太阳光伏基本原理

太阳能电池能量转换的基础是由半导体材料组成的PN结的光生伏特效应。当能量为hv的光子照射到禁带宽度为Eg的半导体材料上时，产生电子－空穴对，并受由掺杂的半导体材料组成的PN结电场的吸引，电子流入N区，空穴流入P区。如果将外电路短路，则在外电路中就有与入射光通量成正比的光流通过。

为了得到光生电流，要求半导体材料具有合适的禁带宽度。当入射光子能量大于半导体材料的禁带宽度（表2-1）时，才能产生光电子，而大于禁带宽度的光子的能量部分（hv－Eg）以热的形式损失。目前用于太阳能电池的半导体材料主要是晶体硅（包括单晶硅和多晶硅）、非晶硅薄膜和化合物，包括Ⅲ～Ⅵ族化合物（如Ga As）、Ⅱ－Ⅵ族化合物（如CdS/Cd Te）等电池系列。在这些材料中，单晶硅和多晶硅太阳电池的用量最大。

表2-1　主要半导体材料的禁带宽度

太阳电池的基本结构如图2-9所示。它由P掺杂和N掺杂的半导体材料组成电池核心。在N区表面沉积有减反射层。P掺杂是在半导体基体材料中掺杂提供空穴的元素，如B、Al、Ga、In；而N掺杂则是掺杂提供价电子的元素，如Sb、As或P，减反射层的作用是降低电池表面对太阳的反射，提高电池对光的吸收。光生电流由表面电极和背电极引出。

描述太阳电池的特征参数包括：光谱响应、电池开路电压Voc，短路电流Isc，以及光电转换效率η。太阳电池在入射光中每一种波长的光能作用下所收集到的光电流，与对应于入射到电池表面的该波长的光子数之比，称为太阳电池的光谱响应，也称为光谱灵敏度。它和电池的结构、材料性能、结深、表面光学特性等因素有关，也受环境温度、电池厚度和辐射损伤影响。

图2-9　太阳电池的基本结构

开路电压（Voc）是指当太阳光照射下外电路电阻为无穷大时测得的电池输出电压；短路电流（Isc）指外电路负载电阻为0时太阳电池的输出电压。太阳电池输出电流和电压随着外电路负载的变化而变化。在理想情况下，电池的电流—电压特性（图2-10）为：

式中，Id和Vd分别为二极管电流和电压；I0为无光照下二极管饱和电流；q为电子电荷；n为导带电子浓度。

转换效率η是在外电路中连接最佳负载电阻时，得到的最大能量转换效率。在最佳外电路电阻下，电池输出电流、电压对应电池最大输出功率Pmax＝ImaxVmax。电池的填充因子FF为：

因此，太阳电池的光电转换效率为：

图2-10　太阳能电池电流—电压特性

式中，Pin为入射太阳光能量。