升高而快速增加，这主要是由于本征载流子浓度 n_i的变化。温度的影响很复杂，并且随电池技术的不同而变化。请参阅“温度影响”页面了解更多详细信息

V_OC随着温度的升高而降低。如果温度变化，I₀ 也会变化。

Open Circuit Voltage Calculator 1

Dark Saturation Current, I₀ (A) Light Generated Current, I_L (A) Ideality Factor, n = Temperature, T (K)

Open Circuit Voltage, V_OC (V)

由上式可知，V_oc 取决于太阳能电池的饱和电流和光生电流。 I_sc 通常变化较小，关键影响是饱和电流，因为饱和电流可能会发生几个数量级的变化。饱和电流 I₀ 取决于太阳能电池中的复合。所以开路电压成为器件中复合量的量度。采用高质量单晶材料的硅太阳能电池在一个太阳和 AM1.5 条件下的开路电压高达 764 mV [bib]Augusto2017[/bib]，而商用硅器件的开路电压通常约为 690 mV。

V_OC 也可以根据载流子浓度 [bib]Sinton1996[/bib] 确定：

$V_{OC}=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{(N_A+\mathrm{\Delta }n)\mathrm{\Delta }n}{n_i^2}\right]$

其中kT/q是热电压，N_A是掺杂浓度，Δn是过量载流子浓度，n_i 是本征载流子浓度。根据载体浓度测定 V_OC 也称为隐含 V_OC。

Open Circuit Voltage Calculator 2

Doping Concentration, N_A (cm^-3) Excess Carrier Concentration, Δn (cm^-3) Temperature, T (K) Intrinsic Carrier Concentration, n_i (cm^-3)

Open Circuit Voltage, V_OC (V)

V_oc 作为带隙E_G的函数

当短路电流 (I_SC) 随着带隙增加而减小时，开路电压随着带隙增加而增加。在理想器件中，V_OC 受到辐射复合的限制，分析使用细致平衡的原理来确定 J₀ 的最小可能值。

二极管饱和电流的最小值由 [bib]Baruch1995[/bib] 给出：

$J_0=\frac{q}{k}\frac{15\sigma }{{\pi }^4}{T}^3{\int }_u^{\infty }\frac{x^2}{e^x-1}dx$,

其中 q 是电子电荷，σ 是斯特藩-玻尔兹曼常数，k 是玻尔兹曼常数，T 是温度，

$u=\frac{E_G}{kT}$

计算上述方程中的积分相当复杂。下图使用 [bib]Levy2006[/bib] 中概述的方法

二极管饱和电流与带隙的函数关系。这些值是根据细致平衡确定的，并对太阳能电池的开路电压施加限制。

在一个太阳照射下的情况下，只要电压小于带隙，就可以将上面计算出的 J₀ 直接代入页面顶部给出的标准太阳能电池方程来确定 V_OC。

AM 0 和 AM 1.5 时，V_OC 作为电池带隙的函数。随着复合电流的下降，V_OC 随带隙的增加而增加。由于 I_SC 非常低，因此在非常高的带隙下 V_OC 会下降。