第三章光伏器件-1光电池
光电池的工作原理
光电池的工作原理光电池，也被称为太阳能电池或光伏电池，是一种能将光能转化为电能的器件。
光电池的工作原理基于光电效应的发现，通过半导体材料中的光子吸收和载流子的分离来产生电流。
本文将介绍光电池的工作原理及其应用。
一、光电效应光电效应是指当光线照射到物质表面时，物质中的光子与电子发生相互作用，将光能转化为电能的现象。
这一效应首次由德国物理学家爱因斯坦在1905年提出，并为其赢得了诺贝尔奖。
当光子与物质相互作用时，它的能量可能会被吸收，将产生一个或多个电子-空穴对。
在光电池中，通常使用半导体材料作为光电效应的工作介质。
二、半导体材料光电池常使用的半导体材料包括硅、硒化镉和砷化镓等。
这些材料具有光电特性，能够吸收光子并将其转化为电能。
半导体材料的基本特征是带隙宽度。
带隙是指半导体材料中价带和导带之间的能量差。
当光子的能量大于带隙宽度时，光子被吸收并从价带中的电子激发到导带中，形成电子-空穴对。
三、光电池的结构光电池的基本结构包括p-n结、反射层、透明电极和载流子收集层等。
1. p-n结：光电池中的p-n结是主要光电效应的发生区域。
p-n结由p型半导体和n型半导体的结合构成。
当光线照射在p-n结上时，光子被吸收，激发出电子-空穴对。
2. 反射层：光电池的反射层主要用于提高光的吸收率。
反射层能够将未被吸收的光线反射回光电池中，增加光的捕获，并提高光电池的效率。
3. 透明电极：透明电极常用透明导电氧化物（如二氧化锡）材料制成，用于光线进入光电池的窗口。
透明电极不仅可以传输光线，还可以导电。
4. 载流子收集层：载流子收集层由导电材料制成，可以收集光生载流子并将其导出。
四、光电池的工作原理是基于光电效应和p-n结的特性。
当光线照射到光电池上时，光子被吸收、激发出电子-空穴对。
在p-n结的作用下，电子会流向n型半导体，而空穴则会流向p型半导体。
这个电子流和空穴流的运动产生了电流。
通过将两个电极（一个用于接收电子流，另一个用于接收空穴流）连接在光电池上，电流可以流动，实现电能的转化。
光电效应-光电池
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❖ 3.光电池电路符号与外观
I
I
I
Id
U
U RL
a)光电池符号
b)基本工作电路
c)光电池等效电路
图7-38 光电池符号和基本工作电路
图7-39 常见光电池的外观
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7.6.2 光电池特性及参数
❖ 1.光谱特性
❖ 图7-40可见，硒光电池在可 见光谱范围内有较高的灵敏 度，峰值波长在540nm附近， 在人眼的视觉范围内，因此 适宜测量可见光。硅光电池 应用的光谱范围是400nm— 1100nm，峰值波长在 850nm附近，其光谱应用范 围比硒光电池的更宽。
图7-41 光电池的光照特性
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7.6.2 光电池特性及参数
I / mA
RL 0 50
100 1000
5000
L / Klx
图7-42 硒光电池在不同负载时的光 照特性
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7.6.2 光电池特性及参数
❖ 3.频率特性
❖ 光电池的频率特性是指I其/ %输 出电流随调制光频率变化的 关系。由于光电池PN结面积 较大，极间电容大，故频率 特性较差。
宇宙飞船、卫星、太空探测器等方面应用。
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硒光电池:光电转换 效率低、寿命短， 适于接收可见光
应用砷化镓光电池的太阳能赛车
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位于西藏藏北无人区西部尼玛县新建成的光伏电站用来发电的大型 硅光电池版。
现代化走进藏北高原无人区：大型硅光电池
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光电池的工作原理
光电池的工作原理光电池，也被称为太阳能电池或光伏电池，是一种能够将光能转化为电能的装置。
它是太阳能光伏发电系统的核心组件之一，广泛应用于太阳能发电、光伏电源和光伏照明等领域。
光电池的工作原理可以简单地概括为光生电效应和光电导效应。
光生电效应是指光线照射到光电池表面时，光子与光电池中的半导体材料相互作用，将光子的能量转化为电子的能量。
光电池中的半导体材料通常采用硅(Si)或硒化镉(CdTe)等材料，这些材料具有较好的光电转换性能。
当光子进入光电池时，会与材料中的原子或分子相互作用，使得材料中的电子被激发或跃迁到导带中，形成电子-空穴对。
这些电子-空穴对的产生是光生电效应的基础。
光电导效应是指光生电效应产生的电子-空穴对在光电池中的导电过程。
光电池通常由两个不同的半导体材料组成，一个是n型半导体，另一个是p型半导体。
n型半导体中的电子浓度较高，而p型半导体中的空穴浓度较高。
