零电压下的太阳能电池光电流?

Question

在塑造定制太阳能电池方面拥有经验，一位同事让我质疑我最近对光伏手术的基本理解。他指出了一个所谓的短路电流在太阳能电池中，电池两端之间的电压通常为零。假定电流是电荷流动，而电压是驱动源，那么如何解释电流就变得不清楚了短路电流在无电压。

通过网络搜索，假设来理解这场争论中提出：

1. 如果光电流是通过电子吸收光子能量的结果，则认为这些电子具有足够的能量远离散装材料的能量被认为是电流的，而不管没有施加的电位零电压．关联：https://www.quora.com/Why-is-there-some-photocurrent-present-even-at-zero-potential

问题是，如果电压直接以能量(每电荷)的形式导出，电子的能量如何不在这里以电压的形式存在?

2. 如果p-n结包含一个内部电压即使在热力学平衡中，电压在短路电流可能只有在太阳能电池外部为零，当内部静电电位差因此电压仍然存在，并起到分离载流子的作用。关联：https://en.wikipedia.org/wiki/fermi_level#the_fermi_level_and_voltage.

问题是：如果内部P-n结的静电电位是用于流量的电荷的驱动源，如果是的话，则如何定义单元格的输出电压，如零和之间开路电压？

3. 而最后，我的假设是典型的I-V曲线代表理想化的太阳能电池，而实际上在短路电池的终端电阻的一小部分，使从零电压不同。因此，I-V曲线上的实际行应该永远不会到达Y轴。

问题是实际电压在短路电流与零不同（对于我们的细胞，这是真的，但我们归咎于电力计的内阻）？如果是，则在欧姆的法律的光线下，理想化的太阳能电池的理想化太阳能电池有可能与零电压不同的零电流（在U = 0上，我必须为0）？

我们可能会错过因果关系，所以请在正确的方向前进，请！

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首先，感谢所有对这个问题提供了很好的观点的贡献者。由于这一点，我对太阳能电池(以及半导体和一般电路)的操作的理解更新如下:

不要忘记，在太阳能电池中的光电流不仅是光子能量的散装材料的吸收与创建光载的，而且光生载流通过，重要的是，相关联的预先存在的电场的作用的分离的结果the p-n junction (https://en.wikipedia.org/wiki/electromotive_force#solar_cell.）.正是这个电场泵浦光载流子，并由此产生电动势。

内置潜力似乎是多数载体浓度在耗尽区边缘的函数（https://ocw.tudelft.nl/wp-content/uploads/Solar-Cells-R4-CH4_Solar_cell_operational_principles.pdf）.在P和N半导体的第一个“联系人”，没有潜力，但它建立了未补偿的扩散。

在黑暗中，当大多数载流子的进一步扩散随着电场的上升来补偿多个载波的进一步扩散时，所建立的P-n结处于平衡模式，防止了这种动作。因此，内置电位相当静止，而不是允许电子在建立的平衡下流动，并且不能通过电压表测量。

在开路模式下照明，内置电位泵的光电载波通过，重要的是，少数载体因此的电动势。少数载波的潜在差异使得电子流动，具有电动势的所有质量，并且可以通过电压表测量。

在短路模式下的照明下，多数载波的内置电位不变，少数载波分离保持发生，设计用作电流源，而无论其端子跨越零电压降。

如果具有敏锐知识的人可以进一步确认或改进这种理解，这将是伟大的。谢谢！

Answer 1

鉴于目前是收费流，其中电压驱动源，它变得不清楚如何解释短路电流无电压。

考虑下面的电路：

^{模拟此电路- 使用的原理图电路}

10毫安流过该电路。根据欧姆定律，有R1两端，但0V 1V R2两端。V = IR，因此，当R = 0，所以不V.

这是完全等同于当你短路的太阳能电池板会发生什么。太阳能电池板具有电动势的源（相当于V1在上面的电路）和内部电阻（相当于R1在上面的电路）。有流过短（相当于R2在上面的电路）的电流，并且存在0电压跨过短（相当于R2两端的0电压）。

问题是，如果电压直接以能量(每电荷)的形式导出，电子的能量如何不在这里以电压的形式存在?

