太阳能电池基本原理光生伏特原理N结内建电场等效电路
2015半导体物理实验七-太阳能电池解读
太阳能电池电参数测量实验指导一、实验目的1、了解太阳能电池的基本结构和工作原理；2、掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与方法；3、通过分析太阳能电池基本特性参数测试数据，进一步熟悉实验数据分析与处理的方法，理解实验数据与理论结果间不完全一致的原因；二、实验原理1、光生伏特效应常见的太阳能电池从结构上说是一种浅结深、大面积的pn结，如图1所示，它的工作原理的核心是光生伏特效应。
光生伏特效应是半导体材料的一种通性。
当光照射到一块非均匀半导体上时，由于内建电场的作用，在半导体材料内部会产生电动势。
如果构成适当的回路就会产生电流。
这种电流叫做光生电流，这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。
非均匀半导体就是指材料内部杂质分布不均匀的半导体。
pn结是典型的一个例子。
N型半导体材料和p型半导体材料接触形成pn结。
pn结根据制备方法、杂质在体内分布特征等有不同的分类。
制备方法有合金法、扩散法、生长法、离子注入法等等。
杂质分布可能是线性分布的，也可能是存在突变的，pn结的杂质分布特征通常是与制备方法相联系的。
不同的制备方法导致不同的杂质分布特征。
根据半导体物理学的基本原理我们知道，处于热平衡态的一个pn结结构由p区、n 区和两者交界区域构成。
为了维持统一的费米能级，p区内空穴向n区扩散，n区内空穴向p区扩散。
这种载流子的运动导致原来的电中性条件被破坏，p区积累了带有负电的不可动电离受主，n区积累了不可能电离施主。
载流子扩散运动的结果导致p区负电，n区带正电，在界面附近区域形成由n区指向p区的内建电场和相应的空间电荷区。
显图1 Si pn结太阳能电池结构示意图然，两者费米能级的不统一是导致电子空穴扩散的原因，电子空穴扩散又导致出现空间电荷区和内建电场。
而内建电场的强度取决于空间电荷区的电场强度，内建电场具有阻止扩散运动进一步发生的作用。
当两者具有统一费米能级后扩散运动和内建电场的作用相等，p 区和n 区两端产生一个高度为qV D 的势垒。
太阳能电池基本工作原理
太阳能电池基本工作原理
太阳能电池，又称太阳能光电池或光伏电池，是利用光电效应将太阳光转化为电能的装置。
其基本工作原理如下：
1. 光电效应：光电效应是指当光照射到物质表面时，光子能量被吸收，电子从物质中跃迁到导体能带中，产生电流的现象。
2. 半导体材料：太阳能电池一般采用半导体材料，如硅（Si）
或化合物半导体（如硒化铟镓，硒化铜铟锌等）。
半导体材料具有特殊的能带结构，当光照射到半导体上时，光子能量被吸收，激发半导体中的电子跃迁到导带中，产生电流。
3. P-N结构：太阳能电池一般采用P-N结构，即具有正（P型）和负（N型）电荷载体的区域。
在P-N结构中，阳极（P型）
富余电子，阴极（N型）富余空穴，形成电场。
光照射后，电子从P区跃迁到N区，被电场分离并产生电流。
4. 背电场：太阳能电池还有一个重要的设计是背电场结构。
在背电场结构中，阳极和阴极之间的电场将电子从阳极推向阴极，避免电子再次回到阳极，提高电池的效率。
5. 转化效率：太阳能电池的转化效率指光能转化为电能的比例。
转化效率受到多种因素的影响，如光照强度、光谱分布、温度等。
不同类型的太阳能电池具有不同的转化效率。
通过以上基本工作原理，太阳能电池将太阳能转化为直流电能，可以应用在太阳能发电系统、太阳能充电器等领域。
太阳能电池基本原理 光生伏特原理 N结 内建电场 等效电路
太阳能电池基本原理基本原理——光生伏特效应太阳能光伏发电是利用太阳电池的光伏效应原理，直接把太阳辐射能转变为电能的发电方式。
典型太阳电池是一个 p-n 结半导体二极管。
光子把电子从价带（束缚）激发到导带（自由），并在价带内留下一个空穴（自由）——产生了自由电子-空穴对（光生载流子），p型材料中的电子与n型材料中的空穴将在与少子寿命相当的时间内，以相对稳定的状态存在，直到复合。
当载流子复合后，光生电子空穴对将消失，没有电流和功率产生。
光生电子-空穴对在耗尽层中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被送进n区，光生空穴则被送进p区。
光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能。