当光子照射到光电池的p-n结区域时，光生电效应产生的电子-空穴对会在电场的作用下被分离，电子向n型半导体流动，而空穴则向p型半导体流动，从而形成电流。
这种电流即为光电池输出的电能。
光电池的工作原理可以通过以下步骤来详细描述：1. 光吸收：光线照射到光电池的表面，光子与光电池中的半导体材料相互作用，被吸收并转化为电子的能量。
2. 光生电效应：光子的能量激发或跃迁半导体材料中的电子，形成电子-空穴对。
3. 电子-空穴分离：电子-空穴对在电场的作用下被分离，电子向n型半导体流动，而空穴则向p型半导体流动。
4. 电流输出：电子和空穴的流动形成电流，通过外部电路输出为电能。
需要注意的是，光电池的工作效率受到多种因素的影响，包括光照强度、光谱分布、温度等。
光照强度越大，光电池输出的电能越高；光谱分布也会影响光电池的转换效率，因为不同波长的光子对半导体材料的吸收能力不同；温度的变化也会对光电池的性能产生影响，一般来说，光电池的工作温度范围在-40℃至85℃之间。
光电池的工作原理
光电池的工作原理光电池，又称太阳能电池，是一种将光能转换为电能的装置。
它是一种利用光生电效应的半导体器件，主要由P型半导体和N型半导体组成。
当光线照射到光电池上时，光子能量被半导体吸收，激发了半导体中的自由电子和空穴，从而产生电流。
那么，光电池的工作原理是怎样的呢？首先，光电池的P-N结是关键。
P-N结是P型半导体和N型半导体的结合部分，它们通过扩散结合在一起，形成了一个电势差。
当光线照射到P-N结上时，光子激发了P-N结中的电子和空穴，使得电子从N区向P区扩散，而空穴从P区向N区扩散，这样就形成了电势差。
这个电势差会导致电子和空穴在P-N结中分离，从而产生电流。
其次，光电池中的光生电流是光电转换的关键。
当光子能量大于半导体材料的带隙能量时，光子就能够激发出电子和空穴。
这些电子和空穴的产生，就形成了光生电流。
而光生电流的大小取决于光子的能量和数量，以及半导体材料的特性。
此外，光电池的工作原理还与光生电压有关。
光生电压是指光电池在光照条件下产生的电压。
当光子激发了电子和空穴后，P-N结中产生了电势差，这个电势差就是光生电压。
光生电压的大小取决于P-N结的材料和结构，以及光照条件。
最后，光电池的工作原理也与光生电子的扩散和漂移有关。
光生电子在P-N结中会发生扩散和漂移，最终形成电流。
而P-N结中的电场会加速电子和空穴的扩散和漂移，从而增加电流的产生。
综上所述，光电池的工作原理是通过光生电效应将光能转换为电能。
它主要依靠P-N结的电势差、光生电流、光生电压以及光生电子的扩散和漂移来实现光电转换。
这种利用太阳能的技术，不仅可以为人们提供清洁的能源，还可以在各种环境中发挥重要作用，是一种非常重要的能源技术。
第三章 太阳能电池原理
开路电压VOC： VOC kT ln( IL 1)
q
IS
填充因子 F Pmp IscVoc
光电转换效率
Pmp FVocIsc
Pi
Pi
Pmp是最大输出功率， Pi是输入功率
当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定以后，其值就取决 于开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子F的最大值。
3、入射光光谱：一般是标准化的AM1.5光源 4、太阳能电池的光学性能：电池的吸收和反射 5、载流子收集的可能性：主要取决于电池表面的钝化及电
池中的少子寿命
qV
I IL - IF IL - Is(e kT 1)
V kT ln( IL - I 1)
q
IS
当pn结开路（open circuit ）时即R趋于无穷大，得到
光谱响应度（SR） 太阳能电池的光谱响应度：单位光功率所产生的电流强度
SR Isc I L qne q EQE q(1 R) IQE
Pin ()
Pin ()
hc
n ph
hc
hc
EQE：外部量子效率（没有特殊说明时就是量子效率） IQE：内部量子效率
理想情况下，光谱响应度（λ≤ λg）与波长成正比。 实际情况并不成线性关系：波长较长时，电池对光的吸收弱，导致
带有电阻负载的pn结太阳能电池示意图
零偏下光电池工作 电流
光生电流IL 光生电压下的正向电流IF
qV
流经负载的电流 I IL - IF IL - Is(e kT 1)
太阳能电池的重要参数： 短路电流ISC；开路电压VOC；填充因子F；光电转换效率η
qV
I IL - IF IL - Is(e kT 1)
第三章光生伏特器件2-1介绍
其中的小实箭际头上表，示不正是向不电能流加的正方向向电（压普，通只整是流正二极管中规 定的正方接向以）后，就光与电普流通的二方极向管与一之样相，反只。有图单中向的前极为光 照面，后导极电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性背，光而面表。现不出它的光电效应。
2、光电二极管的电流方程
在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二 极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，如 图3-2所示。其电流方程为
限制PN结硅光电二极管时间响应的主要因素。
