隨著全球能源日趨緊張，太陽能成為新型能源得到了大力的開發(fā)，其中我們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(dǎo)體材料為主，利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電轉(zhuǎn)換，使它產(chǎn)生電流，那么太陽能電池的工作原理是怎么樣的呢?太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。當太陽光照射到半導(dǎo)體上時，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過。被吸收的光，當然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子價電子碰撞，于是產(chǎn)生電子—空穴對。這樣，光能就以產(chǎn)生電子—空穴對的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/P>

 

    一、太陽能電池的物理基礎(chǔ)

    當太陽光照射p-n結(jié)時，在半導(dǎo)體內(nèi)的電子由于獲得了光能而釋放電子，相應(yīng)地便產(chǎn)生了電　子——空穴對，并在勢壘電場的作用下，電子被驅(qū)向型區(qū)，空穴被驅(qū)向P型區(qū)，從而使凡區(qū)有過剩的　電子，P區(qū)有過剩的空穴。于是，就在p-n結(jié)的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。

    如果半導(dǎo)體內(nèi)存在P—N結(jié)，則在P型和N型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅(qū)向N區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)，從而使得N區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，在P—N結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反光的生電場。

 

    制造太陽電池的半導(dǎo)體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(shù)最成熟，并具有商業(yè)價值的太陽電池要算硅太陽電池。下面我們以硅太陽能電池為例，詳細介紹太陽能電池的工作原理。

    1、本征半導(dǎo)體

    物質(zhì)的導(dǎo)電性能決定于原子結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體一般為低價元素，它們的最外層電子極易掙脫原子核的束縛成為自由電子，在外電場的作用下產(chǎn)生定向移動，形成電流。高價元素(如惰性氣體)或高分子物質(zhì)(如橡膠)，它們的最外層電子受原子核束縛力很強，很難成為自由電子，所以導(dǎo)電性極差，成為絕緣體。常用的半導(dǎo)體材料硅(Si)和鍺(Ge)均為四價元素，它們的最外層電子既不像導(dǎo)體那么容易掙脫原子核的束縛，也不像絕緣體那樣被原子核束縛的那么緊，因而其導(dǎo)電性介于二者之間。

    將純凈的半導(dǎo)體經(jīng)過一定的工藝過程制成單晶體， 即為本征半導(dǎo)體。晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣，相鄰的原子 形成共價鍵。

    晶體中的共價鍵具有極強的結(jié)合力，因此，在常溫下，僅有極少數(shù)的價電子由于熱運動(熱激發(fā))獲得足夠的能量，從而掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子。與此同時，在共價鍵中留下一個空穴。原子因失掉一個價電子而帶正電，或者說空穴帶正電。在本征半導(dǎo)體中，自由電子與空穴是成對出現(xiàn)的，即自由電子與空穴數(shù)目相等。     

 

    自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補空穴，使兩者同時消失，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。在一定的溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與空穴對，與復(fù)合的自由電子和空穴對數(shù)目相等，故達到動態(tài)平衡。

    能帶理論：

    1、單個原子中的電子在繞核運動時，在各個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(jù)能量最小原理電子總是優(yōu)先占有最低能級;

    4、價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶;

    5、價帶的上面有一個禁帶，禁帶中不存在為電子所占據(jù)的能級;

    6、禁帶之上則為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶中的能級就是價電子掙脫共價鍵束縛而成為自由電子所能占據(jù)的能級;

    7、禁帶寬度用Eg表示，其值與半導(dǎo)體的材料及其所處的溫度等因素有關(guān)。T=300K時，硅的Eg=1.1eV;鍺的Eg=0.72eV。     

 

2、雜質(zhì)半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體：通過擴散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量雜質(zhì)元素，便可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。


按摻入的雜質(zhì)元素不用，可形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體；控制摻入雜質(zhì)元素的濃度，就可控制雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。


N型半導(dǎo)體： 在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體。

 
由于雜質(zhì)原子的最外層有五個價電子，所以除了與其周圍硅原子形成共價鍵外，還多出一個電子。多出的電子不受共價鍵的束縛，成為自由電子。N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，故稱自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。由于雜質(zhì)原子可以提供電子，故稱之為施主原子。
P型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導(dǎo)體。

 
由于雜質(zhì)原子的最外層有三個價電子，所以當它們與其周圍硅原子形成共價鍵時，就產(chǎn)生了一個“空位”，當硅原子的最外層電子填補此空位時，其共價鍵中便產(chǎn)生一個空穴。因而P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子。因雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，故稱之為受主原子。
 

