太阳能电池板原理_太阳能电池的工作原理

由于杂质原子的最外层有三个价电子，所以当它们与其周围硅原子形成共价键时，就产生了一个“空位”，当硅原子的最外层电子填补此空位时，其共价键中便产生一个空穴。因而p型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。因杂质原子中的空位吸收电子，故称之为受主原子。

3、pN结

pN结：采用不同的掺杂工艺，将p型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成pN结。

扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。

当把p型半导体和N型半导体制作在一起时，在它们的交界面，两种载流子的浓度差很大，因而p区的空穴必然向N区扩散，与此同时，N区的自由电子也必然向p区扩散，如图示。

由于扩散到p区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，p区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的，称为空间电荷区，从而形成内建电场ε。

随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内建电场增强，其方向由N区指向p区，正好阻止扩散运动的进行。

漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动称为漂移运动。

当空间电荷区形成后，在内建电场作用下，少子产生飘移运动，空穴从N区向p区运动，而自由电子从p区向N区运动。在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成pN结，如图示。此时，空间电荷区具有一定的宽度，电位差为ε=Uho，电流为零。

二、太阳能电池工作原理

1、光生伏打效应:

太阳能电池能量转换的基础是半导体pN结的光生伏打效应。如前所述，当光照射到半导体光伏器件上时，能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中，在N区、耗尽区和p区中激发出光生电子--空穴对。

耗尽区：光生电子--空穴对在耗尽区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被送进N区，光生空穴则被推进p区。根据耗尽近似条件，耗尽区边界处的载流子浓度近似为0，即p=n=0。

在N区中：光生电子--空穴对产生以后，光生空穴便向p-N结边界扩散，一旦到达p-N结边界，便立即受到内建电场作用，被电场力牵引作漂移运动，越过耗尽区进入p区，光生电子(多子)则被留在N区。

在p区中：的光生电子(少子)同样的先因为扩散、后因为漂移而进入N区，光生空穴(多子)留在p区。如此便在p-N结两侧形成了正、负电荷的积累，使N区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。从而形成与内建电场方向相反的光生电场。

1.光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N区和p区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏打效应。当电池接上一负载后，光电流就从p区经负载流至N区，负载中即得到功率输出。

2.如果将p-N结两端开路，可以测得这个电动势，称之为开路电压Uoc。对晶体硅电池来说，开路电压的典型值为0.5～0.6V。

3.如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称为短路电流Isc。

影响光电流的因素：

1.通过光照在界面层产生的电子-空穴对愈多，电流愈大。

2.界面层吸收的光能愈多，界面层即电池面积愈大，在太阳电池中形成的电流也愈大。

3.太阳能电池的N区、耗尽区和p区均能产生光生载流子;

4.各区中的光生载流子必须在复合之前越过耗尽区，才能对光电流有贡献，所以求解实际的光生电流必须考虑到各区中的产生和复合、扩散和漂移等各种因素。

太阳能电池等效电路、输出功率和填充因数

⑴等效电路

为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一个等效电路来模拟。

1.恒流源:在恒定光照下，一个处于工作状态的太阳电池，其光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可把它看做是恒流源。

2.暗电流Ibk:光电流一部分流经负载RL，在负载两端建立起端电压U，反过来，它又正向偏置于pN结，引起一股与光电流方向相反的暗电流Ibk。

3.这样，一个理想的pN同质结太阳能电池的等效电路就被绘制成如图所示。

4.串联电阻RS:由于前面和背面的电极接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免地要引入附加电阻。流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示。

5.并联电阻RSh:由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时在微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一个并联电阻RSh来等效。

当流进负载RL的电流为I，负载RL的端电压为U时，可得：

式中的p就是太阳能电池被照射时在负载RL上得到的输出功率。

⑵输出功率

当流进负载RL的电流为I，负载RL的端电压为U时，可得：

式中的p就是太阳能电池被照射时在负载RL上得到的输出功率。

当负载RL从0变到无穷大时，输出电压U则从0变到U0C，同时输出电流便从ISC变到0，由此即可画出太阳能电池的负载特性曲线。曲线上的任一点都称为工作点，工作点和原点的连线称为负载线，负载线的斜率的倒数即等于RL，与工作点对应的横、纵坐标即为工作电压和工作电流。