元件上的电压不是移动电荷单位电荷的能量，而是工作通过该组件移动的电荷需要。没有工作是通过一个0到移动充电所需\ \ω\美元电阻器，因此即使电子可能移动相当快并且具有能量，它横跨其上的电压也为0。

问题是，短路电流的实际电压是否不等于零

号跨越短路的电压（0\ \ω\美元电阻)是0，即使电流流过短路。

Answer 2

我相信你仍然犯了考虑作为金属半导体的错误。在半导体中，您可以在没有“导致”电压的情况下电流。它被称为扩散电流，它位于所有PN结的工作的根源，因此所有半导体晶体管，二极管和太阳能电池。所有您需要的是载波浓度的梯度，任何T> 0k的热搅动都将为您进行工作。

即使是“分离”半导体结中的光子相互作用释放的电荷的内置电压也是P掺杂和N掺杂材料中不同浓度的结果。在某种程度上，您可以看到电压和“引起”的热（IR）光子，该光子在环境温度下撞入结。在热平衡时，您可以通过不同掺杂材料获得具有扩散电流的内置电压，通过结 - 因此零总电流（内部或外部，它是相同的）。它是否同样奇怪的是，在二极管内，你可以有一个没有a的电压净当前的？
_{内置的电压从外部是看不见的，因为要用电压表读取它，你需要金属触点，在热平衡时，最终会用一个相等而相反的电压来补偿它。(如果不是这样，我们就会有一台永续机器，热力学第二定律就不会高兴了)。}

我不想在“电压引起电流”和“电流引起电压”这两个问题上挑起另一场争论，所以让我逐字引用米尔曼《电子设备与电路》(1967)第588页中的一段话(只是强调的是我):

如果施加正向偏压，则潜在屏障降低，并且大多数电流迅速增加。当该多数电流等于少数群体电流时，总电流降至零。获得零合成电流的电压称为光伏电位。由于，当然，在开放的条件下没有电流流动，因此在PN结的开放端子上获得光伏EMF。

光伏效果的替代（但当然等效）的物理解释如下：在秒中。6-1我们看到了开放式（非定位）P-N结处的潜在屏障的高度调节自身，使得所得电流为零，连接处的电场处于摆动多个载体的方向上。如果光线落在表面上，注入少数载流子，由于这些载流子落在势垒上，少数电流增加。由于在开路条件下总电流必须保持为零，大多数电流(例如，p侧的空穴电流)必须与少数电流增加相同的量。只有当连接处的减速场减小时，大多数电流才有可能增加。因此由于辐射，势垒的高度会自动降低．在二极管终端上，看起来恰好等于阻挡电位减小的量。该电位是光伏EMF，对于硅细胞的硅和0.1V的级别为0.5V的级。如果i = 0代入EQ，则光伏电压Vmax对应于开放式二极管。（19-10），我们获得

_{来自21世纪的注释:\ $ i_s \ $是光电流吗\ $ i_ {ph} \ $），\ I_0 \美元在饱和电流（我们称之为\ $ i_s \ $），\ $ \ eta \ $是1的Ge，2的Si。}

因为，除了非常小的光强度，Is/Io»1，然后Vmax随ls和照明增加对数。通过实验得到了这样的对数关系，如图19-25a所示。

使用电阻R加载单元格时，您位于V-I平面的第四象限，在光伏模式下。的电流和电压是常见的细胞/光电二极管和负载电阻器（有可能是在符号的差由于用于无源或有源的双端口的不同的约定）是光电二极管和电阻器的特性，像这样的交叉点：

_{第四象限的光伏模式。来源:Millman，如上所述}

由于光电二极管/太阳能电池提供的电流，电压越过负载电阻，实际上与内置电压形成对比。对于\ $ R_ {负载} = \ infty \ $你有最大开路电压如上所述。对于\ $ r_ {load} = r_ {理想} \ $您可以提供给负载的最大功率。最后，对于\ $ R_ {负载} = 0 \ $你不再对比内置的电压和你（约）的最大电流可能，这是电流Iph加入肖克利方程术语。

$$ i = i_s \ left [exp \ left（\ frac {v} {\ eta v_ {th}} \ otive） - 1 \ rectle] - i_ {ph} $$

当您查看太阳能电池的等效电路时，所有这一切都在整齐地到位（用分流器和串联电阻表示损失和寄生效应，并添加可变负载电阻）：

_{的太阳能电池（具有损失）的等效电路和负载电阻（来源）}

一旦您接受电流源取决于照明，您就可以看到负载电阻是什么，只要电压的电压“Go的电压不能超过二极管的电压降。最大电流您可以获得的是，对于负载r = 0，也将二极管电压分流为零。

因此，要达到问题的重点：电压和电流是照明的结果。如果一个人可以是零，而另一个不是，则不要惊讶。

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作为一个附注，在上述等效电路中约定的电流I，我们将在I轴倒置的情况下观察V-I特性。这个器件应该用这个方程来描述(我再次忽略了与串联和分流电阻相关的损耗):

$ $ I = I_ {ph值}- I_S左\ [exp \离开(\压裂{V}{\埃塔V_ {Th}} \右)- 1 \]$ $

上面我们看到的特征会在第一象限显示出来，像这样

现在，负载电阻特性是第一象限中的知识。