内建电场当把N型和P型材料放在一起的时候，在N型材料中，费米能级靠近导带底，在P型材料中，费米能级靠近价带顶，当P型材料和N型材料连接在一起时，费米能级在热平衡时必定恒等，由于在P型材料中有多得多的空穴，它们将向N型一边扩散。
与此同时，在N型一边的电子将沿着相反的方向向P型区扩散。
由于电子和空穴的扩散，在p-n结区产生了耗尽层，即空间电荷区电场，又称为内建电场。
（1）光子吸收：在大部分有机太阳能电池中，因为材料的带隙过高，只有一小部分入射光被吸收，吸收只能达到30%左右。
（2）激子扩散：激子的扩散长度应该至少等于薄膜的厚度，否则激子就会发生复合，造成吸收光子的浪费。
（3）电荷分离：对于单层器件，激子在电极与有机半导体界面处离化，对于双层器件，激子在施主－受主界面形成的p-n结处离化。
（4）电荷传输：在有机材料中，电荷的传输是定域态间的跳跃，而不是能带内的传输，这意味着有机材料和聚合物材料中载流子的迁移率通常都比无机半导体材料的低。
（5）电荷收集：电荷的收集效率也是影响光伏器件功率转换效率的关键因素，金属与半导体接触时会产生一个阻挡层，阻碍电荷顺利地到达金属电极。
等效电路模型太阳能电池等效电路无光照时类似二极管特性，外加电压时单向电流ID称为暗电流；有光照时产生光生电流IL ；Rs、Rsh分别为太阳电池中的串、并联电阻RL为负载。
光生伏特效应及原理
培训人：
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光生伏特效应
光生伏特效应：当阳光照射到PN结上，产生电子——空穴对，在半导体内部结附生成载流子没有被复合而达到空间电 荷区，受内建电场的吸引（不加外电场），电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区存储了过剩的电子，P区有过剩的 空穴。它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了抵消势垒电场作用外，还使P区带正电，N区带 负电，在N区和P区之前就的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。
栅指形状（减少接触电阻，尽量少挡住阳光）
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此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能成正比的电流流过，这个电流称作短路电流。另一方面，若 将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区费米能级比P区费米能级高，在这两个费米能级之间 就产生了电位差Voc，可以测得这个值，值称为开路电压。
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光生伏特效应
P-N的结光生伏特效应：
n区运动，使p端电势升高，n端电势降低； 所以，光生电场由p端指向n端，使势垒降低，产生正向电流IF； 由于空穴向p区运动，所以在p-n结内部形成自n区向p区的光
生电流IL
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
1.P-N结电流方程
qV
I IL IF IL IS (e kT 1)
I：负载电流；
IL：光生电流； Is：P-N结反向饱和电流； V：P-N结两端电压；
光电池：利用半导体的光生伏特效应，而将光能转换成电能的装置。即将p-n结与外电路接通，只要光照不停止， 就会有源源不断的电流流过电路，p-n结起到了电源的作用。这类装置叫光电池。
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光生伏特效应
太阳电池工作原理简介
太阳电池工作原理简介PN结光生伏特效应的原理{光的吸收{空穴、电子对的产生{载流子的分离{产生光生电动势当一束光照射到半导体表面上，被半导体材料吸收的光会激发材料内的电子从价带跃迁到导带，从而产生电子空穴对；若电子空穴对产生于PN结内部，电子空穴对立刻就会被很强的PN结内建电场分离，空穴向P区运动，电子向N区运动，并被扫出势垒区；对于光在PN结势垒区外激发产生的电子空穴对，只要它们热运动到势垒区边缘，N区势垒边缘处的空穴会被立刻扫入势垒并渡越势垒进入P区，而P区势垒边缘处的电子则会被立刻扫入势垒并渡越势垒进入N区；这样会建立起从基区到势垒区以及发射区到势垒区的少数载流子的浓度梯度，使得光照在基区和发射区产生的非平衡少数载流子通过扩散运动源源不断地到达势垒区边缘，并被PN结内建电场扫入对方形成多数载流子；由此可知，光照产生的空穴会在P区积累，使P区的电势升高；光照产生的电子会在N区积累，使N区的电势降低；从而在PN结两端建立起光生电动势（与PN结内建电场的方向相反，并使PN结正向偏置）。