调节负载电阻RL到某一值Rm时，在曲线上得到一点M，对应的工作电流Im和工作电压Um之积最大，即：pm=ImUm

一般称M点为该太阳能电池的最佳工作点(或称最大功率点)，Im为最佳工作电流，Um为最佳工作电压，Rm为最佳负载电阻，pm为最大输出功率。

⑶填充因数

1.最大输出功率与(Uoc×Isc)之比称为填充因数(FF)，这是用以衡量太阳能电池输出特性好坏的重要指标之一。

2.填充因数表征太阳能电池的优劣，在一定光谱辐照度下，FF愈大，曲线愈“方”，输出功率也愈高。

4、太阳能电池的效率、影响效率的因素

⑴太阳能电池的效率:

太阳能电池受照射时，输出电功率与入射光功率之比η称为太阳能电池的效率，也称光电转换效率。一般指外电路连接最佳负载电阻RL时的最大能量转换效率。

在上式中，如果把At换为有效面积Aa(也称活性面积)，即从总面积中扣除栅线图形面积，从而算出的效率要高一些，这一点在阅读国内外文献时应注意。

美国的普林斯最早算出硅太阳能电池的理论效率为21.7%。20世纪70年代，华尔夫(M.Wolf)又做过详尽的讨论，也得到硅太阳能电池的理论效率在AM0光谱条件下为20%~22%，以后又把它修改为25%(AM1.0光谱条件)。

估计太阳能电池的理论效率，必须把从入射光能到输出电能之间所有可能发生的损耗都计算在内。其中有些是与材料及工艺有关的损耗，而另一些则是由基本物理原理所决定的。

⑵影响效率的因素

综上所述，提高太阳能电池效率，必须提高开路电压Uoc、短路电流ISC和填充因子FF这三个基本参量。而这3个参量之间往往是互相牵制的，如果单方面提高其中一个，可能会因此而降低另一个，以至于总效率不仅没提高反而有所下降。因而在选择材料、设计工艺时必须全盘考虑，力求使3个参量的乘积最大。

1.材料能带宽度:

开路电压UOC随能带宽度Eg的增大而增大，但另一方面，短路电流密度随能带宽度Eg的增大而减小。结果可期望在某一个确定的Eg处出现太阳电池效率的峰值。用Eg值介于1.2～1.6eV的材料做成太阳电池，可望达到最高效率。薄膜电池用直接带隙半导体更为可取，因为它能在表面附近吸收光子。

2.温度:

少子的扩散长度随温度的升高稍有增大，因此光生电流也随温度的升高有所增加，但UOC随温度的升高急剧下降。填充因子下降，所以转换效率随温度的增加而降低。

3.辐照度:

随辐照度的增加短路电流线性增加，最大功率不断增加。将阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。

4.掺杂浓度:

对UOC有明显影响的另一因素是半导体掺杂浓度。掺杂浓度越高，UOC越高。但当硅中杂质浓度高于1018/cm3时称为高掺杂，由于高掺杂而引起的禁带收缩、杂质不能全部电离和少子寿命下降等等现象统称为高掺杂效应，也应予以避免。

5.光生载流子复合寿命:

对于太阳电池的半导体而言，光生载流子的复合寿命越长，短路电流会越大。达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中，要避免形成复合中心。在加工过程中，适当而且经常进行相关工艺处理，可以使复合中心移走，而且延长寿命。

6.表面复合速率:

低的表面复合速率有助于提高Isc，前表面的复合速率测量起来很困难，经常假设为无穷大。一种称为背电场(BSF)的电池设计为，在沉积金属接触前，电池的背面先扩散一层p+附加层。

7.串联电阻和金属栅线:

串联电阻来源于引线、金属接触栅或电池体电阻，而金属栅线不能透过阳光，为了使Isc最大，金属栅线占有的面积应最小。一般使金属栅线做成又密又细的形状，可以减少串联电阻，同时增大电池透光面积。

8.采用绒面电池设计和选择优质减反射膜:

依靠表面金字塔形的方锥结构，对光进行多次反射，不仅减少了反射损失，而且改变了光在硅中的前进方向并延长了光程，增加了光生载流子产量;曲折的绒面又增加了pN结的面积，从而增加对光生载流子的收集率，使短路电流增加5%～10%，并改善电池的红光响应。

9.阴影对太阳电池的影响:

太阳电池会由于阴影遮挡等造成不均匀照射，输出功率大大下降。

目前,太阳能电池的应用已从特种领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，它的成本还很高，发出1kW电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。

但是，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。