太阳能电池板原理

伴随全球能源日趋紧张，太阳能成为新型能源得到了大力的开发，其中我们在生活中使用最

多的就是太阳能电池了。太阳能电池是以半导体材料为主，运用光电材料吸取光能后发生光

电转换，使它产生电流，那么太阳能电池11勺工作原理是怎么样11勺呢？太阳能电池是通过光电

效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。当太阳光照射到半导体上时，其中一部

分被表面反射掉，其他部分被半导体吸取或透过。被吸取的光，当然有某些变成热，另某些

光子则同构成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子一空穴对。这样，光能就以产生电子

一空穴对的形式转变为电能。

太阳光线

一、太阳能电池的物理基础

当太阳光照射P一n结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，对应地便产生了

电子一一空穴对，并在势垒电场日勺作用下，电子被驱向型区，空穴被驱向P型区，从而使

凡区有过剩的电子，P区有过剩的空穴。于是，就在D-n结H勺附近形成了与势垒电场方

向相反时光生电场。

假如半导体内存在P-N垢，则在P型和N型交界面两边形成打垒电场，能将电子驱向N区,

空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势

垒电场方向相反光的生电场。

品＞；受此过程中带1H电妁空穴往P中!义移动

vel,ecfan$'Com生各W能发”

制造太阳电池H勺半导体材料已知日勺有十几种，因此太阳电池的）种类也诸多。目前，技术最成

熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例，详细简介

太阳能电池口勺工作原理。

1、本征半导体

物质的导电性能决定于原子构造。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核

的束缚成为自由电子，在外电场日勺作用下产生定向移动，形成电流。高价元素（如惰性气体）

或高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，因

此导电性极差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅（Si）和错（Ge）均为四价元素，它们的J

最外层电子既不像导体那么轻易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么

紧，因而其导电性介于二者之间。

将纯净的半导体通过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。晶体中的原子在空间

形成排列整洁口勺点阵，相邻的原子形成共价键。

图1.1.1本征aWonscomy陵晶体中时共价键具有极强

的结合力，因此，在常温下，仅有极少数的价电子由于热运动（热激发）获得足够的能量，

从而挣脱共价键H勺束缚变成为自由电子。与此同步，在共价键中留下一种空穴。原子因失掉

一种价电子而带正电，或者说空穴带正电。在本征半导体中，自由电子与空穴是成对出现的,

即自由电了•与空穴数目相等。

本征瓒蝮8s8m电3或烧4

自由电子在运动日勺过程中假如与空穴相遇就会弥补空穴，使两者同步消失，这种现象称为复

合.在一定的温度下，本位激发所产生的自由电子与空穴对，与更合日勺自由电子和空穴对数

目相等，故到达动态平衡，

能带理论：

1、单个原子中的电子在绕核运动时，在各个轨道上的电子都各自具有特定的能量；

2、越靠近核的轨道，电子能量越低：

3、根据能量最小原理电子总是优先占有最低能级；

4、价电子所占据的能带称为价带；

5、价带的上面有一种禁带，禁带中不存在为电子所占据的能级；

6、禁带之上则为导带，导带中日勺能级就是价电子挣脱共价键束缚而成为自由电子所能占据

的能级；

7、禁带宽度用Eg表达，其值与半导体的材料及其所处的温度等原因有关。T=300K时，硅

WEg=l.leV；的的Eg=0.72eV.

|电子能量E

।导带

%禁带

厂价带

价电子的腼攥m电3或就灰

2、杂质半导体

杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少许杂质元素，便可得到杂质半导体。

按掺入的杂质元素不用，可形成N型半导体和P型半导体；控制掺入杂质元素口勺浓度，就可

控制杂质半导体H勺导电性能。

N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就

形成了N型半导体。

图LL3矶呻呻呼阳M玄秋龙由于杂质原子时最外层有

五个价电子，因此除了与其周围硅原子形成共价犍外，逐多出一种电子。多出的电子不受共

价键的束缚，成为自由电子.N型半导体中，自由电子的浓度不小于空穴日勺浓度，故称自由

电子为多数载流子，空穴为少数载流子。由于杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子。

P型半导体：在纯净艮|硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子艮I位置，就

形成了P型半导体。

图1.1,4胪会干,野怵3友烧友

由于杂质原子H勺最外层有三个价电子，因此当它们与其周围硅原子形成共价键时，就产生了

一种“空位”，当硅原子的最外层电子弥补此空位时，其共价键中便产生一种空穴。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取电子，故称之为受主

原子。

3、PN结

PN结：采用不一样的掺杂工艺，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.

