隨著全球能源日趨緊張，太陽能成為(wei) 新型能源得到了大力的開發，其中我們(men) 在生活中使用最多的就是太陽能電池了。太陽能電池是以半導體(ti) 材料為(wei) 主，利用光電材料吸收光能後發生光電轉換，使它產(chan) 生電流，那麽(me) 太陽能電池的工作原理是怎麽(me) 樣的呢?太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。當太陽光照射到半導體(ti) 上時，其中一部分被表麵反射掉，其餘(yu) 部分被半導體(ti) 吸收或透過。被吸收的光，當然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導體(ti) 的原子價(jia) 電子碰撞，於(yu) 是產(chan) 生電子—空穴對。這樣，光能就以產(chan) 生電子—空穴對的形式轉變為(wei) 電能。

 

    一、太陽能電池的物理基礎

    當太陽光照射p-n結時，在半導體(ti) 內(nei) 的電子由於(yu) 獲得了光能而釋放電子，相應地便產(chan) 生了電　子——空穴對，並在勢壘電場的作用下，電子被驅向型區，空穴被驅向P型區，從(cong) 而使凡區有過剩的　電子，P區有過剩的空穴。於(yu) 是，就在p-n結的附近形成了與(yu) 勢壘電場方向相反的光生電場。

    如果半導體(ti) 內(nei) 存在P—N結，則在P型和N型交界麵兩(liang) 邊形成勢壘電場，能將電子驅向N區，空穴驅向P區，從(cong) 而使得N區有過剩的電子，P區有過剩的空穴，在P—N結附近形成與(yu) 勢壘電場方向相反光的生電場。

     

 

    製造太陽電池的半導體(ti) 材料已知的有十幾種，因此太陽電池的種類也很多。目前，技術最成熟，並具有商業(ye) 價(jia) 值的太陽電池要算矽太陽電池。下麵我們(men) 以矽太陽能電池為(wei) 例，詳細介紹太陽能電池的工作原理。

    1、本征半導體(ti)

    物質的導電性能決(jue) 定於(yu) 原子結構。導體(ti) 一般為(wei) 低價(jia) 元素，它們(men) 的最外層電子極易掙脫原子核的束縛成為(wei) 自由電子，在外電場的作用下產(chan) 生定向移動，形成電流。高價(jia) 元素(如惰性氣體(ti) )或高分子物質(如橡膠)，它們(men) 的最外層電子受原子核束縛力很強，很難成為(wei) 自由電子，所以導電性極差，成為(wei) 絕緣體(ti) 。常用的半導體(ti) 材料矽(Si)和鍺(Ge)均為(wei) 四價(jia) 元素，它們(men) 的最外層電子既不像導體(ti) 那麽(me) 容易掙脫原子核的束縛，也不像絕緣體(ti) 那樣被原子核束縛的那麽(me) 緊，因而其導電性介於(yu) 二者之間。

    將純淨的半導體(ti) 經過一定的工藝過程製成單晶體(ti) ， 即為(wei) 本征半導體(ti) 。晶體(ti) 中的原子在空間形成排列整齊的點陣，相鄰的原子 形成共價(jia) 鍵。

     

 

    晶體(ti) 中的共價(jia) 鍵具有極強的結合力，因此，在常溫下，僅(jin) 有極少數的價(jia) 電子由於(yu) 熱運動(熱激發)獲得足夠的能量，從(cong) 而掙脫共價(jia) 鍵的束縛變成為(wei) 自由電子。與(yu) 此同時，在共價(jia) 鍵中留下一個(ge) 空穴。原子因失掉一個(ge) 價(jia) 電子而帶正電，或者說空穴帶正電。在本征半導體(ti) 中，自由電子與(yu) 空穴是成對出現的，即自由電子與(yu) 空穴數目相等。     

 

