第章 太阳能电池的特性
太阳能电池原理范文
太阳能电池原理范文太阳能电池是一种将太阳光能转化为电能的装置。
它是一种半导体器件，根据光伏效应原理工作。
在晴朗的阳光下，太阳光照射到太阳能电池表面，产生电子与空穴对。
通过合适的导线和电路布置，可以将产生的直流电能转化为有用的电能。
太阳能电池的基本结构通常是由两个半导体层构成，其中一个层被掺杂为p型，另一个层被掺杂为n型。
半导体的掺杂可以通过在原始材料中添加杂质元素来实现。
掺杂后的半导体中将产生多数载流子和少数载流子。
以p型层为例，它有许多绝缘层的正空穴，以及从n层移动过来的负电子。
当太阳能照射到太阳能电池的表面时，光子与半导体原子发生相互作用。
如果光子的能量大于半导体材料对能量吸收的门槛，光子将被吸收，将其能量传给被吸收的电子。
被激发的电子获得足够的能量以克服能带间隙并跃迁到导带。
这个过程使得原来的电子能带上留下空穴，从而产生一个电子-空穴对。
由于p型层具有许多正空穴，而n型层具有许多自由电子，新产生的电子和空穴将被电场力推到不同的区域，形成势差。
这个势差会引起电流的流动。
若将正极与p型层连接，负极与n型层连接，并将电路与电池连接，电流就会开始流动。
在太阳能电池中，不同的材料用于构成p型和n型层。
常用的材料包括硅、硒化铟、硫化镉等。
其中，硅是最广泛使用的材料，因为它具有稳定性好、物理性质可控且成本低廉等优点。
为了提高太阳能电池的效率，科学家和工程师们致力于改进太阳能电池的设计和制造工艺。
一种改善效率的方法是通过将多个太阳能电池组装在一起，形成太阳能电池组或太阳能电池阵列。
这种阵列可以在更广泛的光敏面积上接收太阳能，并提供更多的电能。
太阳能电池作为一种可再生能源的转换器，具有广泛的应用前景。
它可以用于为家庭和工业提供电力，也可以用于卫星和空间探测器等航天器的能源供应。
随着科学技术的不断发展，我们有望看到更高效、更持久、更美观的太阳能电池问世，进一步推动可再生能源的发展和利用。
1 太阳能电池概论
1.3 太阳电池工作原理
1.3.1 光电效应
光电效应（Photoelectric effect）：特定频率的电磁波照射下到物质上， 引起物质的电性质发生变化的现象。光电效应分为光电子发射、光电导 效应和光生伏特效应。前一种又称外光电效应。后两种现象称为内光电 效应。
光生伏特效应（Photovoltaic effect）：简称“光伏效应”，即半导体 在受到光照射时，由于光生载流子 在不同位置具有不均一性，或者由 于PN结产生了内部载流子，就会因扩散或者漂移效应而引起电子和空 穴密度分布不均匀，从而产生电动势的现象。
光伏效应首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的 过程；其次，是形成电压，实现功率输出的过程。
太阳电池的光生电流由入射光强bs和太阳电池的性能共同决 定。
∫ J ph = J sc = q 0∞ QE(E)bs (E,Ts )dE
1.4.3 光生电流和量子效率 能量在 到 范围内的太阳辐射光子数， 与太阳温度 有关 是太阳光子通量或入射光强， 描述单位时间内、单位面积上、 描述能量为 的光子，产生电子跃迁，并进入外部电路的概率； 是电子电量；量子效率 是光子能量的函数，
1.3 太阳电池工作原理
1.3.1 PN结的形成
同样如果在纯净的硅晶体中掺入3价杂 质，如硼（或鋁、镓或铟等），这些3 价杂质原子的最外层只有3个价电子， 当它与相邻的硅原子形成共价键时， 还缺少1个价电子，因而在一个共价键 上要出现一个空穴，因此掺入3价杂质 的4价半导体，也称为p型半导体。
对于P型半导体，空穴是多数载流 子，而电子为少数载流子。
第一章 太阳电池概论
• 1.1 太阳电池发展简史 • 1.2 器件分类和典型结构 • 1.3 工作原理 • 1.4 基本电性能参数
太阳能电池I-V特性测试实验
摘要随着各国对环境保护的力度加大,再生清洁能源的市场需求巨大,发展太阳能利用技术前景广阔。
太阳能利用领域众多,目前主要通过太阳能电池片把太阳能转换为电能加以利用。
太阳能电池的材料都是半导体材料，电池能量转换的基础是光生伏特（光电）效应。
本文正是基于此对太阳能电池的技术原理进行了深入的研究，并在已有的研究基础上对其电流电压间的关系进行了客观的分析。
首先，阐述了半导体材料的内光电效应，介绍太阳能电池的能量转换过程，包括太阳能电池工作原理、光电转换特性、参数表征。
然后介绍各类电池的技术原理、电池结构与发展前景。
涉及硅太阳能电池，非晶系硅太阳能电池，薄膜太阳能电池等。
最后运用一系列的实验仪器分别测量暗环境和光照条件下硅电池的电流和电压，并作出相应的图像，分析开路电压，短路电流，输出功率变化特点。
进而分析出使太阳能电池的输出功率较大的条件。