空穴负离子正离子自由电子

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P区N区

空间电荷区

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扩散运动：物质

总是从浓度高U勺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H勺空穴必然向N区扩散，与此同步，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，因此在交界

面附近多子日勺浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动口勺，称为

空间电荷区，从而形成内建电场

伴随扩散运动H勺进行，空间电荷区加宽，内建电场增强，其方向由N区指向P区，恰好制止

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。在无外电场和其他激发作用下，参与扩散运动的多子数目等

于参与漂移运动H勺少子数目，从而到达动态平衡，形成PN结，如图示。此时，空间电荷

区具有一定H勺宽度，电位差为£=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结啊光生伏打效应。如前所述，当光照射到半导体

光伏器件上时，能量不小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一空穴对。

耗尽区：光生电子一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

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P区N区

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I内建电场£

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在N区中：光生电子一空穴对产生后来，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

（多了）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51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I内光生电场。

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光生电场

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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.假如将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,

开路电压日勺经典值为0.5~0.6Vo

3.假如将外电路短路，则外电路中就有马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。

影响光电流口勺原因：

1.通过光照在界面层产生的电子-空穴对愈多，电流愈大。

2.界面层吸取H勺光能愈多，界面层即电池面积愈大，在太阳电池中形成FI勺电流也愈大。

3.太阳能电池日勺N区、耗尽区和P区均能产生光生载流子;

4.各区中日勺光生载流子必须在复合之前越过耗尽区，才能对光电流有奉献，因此求解实际口勺

光生电流必须考虑到各区中的产生和复合、扩散和漂移等多种原因。

2、太阳能电池材料的光学性质

太阳能电池H勺光学性质，常常决定着太阳能电池的极限效率，而且也是工艺设计的根据。

⑴吸取定律

(1-Woe

进入半导体的光到达

X处的光谱辐照度，光垂宜照射半导体薄片时发生

当一束光谱辐照度为10时光正交入射到半导体表面上时，扣除反射后，进入半导体的光谱

辐照度为I0(l-R)，在半导体内离前表面距离为x处的光谱辐照度lx由吸取定律决定：

当薄片厚度为d时，我们可以得到有关透射率更完整的近似体现式。

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单晶硅、珅化铁和某些重要太阳能电池材料的吸取系数与波长的关系如图所示。

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图2-16•些重要光电半导体材料的吸收

系数和项火付而&>m电3发胡友

⑵本征吸取

在原子图像中，硅的本征吸取可以理解为一种硅原子吸取一种光子后受到激发，使得一种共

价电子变成了自由电子，同步在共价键断裂处留下一种空穴。试验发现，只有那些hu不小

于禁带宽度Eg的光子，才能产生本征吸取。

显然入射光子必须满足或

hu>hv^=Eg

性0=E

厂4且

elecfanscom电3点优友

式中Vo―刚好能产生本征吸取的光的J频率（频率吸限）；入。一刚好能产生本征吸取的光H勺

波长（波长吸取限）。

可以认为，硅对于波长不小于1.15um的红外光是透明II勺。3、太阳能电池等效电路、输出

功率和填充囚数

（1）等效电路

为了描述电池日勺工作状态，往往将电池及负载系统用•种等效电路来模拟。

《

1.恒流源：在恒定光照下，一种处在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日勺暗电流Ibko

3.这样，一种理想口勺PN同质结太阳能电池日勺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，以及材料自身具有一定的电阻率，基区和顶层