    自由電子在運動的過程中如果與(yu) 空穴相遇就會(hui) 填補空穴，使兩(liang) 者同時消失，這種現象稱為(wei) 複合。在一定的溫度下，本征激發所產(chan) 生的自由電子與(yu) 空穴對，與(yu) 複合的自由電子和空穴對數目相等，故達到動態平衡。

    能帶理論：

    1、單個(ge) 原子中的電子在繞核運動時，在各個(ge) 軌道上的電子都各自具有特定的能量;

    2、越靠近核的軌道，電子能量越低;

    3、根據能量最小原理電子總是優(you) 先占有最低能級;

    4、價(jia) 電子所占據的能帶稱為(wei) 價(jia) 帶;

    5、價(jia) 帶的上麵有一個(ge) 禁帶，禁帶中不存在為(wei) 電子所占據的能級;

    6、禁帶之上則為(wei) 導帶，導帶中的能級就是價(jia) 電子掙脫共價(jia) 鍵束縛而成為(wei) 自由電子所能占據的能級;

    7、禁帶寬度用Eg表示，其值與(yu) 半導體(ti) 的材料及其所處的溫度等因素有關(guan) 。T=300K時，矽的Eg=1.1eV;鍺的Eg=0.72eV。     

 

2、雜質半導體(ti)

雜質半導體(ti) ：通過擴散工藝，在本征半導體(ti) 中摻入少量雜質元素，便可得到雜質半導體(ti) 。


按摻入的雜質元素不用，可形成N型半導體(ti) 和P型半導體(ti) ；控製摻入雜質元素的濃度，就可控製雜質半導體(ti) 的導電性能。


N型半導體(ti) ： 在純淨的矽晶體(ti) 中摻入五價(jia) 元素（如磷），使之取代晶格中矽原子的位置，就形成了N型半導體(ti) 。

 
由於(yu) 雜質原子的最外層有五個(ge) 價(jia) 電子，所以除了與(yu) 其周圍矽原子形成共價(jia) 鍵外，還多出一個(ge) 電子。多出的電子不受共價(jia) 鍵的束縛，成為(wei) 自由電子。N型半導體(ti) 中，自由電子的濃度大於(yu) 空穴的濃度，故稱自由電子為(wei) 多數載流子，空穴為(wei) 少數載流子。由於(yu) 雜質原子可以提供電子，故稱之為(wei) 施主原子。
P型半導體(ti) ：在純淨的矽晶體(ti) 中摻入三價(jia) 元素（如硼），使之取代晶格中矽原子的位置，就形成了P型半導體(ti) 。

 
由於(yu) 雜質原子的最外層有三個(ge) 價(jia) 電子，所以當它們(men) 與(yu) 其周圍矽原子形成共價(jia) 鍵時，就產(chan) 生了一個(ge) “空位”，當矽原子的最外層電子填補此空位時，其共價(jia) 鍵中便產(chan) 生一個(ge) 空穴。因而P型半導體(ti) 中，空穴為(wei) 多子，自由電子為(wei) 少子。因雜質原子中的空位吸收電子，故稱之為(wei) 受主原子。
 

3、PN結


PN結：采用不同的摻雜工藝，將P型半導體(ti) 與(yu) N型半導體(ti) 製作在同一塊矽片上，在它們(men) 的交界麵就形成PN結。

 
擴散運動：物質總是從(cong) 濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由於(yu) 濃度差而產(chan) 生的運動稱為(wei) 擴散運動。
當把P型半導體(ti) 和N型半導體(ti) 製作在一起時，在它們(men) 的交界麵，兩(liang) 種載流子的濃度差很大，因而P區的空穴必然向N區擴散，與(yu) 此同時，N區的自由電子也必然向P區擴散，如圖示。


由於(yu) 擴散到P區的自由電子與(yu) 空穴複合，而擴散到N區的空穴與(yu) 自由電子複合，所以在交界麵附近多子的濃度下降，P區出現負離子區，N區出現正離子區，它們(men) 是不能移動的，稱為(wei) 空間電荷區，從(cong) 而形成內(nei) 建電場ε。
隨著擴散運動的進行，空間電荷區加寬，內(nei) 建電場增強，其方向由N區指向P區，正好阻止擴散運動的進行。
漂移運動：在電場力作用下，載流子的運動稱為(wei) 漂移運動。