如果将PN结两端与包含负载的外电路相连，光生电动势就会在回路中产生电流，从而对负载做功，这就是太阳电池的基本工作原理——光生伏特效应。
太阳电池的等效电路图I L 代表光生电流，一个处于恒定光照下的太阳电池，其光电流不随负载变化，可以看成是一个恒流源；由于光生电动势使PN结正向偏置，因此存在一个流经二极管的漏电流，该电流是非线性的，并与光生电流的方向相反，会抵消部分光生电流，被称为暗电流ID ；由于存在电池边缘漏电或PN结结区漏电，用Rsh 代表太阳电池的并联电阻；Rs是太阳电池的串联电阻，它主要由金属电极与半导体材料的接触电阻造成。
太阳电池的工作特性方程二极管反向饱和电流的物理意义二极管反向饱和电流的表达式P max1/Rm•短路电流I•最佳工作点：当负载阻值从0→∞变化时，总存在一个负载值R m ，它可从太阳电池获得最大的输出功率P m 。
太阳能电池基本原理
太阳能电池基本原理太阳能电池是将太阳能转化为电能的一种设备。
其基本原理是通过光电效应，将太阳光直接转化为电能。
下面将从几个步骤来阐述太阳能电池的基本原理。
一、光电效应光电效应是将光子能量转化为电子能量的过程。
当光子能量达到一定程度时，可以将电子从金属表面上释放出来，这个现象被称为“光电效应”。
光电效应是太阳能电池能够工作的基础。
二、半导体太阳能电池的主要材料是半导体。
半导体是介于导体和绝缘体之间的一类材料。
在太阳能电池中，半导体被掺杂成p型和n型材料。
p型半导体的材料中含有掺杂元素的空穴，n型半导体的材料中含有掺杂元素的自由电子，这种不同类型的半导体材料通过接触形成p-n结。
三、太阳能电池的原理当太阳光照射到太阳能电池上时，光子将经由计算机的帮助，穿过外表面玻璃接触到p-n结的p区。
此时，p型半导体材料中的空穴会将能量吸收，然后n型半导体中的自由电子会被激活，从而产生电流。
这样的过程就是太阳能电池的基本工作原理。
四、太阳能电池的制作太阳能电池的制作过程主要包括多个步骤，具体来说有以下几个步骤：（1）掺杂：尝试将半导体材料掺杂成p型和n型；（2）打沟槽：用磁力或者机械的方式在导体表面打沟槽，以便形成导线；（3）在导体表面涂抹：用具有导电性质的金属在导体表面形成电极；（4）密封：太阳能电池在制作完成后需要密封，以便保证其不会遭受氧化而失效。
总之，太阳能电池的基本原理是通过光电效应来转化太阳能为电能。
太阳能电池是一种高效的清洁能源，越来越多的人开始关注和使用太阳能电池，以减少对环境的影响。
太阳能电池的工作原理
太阳能电池的工作原理太阳能电池作为一种利用太阳能转化为电能的重要设备，广泛应用于太阳能发电系统、太阳能热水器和太阳能路灯等领域。
其工作原理是基于光电效应，通过将太阳能光线转化为电流的方式实现能量转换。
一、光电效应光电效应是指当光照射到物质表面时，光子能量被转化为电子运动能量的现象。
光电效应的核心原理是光子的能量转移给物质中的原子或分子，使得其电子获得足够的能量跃迁至导带中，形成自由电子并参与电流的传导。
二、PN结构太阳能电池通常采用PN结构，即正负电荷分离的半导体结构。
PN结的正面为P区，富含正电荷（空穴）；背面为N区，富含负电荷（自由电子）。
当光照射到PN结表面时，光子的能量被P区的电子吸收，并被激发到导带中，与自由电子发生电子复合，形成电流。
三、光伏效应光伏效应是指在外界光照条件下，PN结通过光电效应产生电流的效应。
当光子进入PN结时，其能量通过光电效应转化为电子运动能量，部分电子被吸收，形成光生电子-空穴对。
电场力将这些电子和空穴分离，在P区和N区之间产生电压差，形成电势梯度。
当将两个电极与PN结连接时，电子和空穴将在外部电路中流动，形成电流。
四、材料选择为了提高太阳能电池的效率，合适的材料选择至关重要。
常见的太阳能电池材料包括单晶硅、多晶硅和非晶硅等。
其中，单晶硅的纯度高、电子迁移率大，是效率最高的材料之一，但成本较高。
多晶硅相对于单晶硅成本较低，但效率稍低。
非晶硅则具有更低的成本，但效率更低。
五、结构设计太阳能电池的结构设计也对其工作原理产生影响。
常见的结构包括单结型、双结型和多结型。
单结型太阳能电池由PN结组成，其工作原理如前所述。
双结型太阳能电池采用PNN结构，利用内部PN结的效应提高电池的效率。
多结型太阳能电池则是在双结型的基础上增加了更多的结构，进一步提高了能源转换效率。