另一个因素是PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻 RL构成的时间常数τRC，τRC为
PN结电容由势垒电R容C Cc b和j(扩Ri散电R 容L)Cd组成。（3-5）
普电势负垒 离容通电子CP容，Nj常各C结为b具是硅几有由光一个空电定间P二的f电，电荷极在量区管负。引的当载起管外的电加芯。阻反空内R向间阻L低电电R压荷于i约变区5大为0内0时有2Ω5，不时0空能Ω，间移，时电动P荷间的N区正结常 数 变宽也，在存n储s的数电量荷级量。增但加；是当，外当加负反载向电电压阻变R小L很时，大空时间，电时荷区间变常
•与光电池相比：
共同点：均为一个PN结，利用光生伏特效应， SiO2保护膜
不同点： （1）结面积比光电池的小，频率特性好
（2）常在反偏压下工作 （3）衬底材料的掺杂浓度不同，光电池高
•国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为 2CU和2DU两种系列。
光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型 硅为衬底的2CU型两种结构形式。 图3-1（a）所示的为2DU型光电二极管的原理结构图。 图3-1（b）为光电二极管的工作原理图 图3-1（c）所示为光电二极管的电路符号
PIN型光电二极管
为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN 结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之 间生成I型层，构成如图3-6（a）所示的PIN结构光电二 极管，PIN结构的光电二极管与PN结型的光电二极管在外 形上没有什么区别，都如图3-6（b）所示。
光伏材料 第三章
对于硅半导体，E(eV ) 1.1eV ，因此长波极限： 1.13m
对于更长的波长则不会产生电子空穴对。
➢ 随着禁带宽度的减小，短 路电流增加。 ➢在确定的太阳光照的情况 下，参与产生电子空穴的光 子增多。
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光伏材料
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2）开路电压 Voc 极限
硅的输出电压仅占 Voc 0.7 63.6% Eg 1.1
理论计算单晶硅电池转化效率为？？？
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填充因子（Fill Factor） ：衡量太阳电池整体性能的一个重要参数， 代表太阳电池在最佳负载时能输出的最大功率的特性。
FF Pm Vm Im Voc Isc Voc I sc
转换效率：
Pm 100% FF Voc Isc 100%
Pin
Pin
I
Vm Voc V
当Uoc>10，
FF Uoc ln(Uoc 0.72) Uoc 1
开路电压Voc=700mV
FF 0.84
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光伏材料
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4） 极限
根据 Isc ,Voc , FF 极限计算出太阳电池转换效率理论极限是： 单晶硅27%，多晶硅20%，非晶硅15%，砷化镓28.5%。但是目前 研究结果为：单晶硅24%，砷化镓25%。 ➢太阳电池串并联电阻会产生漏电流、降低短路电流和开路电压 ➢硅半导体而言，有23%太阳光能量小于禁带宽度；超过禁带宽度 那部分能量会以热的形式被浪费，43%。 ➢光生载流子输出电压仅为相当于禁带宽度对应压的一部分，例如
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光伏材料
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2）载流子复合损失
太阳电池是一种少数载流子工作的器件，少数载流子在电池 内寿命决定了电池的转换效率。
光伏器件的原理
光伏器件的原理
光伏器件，即太阳能电池，是一种能够将太阳光直接转化为电能的设备。
其工作原理基于光电效应，即当光线照射到器件表面时，光子会激发器件中的电子，使其跃迁到导带中，从而产生电流。
在光伏器件中，主要应用的材料有硅、硒化镉等，不同材料的光电效应机制有所不同，但其基本原理都是相似的。
硅是目前应用最广泛的光伏材料之一，其结构简单且稳定，易于制备。
在硅光伏器件中，有P-N结构的太阳能电池和PN结构的太阳能电池。
P-N结构的太阳能电池由P型硅和N型硅组成，当光子照射到P-N结构表面时，会激发P型硅中的电子跃迁到N型硅中，形成电流。
而PN结构的太阳能电池则是在P-N结构的基础上加入P+层和N+层，以提高光电转换效率。
除了硅材料外，硒化镉也是一种常用的光伏材料，其主要应用在薄膜太阳能电池中。
硒化镉薄膜太阳能电池具有较高的光电转换效率和较好的稳定性，适用于大面积的太阳能发电系统。