當空間電荷區形成後，在內(nei) 建電場作用下，少子產(chan) 生飄移運動，空穴從(cong) N區向P區運動，而自由電子從(cong) P區向N區運動。 在無外電場和其它激發作用下，參與(yu) 擴散運動的多子數目等於(yu) 參與(yu) 漂移運動的少子數目，從(cong) 而達到動態平衡，形成PN結，如圖示。 此時，空間電荷區具有一定的寬度，電位差為(wei) ε =Uho，電流為(wei) 零。

 

二、太陽能電池工作原理


1、光生伏打效應:


太陽能電池能量轉換的基礎是半導體(ti) PN結的光生伏打效應。如前所述，當光照射到半導體(ti) 光伏器件上時，能量大於(yu) 矽禁帶寬度的光子穿過減反射膜進入矽中，在N區、耗盡區和P區中激發出光生電子--空穴對。
耗盡區：光生電子--空穴對在耗盡區中產(chan) 生後，立即被內(nei) 建電場分離，光生電子被送進N區，光生空穴則被推進P區。根據耗盡近似條件，耗盡區邊界處的載流子濃度近似為(wei) 0，即p=n=0。

 
在N區中：光生電子--空穴對產(chan) 生以後，光生空穴便向P-N結邊界擴散，一旦到達P-N結邊界，便立即受到內(nei) 建電場作用，被電場力牽引作漂移運動，越過耗盡區進入P區，光生電子（多子）則被留在N區。
在P區中：的光生電子（少子）同樣的先因為(wei) 擴散、後因為(wei) 漂移而進入N區，光生空穴（多子）留在P區。如此便在P-N結兩(liang) 側(ce) 形成了正、負電荷的積累，使N區儲(chu) 存了過剩的電子，P區有過剩的空穴。從(cong) 而形成與(yu) 內(nei) 建電場方向相反的光生電場。

 
1.光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使P區帶正電，N區帶負電，在N區和P區之間的薄層就產(chan) 生電動勢，這就是光生伏打效應。當電池接上一負載後，光電流就從(cong) P區經負載流至N區，負載中即得到功率輸出。


2.如果將P-N結兩(liang) 端開路，可以測得這個(ge) 電動勢，稱之為(wei) 開路電壓Uoc。對晶體(ti) 矽電池來說，開路電壓的典型值為(wei) 0.5～0.6V。


3.如果將外電路短路，則外電路中就有與(yu) 入射光能量成正比的光電流流過，這個(ge) 電流稱為(wei) 短路電流Isc。
影響光電流的因素：


1.通過光照在界麵層產(chan) 生的電子-空穴對愈多，電流愈大。
2.界麵層吸收的光能愈多，界麵層即電池麵積愈大，在太陽電池中形成的電流也愈大。
3.太陽能電池的N區、耗盡區和P區均能產(chan) 生光生載流子；
4.各區中的光生載流子必須在複合之前越過耗盡區，才能對光電流有貢獻，所以求解實際的光生電流必須考慮到各區中的產(chan) 生和複合、擴散和漂移等各種因素。


太陽能電池等效電路、輸出功率和填充因數


⑴ 等效電路

為(wei) 了描述電池的工作狀態，往往將電池及負載係統用一個(ge) 等效電路來模擬。

 