都不可防止地要引入附加电阻。流经负载H勺电流通过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，

可将它们的总效果用一种串联电阻RS来表达。

5.并联电阻RSh:由于电池边缘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种并联电阻RSh来等

效。

当流进负载RL的电流为I,负载RLB勺端电压为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曰勺电流为I,负载RL『、J端电压为U时，可得:

IjTbk-/。（浮°一见”“4一1）-菖+&）

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U=IRL

P=IU=//gyJi）一次Lt为u

LU\/T）

Ksh

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心

erlec*fanscom电3女优点

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UOC,同步输出电流便从1SC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11勺连

线称为负载线，负载线的斜率U勺倒数即等于RL,与工作点对应的横、纵坐标即为工作电压

和工作电流。

电压

图2-33太阳能电池的负载特性曲线

电友爆交

eWlec*fanscom3

调整负载电阻RL到某一值Rm时，在曲线上得到一点M,对应日勺工作电流Im和工作电压Um

之积最大，即：Pm=ImUm

般称M点为该太阳能电池的最佳工作点（或称最大功率点），4为最佳工作电流，U川为最

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

L最大愉出功率与（UocXIsc）之比称为填充因数（FF）,这是用以衡量太阳能电池愉出特

性好坏的重要指标之一。

pUI

FF=—^―mm

U

u3ww

el.ecfanscom电3或烧芯

2.填充因数表征太阳能电池日勺优劣，在一定光谱辐照度下，FF愈大，曲线愈“方”，输出

功率也愈高。

、太阳能电池的效率、影响效率的原因

⑴太阳能电池的效率：

太阳能电池受照射时，输出电功率与入时光功率之比n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时欧J最大能量转换效率。

_—Pm_ImUm_v(FF)IscUoc_(VFF/)IscUoc

•I~一——：

“R444必4[①(2隹"

式中AL包括栅线图形面积在内的太阳能电池总面积

P，=「①(丸)生办••单位面积入射光功率

mJoXql.ecfcm*8m电3家烧女

在上式中，假如把At换为有效面积Aa(也称活性面积)，即从总面积中扣除棚线图形面积，

从而算出的效率要高某些，这一点在阅读国内外文献时应注意。

美国的J普林斯最早算出硅太阳能电池口勺理论效率为21.7%。20世纪70年代，华尔夫(M.Wolf)

又做过详尽日勺讨论，也得到硅太阳能电池的理论效率在AM0光谱条件下为20%~22%,后来又

把它修改为25%(AML0光谱条件)。

估计太阳能电池日勺理论效率，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口勺损耗，而另某些则是由基本物理原理所决定的。

⑵影响效率的原因

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，假如单方面提高其中一种，可能会因

此而降低另一种，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，力争使3个参量的乘积最大。

1.材料能带宽度：

开路电压U0C随能带宽度Eg的增大而增大，但另首先，短路电流密度随能带宽度Eg的增大

而减小。成果可期望在某一种确定的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，可望到达最高效率。薄膜电池用直接带隙半导体更为可取，因为它能

在表面附近吸取光子。

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LOC

随温度时升高急剧下降。填充因子下降，因此转换效率随温度的增加而降低。

3。

温度每升高1℃，

电池的输出功率损失约为

0.35%〜0.45%,也就是

说，在20℃工作的硅太阳

能电池的输出功率要比在

70℃工作时高20%。

图313温度对太阳电池输出特性的影响

地面应用的硅太阳能电池一般工作在＜0〜+70℃之间，■

I空间应用的硅太阳能电池可在-135〜+12517条件下£作.，

3.辐照度：

随辐照度的增加短路电流线性增加，最大功率不停增加。将阳光聚焦于太阳电池，可使一种

小小的太阳电池产生出大量的电能。

簿照度/(W/nN)

图314辎照度对晶体硅太阳电池开路电压和短路电流的影响

图3-15辐照度期.建能的影痢

e/lecf•anscom电3反爆发

4.掺杂浓度：

对UOC有明显影响FI勺另一原因是半导体掺杂浓度。掺杂浓度越高，UOC越高。但当硅中杂质

浓度高于1018/cm3时称为商掺杂，由于高掺杂而引起II勺禁带收缩、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，也应予以防止。

1019

独

短Si

冰P型