关键词：太阳能电池；光电效应；半导体；输出功率AbstractWith the protection of the environment to increase renewable clean energy, the huge market demand, the development of solar energy utilization technology prospect.The solar energy utilization field many, mainly through the film solar cells convert solar energy into electric energy and make use of.Solar cell material is a semiconductor material, battery energy conversion is the basis of photovoltaic (PV) effect.This article is based on the principle of solar cell technology is studied, and on the basis of the study on the relationship between current and voltage in the objective analysis.First, elaborated the semiconductor material within the photoelectric effect, the solar energy conversion process, including the working principle of solar cells, the photoelectric conversion characteristic, parameter characterization.And then introduces the various types of battery technology, battery structure and development prospect.Relates to silicon solar cell, amorphous silicon solar cell, thin film solar cell.Finally, using a series of experimental apparatus were measured in dark environment and under light silicon battery current and voltage, and make the corresponding image analysis, open-circuit voltage, short-circuit current, power output change characteristic.Further analysis to the power output of the solar cell larger conditions.Keywords: Solar cells；Semiconductor；Photoelectric effect；Output power目录第1章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 国内外太阳能发电产业发展现状及趋势 (1)1.3 太阳电池的应用的主要领域 (3)1.4本文主要内容 (4)第2章太阳电池工作原理和特性 (5)2.1 半导体的内光电效应 (5)2.2 太阳电池的能量转换过程 (5)2.3 太阳电池的基本参数 (7)2.3.1 短路电流 (7)2.3.2 开路电压 (9)2.4 太阳电池的输出特性 (10)2.4.1 等效电路 (10)2.4.2 输出特性 (11)2.4.3 转换效率 (12)2.4.4 太阳电池的光谱响应 (12)2.4.5 太阳电池的温度效应 (13)2.4.6 太阳电池的辐照效应 (13)第3章太阳能电池的种类 (14)3.1 硅太阳能电池 (14)3.2 非晶系硅太阳能电池 (14)3.3多元化合物太阳电池 (16)3.3.1 铜铟镓二硒太阳能电池 (16)3.3.2 硫化镉太阳电池 (17)3.3.3 镉碲薄膜太阳能电池 (17)3.3.4 砷化镓太阳电池 (19)3.4 硅薄膜太阳能电池 (19)3.5 染料敏化太阳能电池 (19)第4章太阳能电池I-V特性测试实验 (22)4.1实验原理 (22)4.1.1 太阳能电池无光照情况下的电流电压关系－（暗特性） (22)4.1.2 太阳能电池光照情况下的电流电压关系－（光特性） (23)4.1.3 太阳能电池的效率 (24)4.2实验仪器 (25)4.2.1 光源与太阳能电池部分 (25)4.2.2 光路部分 (27)4.2.3 温度控制及外电路电源 (27)4.3 实验步骤 (29)4.3.1 太阳能电池暗特性测试 (29)4.3.2 太阳能电池光照特性测试 (29)4.4 试验结果 (30)4.4.1 无光照情况下的电流电压关系 (30)4.4.2 光照情况下的电流电压关系 (32)第5章总结 (38)致谢 (39)参考文献 (40)附录A 英文原文 (42)附录B 中文翻译 (49)第1章绪论1.1课题背景随着工业的快速发展和社会经济规模的扩大，人类对能源的需求量与日俱增。
