太阳能电池的工作原理

1、太阳电池吸收太阳光就能产生一般电池的功能。但是和传统的电池不一样，传统电池的输出电压和最大输出功率是固定的，而太阳电池的输出电压、电流，功率则是和光照条件及负载的工作点关。正因如此，要应用太阳电池来产生电力，必须了解太阳电池的电流-电压关系，及工作原理。太阳光的频谱照度：太阳电池的能量来源是太阳光，因此入射太阳光的强度(intensity)与频谱(spectrum)就决定了太阳电池输出的电流与电压。我们知道，物体置放于于阳光下，其接受太阳光有二种形式，一为直接(direct)接受阳光，另一为经过地表其它物体散射后的散射(diffuse)阳光。一般情况下，直接入射光约占太阳电池接受光的80%。因

2、此，我们下面的讨论也以直接着实阳光为主。太阳光的强度与频谱，可以用频谱照度(spectrum irradianee)来表达，也就是单位面积单位波长的光照功率(W/ um)。而太阳光的强度(W/加),则是频谱照度的所有波长之总和。太阳光的频谱照度则和测量的位置与太阳相对于地表的角度有关，这是因为太阳光到达地表前，会经过大气层的吸收与散射。位置与角度这二项因素，一般就用所谓的空气质量(air mass, AM)来表示。对太阳光照度而言，AMO是指在外太空中，太阳正射的情况，其光强度约为1353 W/加，约等同于温度5800K的黑体辐射产生的光源。AMI是指在地表上，太 阳正射的情况，光强度约为 9

3、25 W/m2 O AMI.5足指在地表上，太阳以 45度角入射的情况， 光强度约为844 W/ m爲一般也使用 AM 1.5来代表地表上太阳光的平均照度。太阳电池的电路模型：一个太阳电池没有光照时，它的特性就是一个p-n结二极管。而一个理想的二极管其电流-电压关系可表为其中I代表电流，V代表电压，Is是饱和电流，和 VT=KBT/q0,其中KB代表BoItzmann常数，q0是单位电量，T是温度。 在室温下，VT=0.026v。需注意的是，P-n二极管电流的方向是定义在器件内从P型流向n型，而电压的正负值，则是定义为P型端电势减去n型端电势。因此若遵循此定义，太阳电池工作时，其电压值为正，电

4、流值为负，I-V曲线在第四象限。这里必须提醒读者的是，所谓的理想二极管是建立在许多物理条件上，而'实际的二极管自然会有一些非理想(non ideal)的因素影响器件的电流-电压关系，例如产生-复合电流，这里我们不多做讨论。当太阳电池受到光照时，p-n二极管内就会有光电流。因为 p-n结的内建电场方向是从n型指向p型，光子被吸收产生的电 子-空穴对，电子会往n型端跑，而空穴会往p型端跑，则电子和空穴二者形成的光电流会由n型流到p型。一般二极管的正电流方向是定义为由p型流到n型。这样，相对于理想二 极管，太阳电池光照时产生的光电流乃一负向电流。而太阳电池的电流 -电压关系就是理想二极管加上

5、一个负向的光电流IL，其大小为：也就是说，没有光照的情况，IL=0,太阳电池就是一个普通的二极管。当太阳电池短路时，也就是V=0,其短路电流则为Isc=-IL.I=0,其开路电压则为也就是说当太阳电池短路，短路电流就是入射光产生光电流。若太阳电池开路，也就是你(a) Equivalent circuit(b) Equivalent circuit with d图二、太阳电池的等效电路：（ 池特性的二个重要参数。scries ami li slmnt rcsistancua）无，（b）有串联和分流电阻的情况。这里必须强调的是，开路电压和短路电流时太阳电太阳电池输出的功率就是电流和电压的乘积:P

6、= IV = IsVey/VT很明显，太阳电池输出的功率并非是个固定值，它在某个电流-电压工作点达到最大值，而这最大输出功率Pmax，则可由dp/dv=O来决定。我们可以推导得出最大输出功率Pmax时的输出电压为:vP max匚/人十1和输出电流为:而太阳电池最大输出功率就是:VPmax Pmax太阳电池的效率就是指太阳电池将入射光的功率Pin转换成最大输出电功率的比例，也就是:一般的太阳电池的效率测量，都是使用pin=1000W/ m沖勺类似太阳光的灯光光源。实验上，太阳电池的电流-电压关系并没有完全地遵循上诉的理论描述，这是因为光生伏特器件本身存在所谓的串联电阻(series resist