其工作原理与硅太阳能电池类似，也是通过光电效应将光能转化为电能。
在光伏器件的制备过程中，除了选择合适的材料外，还需要考虑器件的结构设计和工艺流程。
例如，通过表面的抗反射涂层可以提高光的吸收率，从而提高光伏器件的光电转换效率。
此外，还可以采用多晶硅、单晶硅等不同形态的硅材料，以满足不同场合的需求。
总的来说，光伏器件的原理是利用光电效应将太阳光能转化为电能。
通过选择合适的材料、设计合理的结构和工艺流程，可以提高光伏器件的光电转换效率，实现更高效的太阳能发电。
光伏技术的发展将有助于减少对传统能源的依赖，推动清洁能源的发展，为人类创造更加可持续的生活方式。
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I / mA
60
40 死区 20 电压
0 0.4 0.8 U / V
正向特性
2）反向特性 二极管加反向电压，反 向电流很小； 当电压超过零点几伏后， 反向电流不随电压增加而增
I / mA
–50 –25
0U / V
击穿 – 0.02 电压 U(BR)– 0.04
1）光生载流子在耗尽层附近的扩散时间 2）光生载流子在势垒区中的漂移时间 3）与负载电阻RL并联的结电容Cj所决定的电路时间 常数。
相 对 光 电 (流%) /
10 0 硅 光 电池
80
60 硒 光 电池
40
20
0 1500 3000 4500 6000 7500 f/ Hz
硅光电池的频率特性
• 在调制频率较高的场合，应采用硅光电池。
• 受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，上电极 做成梳齿状或“E”字型电极
光电池外形 光敏面
能提供较大电流的大 面积光电池外形
分类：
光电池按材料分
有硅、硒、硫化镉、砷化镓光电池等。 光电池按结构分
按结构分，有同质结和异质结光电池等。国产同质 结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系 列和2DR系列两种。
光照下的PN结电流方程及伏安特性
2 伏安特性 第四象限：光伏模式 光电池 工作区域
光照下的PN结电流方程及伏安特性
2 伏安特性
普通二极管
光电二极管
光电池
光照下的PN结电流方程及伏安特性
3 等效电路 （意义：分析与计算）
I I0 eeU / kT 1 Ip
普通二极管
电流源
常用光伏探测器
I/mA
0.5
50Ω
0.4
0.3
RL=0
100Ω
1000Ω 0.2
0.1
5000Ω
0
2
4
6
8 10
E/klx
3)光谱特性
10 0
硅光电池
80
响应波长0.4-1.1微米， 60
S /%
峰值波长0.8-0.9微米。 40
硒光电池
20
响应波长0.34-0.75微米，
0
峰值波长0.54微米。
硒 硅
400 600 800 1000 1200
二极管加反向电压，即 U < 0，且 |U| >> UT ，则 I IS。
二极管加正向电压，即 U > 0，且 U >> UT ，则
U
U
e UT 1 ，可得 I ISe UT ，说明电流 I 与电压 U
基本上成指数关系。
结论：
二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现 很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止， 呈现很大的反向电阻，如同开关断开。
从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与 电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管 属于非线性器件。
光照下的PN结电流方程及伏安特性 1 PN结光电效应
光照
电子—空穴对 电子—空穴对分离
＋－
电流方程
光生电势差 I I0 eeU / kT 1 Ip
光照下的PN结电流方程及伏安特性
ln( 1
IP I0
)
当I P I0时,U oc
kT q
ln(
IP I0
)
1)伏安特性
光照下p-n结的电流方程
1)伏安特性 I0 E=0
I(μA)
Isc1 E1 Isc2 E2 Isc3 E3
Voc1
Voc2
Voc3
Voc4 RL= V(V) RL5
RL4
Isc S E
Isc4 E4
/ nm
硅光电池的光谱特性
4) 温度特性
光电池做探测器 件时，测量仪器 最好能保持温度 恒定，或采取温 度补偿措施。
硅光电池的温度特性 开路电压下降大约23mV/度 短路电流上升大约10-510-3mA/度
5) 时间和频率响应特性
响应时间取决于：主要由载流子的渡越时间＆RC时间 常数决定
按用途分： 太阳能电池：
(Solar Cells)
测量用光电池：
－－主要用作电源，转换效率高、 成本低
－－主要功能是作为光电探测用，光 照特性的线性度好
3 等效电路 （意义：分析与计算）
直流等效电路
交流等效电路
4、 硅光电池的特性参数
光照下p-n结的电流方程
1)伏安特性
I0 E=0
I(μA)
Isc1 E1 Isc2 E2 Isc3 E3