六、应用和发展太阳能电池的广泛应用已成为可再生能源行业的重要组成部分。
随着技术的进步和成本的降低，太阳能电池的效率得到了显著提高，已经成为替代传统能源的重要选择。
光生伏特效应与原理
光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
5.光电池的实际结构
栅指形状（减少接触电阻，尽量少挡住阳光）
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光生伏特效应
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光生伏特效应
光生伏特效应：当阳光照射到PN结上，产生电子——空穴对，在半导体内部结附生成载流子没有被复合而达到空间电 荷区，受内建电场的吸引（不加外电场），电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区存储了过剩的电子，P区有过剩的 空穴。它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了抵消势垒电场作用外，还使P区带正电，N区带 负电，在N区和P区之前就的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
2.开路电压 ➢ 负载电流I=0,即IL=IF： 3.短路电流
Voc kT ln( I L 1) q IS
I I ➢ 将p-n短路V=0,则IF=0，所得电流为短路电流ISC：
SC
L
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
4.特性曲线
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此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能成正比的电流流过，这个电流称作短路电流。另一方面，若 将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区费米能级比P区费米能级高，在这两个费米能级之间 就产生了电位差Voc，可以测得这个值，值称为开路电压。
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光生伏特效应
P-N的结光生伏特效应：
e P e e n e 浅结
太阳光
在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，
而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研 究光生少数载流子的运动.
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太阳能电池基本原理
基本原理——光生伏特效应
太阳能光伏发电是利用太阳电池的光伏效应原理，直接把太阳辐射能转变为电能的发电方式。
典型太阳电池是一个 p-n 结半导体二极管。
光子把电子从价带（束缚）激发到导带（自由），并在价带内留下一个空穴（自由）——产生了自由电子-空穴对（光生载流子），p型材料中的电子与n型材料中的空穴将在与少子寿命相当的时间内，以相对稳定的状态存在，直到复合。
当载流子复合后，光生电子空穴对将消失，没有电流和功率产生。
光生电子-空穴对在耗尽层中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被送进n区，光生空穴则被送进p区。
光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能。
内建电场
当把N型和P型材料放在一起的时候，在N型材料中，费米能级靠近导带底，在P型材料中，费米能级靠近价带顶，当P型材料和N型材料连接在一起时，费米能级在热平衡时必定恒等，由于在P型材料中有多得多的空穴，它们将向N型一边扩散。
与此同时，在N型一边的电子将沿着相反的方向向P型区扩散。
由于电子和空穴的扩散，在p-n结区产生了耗尽层，即空间电荷区电场，又称为内建电场。
（1）光子吸收：在大部分有机太阳能电池中，因为材料的带隙过高，只有一小部分入射光被吸收，吸收只能达到30%左右。
（2）激子扩散：激子的扩散长度应该至少等于薄膜的厚度，否则激子就会发生复合，造成吸收光子的浪费。