7、a nee)和分流电阻(shu nt resista nee)。对于任何半导体材料，或是半导体与金属的接触，不可避免的都会有或多或少的电阻，它们就会形成光生伏特器件串联电阻。另一方面，光生伏特器件的正负电极间，存在任何非经由理想P-n二极管的其它电流的通道，都会造成所谓的漏电流 (leakage current)，例如器件中的产生-复合(generation-recombination) 电流，表面复合（surface recomb in atio n）电流，器件的 边缘隔离（edge isolatio n）不完全，和金属接触穿透结。通常，我们用分流电阻（shunt resistance）来定

8、义太阳电池的漏电流大小，也就是Rsh=V/lleak。分流电阻越大，就表示漏电流越小。如果考虑申联电阻Rs和分流电阻Rsh，太阳电池的电流-电压关系则可写成：我们还可以只用一个参数，就是所谓的填充因子（fill factor），来同时概括串联电阻与分流电阻这两个效应。定义为:FF =很明显，如果没有串联电阻，且分流电阻无穷大（没有漏电流）时，填充因子最大。任何串联电阻的增加或分流电阻的减少，都会减少填充因子。如此一来，。太阳电池的效率就可以由三个重要参数：开路电压Voc、短路电流Isc、和填充因子FF来表达。显然，要提高太阳电池的效率，贝傻同时增加其开路电压、短路电流（亦即光电流），和填充因子

9、（亦即减少串联电阻与漏 电流）。FF厶.匕开路电压与短路电流：由前面的公式来看，太阳电池的开路电压是由光电流与饱和电池来决定。从半导体物理的观点，开路电压就等于空间电荷区 中电子和空穴间的Fermi能差。至于理想P-n二极管的饱和电流，则可以用:来表达。其中qO代表单位电量，ni代表半导体的intrinsic载流子浓度，ND和NA各代表施主和受体主的浓度，Dn和Dp各 代表电子和空穴的扩散系数， 上面的表达式是假设n -型区和p -型区都很宽的情况。一般使用p -型基板的太阳电池，n -型区都 非常浅，上面的表达式是须要修改的。前面我们提到，当光照太阳电池时产生光电流，而光电流就是太阳电池电流

10、-电压关系中的闭路电流，这里我们就光电流的由来，做一简单叙述。载流子在单位时间单位体积中的产生率（单位m -3 s -1 ）是由光吸收系数来决定，也就是g£（x） = a仏（1 一 R）e其中a代表光吸收系数,0rw是入射光子强度（或称为光子流量密度），R指反射系数，因此代表没有被反射的入射光子强度。而产生光电流的主要三个机制为：少数载流子电子在 型区的扩散电流、电子和空穴在空间电荷区的漂移电流。因此光电流约可表达为：p -型区的扩散电流、少数载流子空穴在n -厶=4十歼十人"區（厶+乙+炉）其中Ln各Lp各代表p -型区电子和n -型区空穴的扩散长度,达式：是空间电荷区的

11、宽度。归纳这些结果，可得到开路电压的简单表匕严Din亿/4+lRqin（肛/仁十1）其中Vg代表电子-空穴对的单位体积的复合率。当然这是很自然的结果，因为开路电压就等于空间电荷区中电子和空穴间 的Fermi能差，而电子和空穴间的 Fermi能差就是由载流子产生率与复合率来决定。本资料属于购线网所有，如需转载，请注明出处 When you are old and grey and full of sleep,And no ddi ng by the fire, take dow n this book,And slowly read, and dream of the soft lookYour

12、 eyes had once, and of their shadows deep;How many loved your mome nts of glad grace,And loved your beauty with love false or true,But one man loved the pilgrim soul in you,And loved the sorrows of your cha nging face;And bending dow n beside the glow ing bars,Murmur, a little sadly, how love fledAn

13、d paced upon the mountains overheadAnd hid his face amid a crowd of stars.The furthest dista nee in the worldIs not betwee n life and deathBut whe n I sta nd in front of youYet you don't know thatI love you.The furthest dista nee in the worldIs not whe n I sta nd in front of youYet you can't see my loveBut whe n un doubtedly knowing the love from bothYet cannot be together.The furthest dista nee in the worldIs not being apart while being in loveBut whe n I pla inly cannot resist the year ning