3、PN結(jié)


PN結(jié)：采用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結(jié)。

 
擴散運動：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。
當把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在一起時，在它們的交界面，兩種載流子的濃度差很大，因而P區(qū)的空穴必然向N區(qū)擴散，與此同時，N區(qū)的自由電子也必然向P區(qū)擴散，如圖示。


由于擴散到P區(qū)的自由電子與空穴復(fù)合，而擴散到N區(qū)的空穴與自由電子復(fù)合，所以在交界面附近多子的濃度下降，P區(qū)出現(xiàn)負離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們是不能移動的，稱為空間電荷區(qū)，從而形成內(nèi)建電場ε。
隨著擴散運動的進行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)建電場增強，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，正好阻止擴散運動的進行。
漂移運動：在電場力作用下，載流子的運動稱為漂移運動。


當空間電荷區(qū)形成后，在內(nèi)建電場作用下，少子產(chǎn)生飄移運動，空穴從N區(qū)向P區(qū)運動，而自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動。 在無外電場和其它激發(fā)作用下，參與擴散運動的多子數(shù)目等于參與漂移運動的少子數(shù)目，從而達到動態(tài)平衡，形成PN結(jié)，如圖示。 此時，空間電荷區(qū)具有一定的寬度，電位差為ε =Uho，電流為零。

二、太陽能電池工作原理


1、光生伏打效應(yīng):


太陽能電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。如前所述，當光照射到半導(dǎo)體光伏器件上時，能量大于硅禁帶寬度的光子穿過減反射膜進入硅中，在N區(qū)、耗盡區(qū)和P區(qū)中激發(fā)出光生電子--空穴對。
耗盡區(qū)：光生電子--空穴對在耗盡區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場分離，光生電子被送進N區(qū)，光生空穴則被推進P區(qū)。根據(jù)耗盡近似條件，耗盡區(qū)邊界處的載流子濃度近似為0，即p=n=0。

 
在N區(qū)中：光生電子--空穴對產(chǎn)生以后，光生空穴便向P-N結(jié)邊界擴散，一旦到達P-N結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場作用，被電場力牽引作漂移運動，越過耗盡區(qū)進入P區(qū)，光生電子（多子）則被留在N區(qū)。
在P區(qū)中：的光生電子（少子）同樣的先因為擴散、后因為漂移而進入N區(qū)，光生空穴（多子）留在P區(qū)。如此便在P-N結(jié)兩側(cè)形成了正、負電荷的積累，使N區(qū)儲存了過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴。從而形成與內(nèi)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(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢，這就是光生伏打效應(yīng)。當電池接上一負載后，光電流就從P區(qū)經(jīng)負載流至N區(qū)，負載中即得到功率輸出。


2.如果將P-N結(jié)兩端開路，可以測得這個電動勢，稱之為開路電壓Uoc。對晶體硅電池來說，開路電壓的典型值為0.5～0.6V。


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


1.通過光照在界面層產(chǎn)生的電子-空穴對愈多，電流愈大。
2.界面層吸收的光能愈多，界面層即電池面積愈大，在太陽電池中形成的電流也愈大。
3.太陽能電池的N區(qū)、耗盡區(qū)和P區(qū)均能產(chǎn)生光生載流子；
4.各區(qū)中的光生載流子必須在復(fù)合之前越過耗盡區(qū)，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(qū)中的產(chǎn)生和復(fù)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(shù)


⑴ 等效電路

為了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負載系統(tǒng)用一個等效電路來模擬。

1.恒流源: 在恒定光照下，一個處于工作狀態(tài)的太陽電池，其光電流不隨工作狀態(tài)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(jīng)負載RL，在負載兩端建立起端電壓U，反過來，它又正向偏置于PN結(jié)，引起一股與光電流方向相反的暗電流Ibk。
3.這樣，一個理想的PN同質(zhì)結(jié)太陽能電池的等效電路就被繪制成如圖所示。
4.串聯(lián)電阻RS:由于前面和背面的電極接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免地要引入附加電阻。流經(jīng)負載的電流經(jīng)過它們時，必然引起損耗。在等效電路中，可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻RS來表示。
5.并聯(lián)電阻RSh:由于電池邊沿的漏電和制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(yīng)通過負載的電流短路，這種作用的大小可用一個并聯(lián)電阻RSh來等效。
當流進負載RL的電流為I，負載RL的端電壓為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I，負載RL的端電壓為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0變到無窮大時，輸出電壓U則從0變到U0C，同時輸出電流便從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工作點，工作點和原點的連線稱為負載線，負載線的斜率的倒數(shù)即等于RL，與工作點對應(yīng)的橫、縱坐標即為工作電壓和工作電流。