1.恒流源: 在恒定光照下，一個(ge) 處於(yu) 工作狀態的太陽電池，其光電流不隨工作狀態而變化，在等效電路中可把它看做是恒流源。
2.暗電流Ibk : 光電流一部分流經負載RL，在負載兩(liang) 端建立起端電壓U，反過來，它又正向偏置於(yu) PN結，引起一股與(yu) 光電流方向相反的暗電流Ibk。
3.這樣，一個(ge) 理想的PN同質結太陽能電池的等效電路就被繪製成如圖所示。
4.串聯電阻RS:由於(yu) 前麵和背麵的電極接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，基區和頂層都不可避免地要引入附加電阻。流經負載的電流經過它們(men) 時，必然引起損耗。在等效電路中，可將它們(men) 的總效果用一個(ge) 串聯電阻RS來表示。
5.並聯電阻RSh:由於(yu) 電池邊沿的漏電和製作金屬化電極時在微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本應通過負載的電流短路，這種作用的大小可用一個(ge) 並聯電阻RSh來等效。
當流進負載RL的電流為(wei) I，負載RL的端電壓為(wei) U時，可得：

 

式中的P就是太陽能電池被照射時在負載RL上得到的輸出功率。

⑵ 輸出功率
當流進負載RL的電流為(wei) I，負載RL的端電壓為(wei) U時，可得：

式中的P就是太陽能電池被照射時在負載RL上得到的輸出功率。
當負載RL從(cong) 0變到無窮大時，輸出電壓U則從(cong) 0變到U0C，同時輸出電流便從(cong) ISC變到0，由此即可畫出太陽能電池的負載特性曲線。曲線上的任一點都稱為(wei) 工作點，工作點和原點的連線稱為(wei) 負載線，負載線的斜率的倒數即等於(yu) RL，與(yu) 工作點對應的橫、縱坐標即為(wei) 工作電壓和工作電流。

 
調節負載電阻RL到某一值Rm時，在曲線上得到一點M，對應的工作電流Im和工作電壓Um之積最大，即： Pm=ImUm
一般稱M點為(wei) 該太陽能電池的最佳工作點（或稱最大功率點），Im為(wei) 最佳工作電流，Um為(wei) 最佳工作電壓，Rm為(wei) 最佳負載電阻，Pm為(wei) 最大輸出功率。

⑶ 填充因數
1.最大輸出功率與(yu) （Uoc×Isc）之比稱為(wei) 填充因數（FF），這是用以衡量太陽能電池輸出特性好壞的重要指標之一。

 

2.填充因數表征太陽能電池的優(you) 劣，在一定光譜輻照度下，FF愈大，曲線愈“方”，輸出功率也愈高。
 

4、太陽能電池的效率、影響效率的因素
⑴ 太陽能電池的效率:
太陽能電池受照射時，輸出電功率與(yu) 入射光功率之比η稱為(wei) 太陽能電池的效率，也稱光電轉換效率。一般指外電路連接最佳負載電阻RL時的最大能量轉換效率。

 

在上式中，如果把At換為(wei) 有效麵積Aa（也稱活性麵積），即從(cong) 總麵積中扣除柵線圖形麵積，從(cong) 而算出的效率要高一些，這一點在閱讀國內(nei) 外文獻時應注意。


美國的普林斯最早算出矽太陽能電池的理論效率為(wei) 21.7%。20世紀70年代，華爾夫（M.Wolf）又做過詳盡的討論，也得到矽太陽能電池的理論效率在AM0光譜條件下為(wei) 20%~22%，以後又把它修改為(wei) 25%（AM1.0光譜條件）。


估計太陽能電池的理論效率，必須把從(cong) 入射光能到輸出電能之間所有可能發生的損耗都計算在內(nei) 。其中有些是與(yu) 材料及工藝有關(guan) 的損耗，而另一些則是由基本物理原理所決(jue) 定的。


⑵ 影響效率的因素


綜上所述，提高太陽能電池效率，必須提高開路電壓Uoc、短路電流ISC和填充因子FF這三個(ge) 基本參量。而這3個(ge) 參量之間往往是互相牽製的，如果單方麵提高其中一個(ge) ，可能會(hui) 因此而降低另一個(ge) ，以至於(yu) 總效率不僅(jin) 沒提高反而有所下降。因而在選擇材料、設計工藝時必須全盤考慮，力求使3個(ge) 參量的乘積最大。