（3）电荷分离：对于单层器件，激子在电极与有机半导体界面处离化，对于双层器件，激子在施主－受主界面形成的p-n结处离化。
（4）电荷传输：在有机材料中，电荷的传输是定域态间的跳跃，而不是能带内的传输，这意味着有机材料和聚合物材料中载流子的迁移率通常都比无机半导体材料的低。
（5）电荷收集：电荷的收集效率也是影响光伏器件功率转换效率的关键因素，金属与半导体接触时会产生一个阻挡层，阻碍电荷顺利地到达金属电极。
等效电路模型
太阳能电池等效电路
无光照时类似二极管特性，外加电压时单向电流I
D
称为暗电流；有光
照时产生光生电流I
L ；R
s
、R
sh
分别为太阳电池中的串、并联电阻R
L
为负载。
（1）恒流源：在恒定光照下，一个处于工作状态的太阳电池，其光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可把它看做恒流源。
（2）暗电流I
D ：光电流一部分流经负载R
L
，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I
D。
（3）串联电阻R
S
：由于前面和背面的电极接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的引入附加电阻。
流经负载的电阻经过它们时，必然引起损耗。
在等效电路中，他们的总效果用一个串联电
阻R
S
表示。
并联电阻R
SH
由于电池边沿的漏电和制作金属电极时在微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载达到电流短路，这种作
用的大小可以用一个并联电阻R
SH
等效。
决定太阳能电池能量转换效率的三个参数分别是短路电流（I
sc
）、开
路电压（V
oc
）和填充因子（FF）。
因为电流（I）与太阳能电池的面积（A）成正比例关系，因此一般用电流密度（J）取代电流，来描述太阳能电池
的伏安特性。
J=I/A
当电池在光照下，得到的端电压和电路中通过负载的工作电流的关系曲线，叫做光电池的伏安特性曲线。
如图红色线所示，图上所示的第四象限中与红色线相交的方形区域面积就代表太阳能电池的最大输出功率，对应的点为最佳工作点。
太阳能电池在没有光照时可以视为一个二极管，电压和电流的关系如图蓝色线所示，为太阳能电池的暗特性曲线。
太阳能电池的伏安特性曲线
）
（1）开路电压（V
OC
一般来说，对于金属-绝缘体-金属（MIM）型的器件，其开路电压V
OC 取决于两个金属电极功函数之差。
而对于p-n结，其最大的可用电压则是由n-型掺杂半导体与p-型掺杂半导体两者的准费米能级之差所决定，开
的途径路电压现行的依赖于给体的HOMO能级与受体的LUMO能级。
增加V
oc
有减少复合以减小反向饱和电流，增加各区掺杂浓度等。
）
（2）短路光电流（I
SC
短路电流的大小与上面提到的光电转换过程的5个步骤的效率相关，
要得到大的短路电流：第一，需要光伏材料在可见区有宽光谱和强的吸收，以提高太阳光的利用率；第二，需要吸收光子后产生的激子有较长的寿命和较短的到达给体/受体异质结界面的距离，使得激子都能够扩散到异质结界面上；第三，需要激子在给体/受体界面上有高的电荷分离效率，使到达界面的激子都能够分离成位于受体LUMO能级上的电子和位于给体HOMO能级上的空穴，这要求给体的LUMO和HOMO能级分别高于受体的对应能级 eV以上，以克服激子的束缚能而发生电子和空穴的电荷分离；第四，光伏材料有高的纯度和高的电荷载流子迁移率；第五，使用高功函数的正极和低功函数的负极也非常重要；最后，要求电极/活性层界面是欧姆接触，并且界面接触电阻要小。
提高Jsc的途径在于提高光生载流子产生率G、增加各区少子寿命和减少表面复合。
（3）填充因子（FF）
最大输出功率与（V
OC ?I
SC
）之比称为填充因子，用FF表示。
对于开路
电压V
OC 和短路电流I
SC
一定的特性曲线来说，填充因子越接近于1，电池
效率越高，伏安特性线弯曲越大。
因此FF也称曲线因子，表示式为
FF=
P mp
P PP P PP
=
P PP P PP
P PP P PP
FF是用以衡量太阳电池输出特性好坏的重要指之一。
在一定光强下，FF愈大，曲线愈方，输出功率越高。
对于有合适效率的电池，该值应在范围之内。
（4）光电转换效率
电池的输出电功率与入射光功率之比η称为光电转换效率，简称效率
η=
P mp
P PP
=
P PP?P PP?PP
P in
光电转换效率η是表征太阳电池性能的最重要的参数，要提高太阳电池的效率，必须提高开路电压、短路电流和填充因子这三个基本参量。