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

⑶ 填充因數(shù)
1.最大輸出功率與（Uoc×Isc）之比稱為填充因數(shù)（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(shù)表征太陽能電池的優(yōu)劣，在一定光譜輻照度下，F(xiàn)F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，輸出電功率與入射光功率之比η稱為太陽能電池的效率，也稱光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率。

在上式中，如果把At換為有效面積Aa（也稱活性面積），即從總面積中扣除柵線圖形面積，從而算出的效率要高一些，這一點在閱讀國內(nèi)外文獻時應(yīng)注意。


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


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


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這三個基本參量。而這3個參量之間往往是互相牽制的，如果單方面提高其中一個，可能會因此而降低另一個，以至于總效率不僅沒提高反而有所下降。因而在選擇材料、設(shè)計工藝時必須全盤考慮，力求使3個參量的乘積最大。


1.材料能帶寬度:


開路電壓UOC隨能帶寬度Eg的增大而增大，但另一方面，短路電流密度隨能帶寬度Eg的增大而減小。結(jié)果可期望在某一個確定的Eg處出現(xiàn)太陽電池效率的峰值。用Eg值介于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(dǎo)體更為可取，因為它能在表面附近吸收光子。


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(zhuǎn)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。將陽光聚焦于太陽電池，可使一個小小的太陽電池產(chǎn)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(dǎo)體摻雜濃度。摻雜濃度越高，UOC越高。但當硅中雜質(zhì)濃度高于1018/cm3時稱為高摻雜，由于高摻雜而引起的禁帶收縮、雜質(zhì)不能全部電離和少子壽命下降等等現(xiàn)象統(tǒng)稱為高摻雜效應(yīng)，也應(yīng)予以避免。

 
5.光生載流子復(fù)合壽命:


對于太陽電池的半導(dǎo)體而言，光生載流子的復(fù)合壽命越長，短路電流會越大。達到長壽命的關(guān)鍵是在材料制備和電池的生產(chǎn)過程中，要避免形成復(fù)合中心。在加工過程中，適當而且經(jīng)常進行相關(guān)工藝處理，可以使復(fù)合中心移走，而且延長壽命。


6.表面復(fù)合速率:


低的表面復(fù)合速率有助于提高Isc，前表面的復(fù)合速率測量起來很困難，經(jīng)常假設(shè)為無窮大。一種稱為背電場（BSF）的電池設(shè)計為，在沉積金屬接觸前，電池的背面先擴散一層P+附加層。


7.串聯(lián)電阻和金屬柵線:


串聯(lián)電阻來源于引線、金屬接觸柵或電池體電阻，而金屬柵線不能透過陽光，為了使Isc最大，金屬柵線占有的面積應(yīng)最小。一般使金屬柵線做成又密又細的形狀，可以減少串聯(lián)電阻，同時增大電池透光面積。


8.采用絨面電池設(shè)計和選擇優(yōu)質(zhì)減反射膜:


依靠表面金字塔形的方錐結(jié)構(gòu)，對光進行多次反射，不僅減少了反射損失，而且改變了光在硅中的前進方向并延長了光程，增加了光生載流子產(chǎn)量；曲折的絨面又增加了PN結(jié)的面積，從而增加對光生載流子的收集率，使短路電流增加5%～10%，并改善電池的紅光響應(yīng)。


9.陰影對太陽電池的影響:


太陽電池會由于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(yīng)用已從軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進入工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、 通信、家用電器以及公用設(shè)施等部門，尤其可以分散地在邊遠地區(qū)、高山、沙漠、海島和農(nóng)村使用，以節(jié)省造價很貴的輸電線路。但是在目前階段，它的成本還很高，發(fā)出1kW電需要投資上萬美元，因此大規(guī)模使用仍然受到經(jīng)濟上的限制。

　　
但是，從長遠來看，隨著太陽能電池制造技術(shù)的改進以及新的光—電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明，各國對環(huán)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，可為人類未來大規(guī)模地利用太陽能開辟廣闊的前景。