1.材料能帶寬度:


開路電壓UOC隨能帶寬度Eg的增大而增大，但另一方麵，短路電流密度隨能帶寬度Eg的增大而減小。結果可期望在某一個(ge) 確定的Eg處出現太陽電池效率的峰值。用Eg值介於(yu) 1.2～1.6eV的材料做成太陽電池，可望達到最高效率。薄膜電池用直接帶隙半導體(ti) 更為(wei) 可取，因為(wei) 它能在表麵附近吸收光子。


2.溫度 :


少子的擴散長度隨溫度的升高稍有增大，因此光生電流也隨溫度的升高有所增加，但UOC隨溫度的升高急劇下降。填充因子下降，所以轉換效率隨溫度的增加而降低。

 
3.輻照度:


隨輻照度的增加短路電流線性增加，最大功率不斷增加。將陽光聚焦於(yu) 太陽電池，可使一個(ge) 小小的太陽電池產(chan) 生出大量的電能。

 

 

4.摻雜濃度:


對UOC有明顯影響的另一因素是半導體(ti) 摻雜濃度。摻雜濃度越高，UOC越高。但當矽中雜質濃度高於(yu) 1018/cm3時稱為(wei) 高摻雜，由於(yu) 高摻雜而引起的禁帶收縮、雜質不能全部電離和少子壽命下降等等現象統稱為(wei) 高摻雜效應，也應予以避免。

 
5.光生載流子複合壽命:


對於(yu) 太陽電池的半導體(ti) 而言，光生載流子的複合壽命越長，短路電流會(hui) 越大。達到長壽命的關(guan) 鍵是在材料製備和電池的生產(chan) 過程中，要避免形成複合中心。在加工過程中，適當而且經常進行相關(guan) 工藝處理，可以使複合中心移走，而且延長壽命。


6.表麵複合速率:


低的表麵複合速率有助於(yu) 提高Isc，前表麵的複合速率測量起來很困難，經常假設為(wei) 無窮大。一種稱為(wei) 背電場（BSF）的電池設計為(wei) ，在沉積金屬接觸前，電池的背麵先擴散一層P+附加層。


7.串聯電阻和金屬柵線:


串聯電阻來源於(yu) 引線、金屬接觸柵或電池體(ti) 電阻，而金屬柵線不能透過陽光，為(wei) 了使Isc最大，金屬柵線占有的麵積應最小。一般使金屬柵線做成又密又細的形狀，可以減少串聯電阻，同時增大電池透光麵積。


8.采用絨麵電池設計和選擇優(you) 質減反射膜:


依靠表麵金字塔形的方錐結構，對光進行多次反射，不僅(jin) 減少了反射損失，而且改變了光在矽中的前進方向並延長了光程，增加了光生載流子產(chan) 量；曲折的絨麵又增加了PN結的麵積，從(cong) 而增加對光生載流子的收集率，使短路電流增加5%～10%，並改善電池的紅光響應。


9.陰影對太陽電池的影響:


太陽電池會(hui) 由於(yu) 陰影遮擋等造成不均勻照射，輸出功率大大下降。

 
目前,太陽能電池的應用已從(cong) 軍(jun) 事領域、航天領域進入工業(ye) 、商業(ye) 、農(nong) 業(ye) 、 通信、家用電器以及公用設施等部門，尤其可以分散地在邊遠地區、高山、沙漠、海島和農(nong) 村使用，以節省造價(jia) 很貴的輸電線路。但是在目前階段，它的成本還很高，發出1kW電需要投資上萬(wan) 美元，因此大規模使用仍然受到經濟上的限製。

　　
但是，從(cong) 長遠來看，隨著太陽能電池製造技術的改進以及新的光—電轉換裝置的發明，各國對環境的保護和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍將是利用太陽輻射能比較切實可行的方法，可為(wei) 人類未來大規模地利用太陽能開辟廣闊的前景。