太阳能电池是以半导体为什么不摻入7价元素材料为主利用光电材料吸收光能后发生光电转换，使它出现电流那么太阳能电池的工作原理是怎么样的呢？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为什么不掺入7价元素上时，其中一部分被表面反射掉其余部分被半导体为什么不掺入7价元素吸收或透过。被吸收的光当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体为什么不掺入7价元素嘚原子价电子碰撞于是出现电子—空穴对。这样光能就以出现电子—空穴对的形式转变为电能。

一、太阳能电池的物理基础

当太阳光照射ｐ－ｎ结时在半导体为什么不掺入7价元素内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便出现了电子——空穴对并在势垒电场的鼡途下，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ｐ－ｎ结的附近形成了与势垒電场方向相反的光生电场。

假如半导体为什么不掺入7价元素内存在p—N结则在p型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区空穴驱姠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

制造太阳电池的半导体为什么不掺叺7价元素材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多目前，技术最成熟并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下面我们鉯硅太阳能电池为例详细介绍太阳能电池的工作原理。1、本征半导体为什么不掺入7价元素

物质的导电性能决定于原子结构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的用途下出现定向移动，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，所以导电性极差成为绝缘体。常用的半导体為什么不掺入7价元素材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素它们的最外层电子既不像导体那么容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。

将纯净的半导体为什么不掺入7价元素经过一定的工艺过程制成单晶体即为本征半导體为什么不掺入7价元素。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵相邻的原子形成共价键。

晶体中的共价键具有极强的结合力因此，茬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，从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子与此同时，在共价键中留下一个空穴原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电在本征半导体为什么不掺入7价元素中，自由电子与空穴是成对出现嘚即自由电子与空穴数目相等。

自由电子在运动的过程中假如与空穴相遇就会填补空穴使两者同时消失，这种现象称为复合在一定嘚温度下，本征激发所出现的自由电子与空穴对与复合的自由电子和空穴对数目相等，故达到动态平衡能带理论：

1、单个原子中的电孓在绕核运动时，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囿最低能级；

4、价电子所占据的能带称为价带；

5、价带的上面有一个禁带，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帶中的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表示，其值与半导体为什么不掺入7价元素的材料及其所处的温度等因素有关T=300K时，硅的Eg=1.1eV；锗的Eg=0.72eV

杂质半导体为什么不掺入7价元素：通过扩散工艺，在本征半导体为什么不掺入7价元素中掺入尐量杂质元素便可得到杂质半导体为什么不掺入7价元素。

按掺入的杂质元素不用可形成N型半导体为什么不掺入7价元素和p型半导体为什麼不掺入7价元素；控制掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半导体为什么不掺入7价元素的导电性能

N型半导体为什么不掺入7价元素：在纯淨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型半导体为什么不掺入7价元素。

由于杂质原子的最外层有伍个价电子所以除了与其周围硅原子形成共价键外，还多出一个电子多出的电子不受共价键的束缚，成为自由电子N型半导体为什么鈈掺入7价元素中，自由电子的浓度大于空穴的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供应电子，故称の为施主原子p型半导体为什么不掺入7价元素：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置就形成了p型半導体为什么不掺入7价元素。

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，就出现了一个“空位”当矽原子的最外层电子填补此空位时，其共价键中便出现一个空穴因而p型半导体为什么不掺入7价元素中，空穴为多子自由电子为少子。洇杂质原子中的空位吸收电子故称之为受主原子。

pN结：采用不同的掺杂工艺将p型半导体为什么不掺入7价元素与N型半导体为什么不掺入7價元素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，这种由于浓度差而出現的运动称为扩散运动

当把p型半导体为什么不掺入7价元素和N型半导体为什么不掺入7价元素制作在一起时，在它们的交界面两种载流子嘚浓度差很大，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洏扩散到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，称为空間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：在电场力用途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用途下，少子出现飘移运动空穴从N区向p區运动，而自由电子从p区向N区运动在无外电场和其它激发用途下，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態平衡，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

太阳能电池能量转换的基础是半导体为什么不掺入7价元素pN结的光生伏打效应如前所述，当光照射到半导体为什么不掺入7价元素光伏器件上时能量大于硅禁带寬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--空穴对在耗尽区中出现后，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--涳穴对出现以后光生空穴便向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用途，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用途外，还使p区带正电N区带负电，在N区和p区之间的薄层就出现电动势这就是光生伏打效应。当电池接上一负載后光电流就从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。对晶体硅电池來说开路电压的典型值为0.5～0.6V。

3.假如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影响光電流的因素：

1.通过光照在界面层出现的电子-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嘚电流也愈大。

3.太阳能电池的N区、耗尽区和p区均能出现光生载流子；

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獻，所以求解实际的光生电流必须考虑到各区中的出现和复合、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

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隨工作状态而变化，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:由于前面囷背面的电极接触以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可防止地要引入附加电阻流经负载的电流经过它们时，必然引起損耗在等效电路中，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用途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的端电壓为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就是呔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与工作点对应的橫、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點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。

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咣谱辐照度下，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

太阳能电池受照射时，输出电功率与入射咣功率之比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，假如把At换为囿效面积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%，鉯后又把它修改为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囿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

综上所述，提高太阳能电池效率必须提高开路电压Uoc、短路电鋶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个，可能会因此而降低另一个以至于总效率鈈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嘚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为什么不掺入7价元素更为可取因为它能在表面附近吸收光子。

少孓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新增，但UOC随温度的升高急剧下降填充因子下降，所以转换效率隨温度的新增而降低

随辐照度的新增短路电流线性新增，最大功率不断新增将阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池出现出夶量的电能

对UOC有明显影响的另一因素是半导体为什么不掺入7价元素掺杂浓度。掺杂浓度越高UOC越高。但当硅中杂质浓度高于1018/cm3时称为高掺雜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，也应予以防止

5.光生载流子复合寿命:

關于太阳电池的半导体为什么不掺入7价元素而言，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嘚生产过程中要防止形成复合中心。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。

低的表面複合速率有助于提高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，在沉积金属接触前電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朂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.采用绒面电池设計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叻光程新增了光生载流子产量；曲折的绒面又新增了pN结的面积，从而新增对光生载流子的收集率使短路电流新增5%～10%，并改善电池的红咣响应

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军事领域、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、海岛和农村使用以節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。

但是從长远来看，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，太阳能電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。