1 硅光电池 2 硅光电二极管 3 硅光电三极管 4 PIN光电二极管 5 雪崩光电二极管 6 紫外光电二极管 7 碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管
3.2.1 光伏探测器-光电池
光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏 压就能将光能转化成电能的光电器件。
1、光电池的工作原理 PN
++ -
光照 ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ -
Voc1
Voc2
Voc3
Voc4 RL= V(V) RL5
RL4
Isc4 E4
RL3
RL=0
RL1
RL2
硅光电池伏安特性曲线
1)伏安特性
U 0代入上式，得
qU
I I0 (e kT 1) SE
a短路电流：
Isc IP S E
I 0代入上式，得 b开路电压：
U oc
kT q
0.3
2 1
02
短路电流 0.2 0. 0.1
1 4 6 8 10
01
E/klx
短路电流 0.2 0.1
2 345
E/klx
(a) 硅光电池
(b)硒光电池
接有负载电阻RL的硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。
因此在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载 电阻在条件允许的情况下越小越好，并限制在强光 下使用。
• 要得到短的响应时间，必须选用小的 负载电阻RL；
• 光电池面积越大则响应时间越大，因 为光电池面积越大则结电容Cj越大， 在给定负载时，时间常数就越大，故 要求短的响应时间，必须选用小面积 光电池。
几种国产硅光电池的特性
与光敏电阻的比较
• 1、光电转换部位不同 • 2、光敏电阻需外加电压，没有极性，无正向、
1)、光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转
化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并 联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站 等无输电线路地区的电源供给。
2)、光电池用作检测元件适用于开关和线性测量等。
+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ --
内电场
RL
Ip
光电池的表示符号(a) 基本电路(b)
2、光电池的结构、分类
• 光电池核心部分是一个PN结，一般作 成面积大的薄片状，来接收更多的入 射光。
2DR型：以p型硅做基底，n型薄层受光面 2CR型：以n型硅做基底，p型硅做受光面
• 为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2 或MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀 的保护作用。
• 无机太阳能电池 – 半导体硅 (单晶、多晶、非晶、复合型等） – 化合物半导体（GaAs、CuInSe2、CdTe、 InP等）
• 有机太阳能电池 – 有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）
• 光化学太阳能电池（纳米TiO2等）
无机太阳能电池的性能及应用
名称 单晶硅 多晶硅 非晶硅
按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二 极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。
二、二极管的伏安特性
二极管的伏安特性
在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电
流，则I = f (U )之间的关系曲线为伏安特性。
I / mA
I / mA
60
40
正向特性
20
–50 –25
0
反 向
击穿电–压0.002
反向偏置之分；而结型器件因p-n结的存在， 有正向偏置、反向偏置之分，且无外加电压， 也可工作，也能实现光电转换。 • 3、光敏电阻的光电流依赖于光生载流子的产 生—复合运动，弛豫时间常数大，频率响应差。 结型器件的光电流依赖于结区部分光生载流子 的漂移运动，弛豫过程时间常数小，响应速度 快。
5、光电池的应用
输出电压、输出电流、输出 功率随负载电阻的变化曲线
I 伏安特性曲线
2)光照特性
短路电流曲线：短路电流与光照度成线性关系 开路电压曲线：开路电压与光照度成对数关系 ，当照度为 2000lx时趋向饱和。
Isc/mA
Uoc /V
Isc /mA
Uoc/V
5
开路电压
0.5 0.5
开路电压
4
0.4
0.4
3
0.3 0.3
考虑最大输出问题，跟入
射光照度也有关。
0 R1M00 200 300 400 500 RL/Ω
输出功率PL=VL•IL
Voc/V
400
转换效率 PL
Pi
200
0
VL V0
θ RL负载线
IL
PL 0
RM负载线
PM
PQ
Voc
PL IL
Isc/mA