第三章 太阳能电池原理
开路电压VOC： VOC kT ln( IL 1)
q
IS
填充因子 F Pmp IscVoc
光电转换效率
Pmp FVocIsc
Pi
Pi
Pmp是最大输出功率， Pi是输入功率
当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定以后，其值就取决 于开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子F的最大值。
3、入射光光谱：一般是标准化的AM1.5光源 4、太阳能电池的光学性能：电池的吸收和反射 5、载流子收集的可能性：主要取决于电池表面的钝化及电
池中的少子寿命
qV
I IL - IF IL - Is(e kT 1)
V kT ln( IL - I 1)
q
IS
当pn结开路（open circuit ）时即R趋于无穷大，得到
光谱响应度（SR） 太阳能电池的光谱响应度：单位光功率所产生的电流强度
SR Isc I L qne q EQE q(1 R) IQE
Pin ()
Pin ()
hc
n ph
hc
hc
EQE：外部量子效率（没有特殊说明时就是量子效率） IQE：内部量子效率
理想情况下，光谱响应度（λ≤ λg）与波长成正比。 实际情况并不成线性关系：波长较长时，电池对光的吸收弱，导致
带有电阻负载的pn结太阳能电池示意图
零偏下光电池工作 电流
光生电流IL 光生电压下的正向电流IF
qV
流经负载的电流 I IL - IF IL - Is(e kT 1)
太阳能电池的重要参数： 短路电流ISC；开路电压VOC；填充因子F；光电转换效率η
qV
I IL - IF IL - Is(e kT 1)
太阳能电池片的特性及主要性能参数_太阳能光伏组件生产制造工程技术_[共3页]
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第2章 太阳能光伏组件的原材料及部件25 单晶硅与多晶硅电池片到底有哪些区别呢？由于单晶硅电池片和多晶硅电池片前期生产工艺的不同，使它们从外观到电性能都有一些区别。
从外观上看：单晶硅电池片四个角呈圆弧缺角状，表面没有花纹；多晶硅电池片四个角为方角，表面有类似冰花一样的花纹（业内称为多晶多彩），也有一种绒面多晶硅电池片表面没有明显的冰花状花纹（业内称为多晶绒面）；单晶硅电池片减反射膜绒面表面颜色一般呈现为黑蓝色，多晶硅电池片减反射膜绒面表面颜色一般呈现为蓝色。
对于使用者来说，相同转换效率的单晶硅电池和多晶硅电池是没有太大区别的。
单晶硅电池和多晶硅电池的寿命和稳定性都很好。
虽然单晶硅电池的平均转换效率比多晶硅电池的平均转换效率高1%左右，但是由于单晶硅太阳能电池只能做成准正方形（4个角为圆弧状），当组成太阳能电池组件时就有一部分面积填不满，而多晶硅太阳能电池是正方形的，不存在这个问题，因此对于太阳能电池组件的转换效率来讲几乎是一样的。
另外，由于两种太阳能电池材料的制造工艺不一样，多晶硅太阳能电池制造过程中消耗的能量要比单晶硅太阳能电池少30%左右，所以多晶硅太阳能电池占全球太阳能电池总产量的份额越来越大，制造成本也将大大小于单晶硅电池，所以使用多晶硅太阳能电池将更节能、更环保。
2.1.3 太阳能电池片的等效电路分析太阳能电池的内部等效电路如图2-5所示。
为便于理解，我们可以形象地把太阳能电池的内部看成是一个光电池和一个硅二极管的复合体，即在光电池的两端并联了一个处于正偏置下的二极管，同时电池内部还有串联电阻和并联电阻的存在。
由于二极管的存在，在外电压的作用下，会产生通过二极管P-N 结的漏电流I d ，这个电流与光生电流的方向相反，因此会抵消小部分光生电流。
串联电阻主要是由半导体材料本身的体电阻、扩散层横向电阻、金属电极与电池片体的接触电阻及金属电极本身的电阻几部分组成的，其中扩散层横向电阻是串联电阻的主要形式。
太阳能电池的种类
第四章太阳能电池的种类太阳能电池是利用半导体的光生伏特效应，许多材料都可以用来做太阳能电池，因而太阳能电池的种类很多。
一、单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池的特点：•作为原料的硅材料在地壳中含量丰富，对环境基本上没有影响。
•单晶制备以及pn结的制备都有成熟的集成电路工艺作保证。
•硅的密度低，材料轻。
即使是50µm以下厚度的薄板也有很好的强度。
•与多晶硅、非晶硅比较，转换效率高。
•电池工作稳定，已实际用于人造卫星等方面，并且可以保证20年以上的工作寿命。
1、如何制备单晶硅材料To get silicon in single-crystal state, we first melt the high-purity silicon. We then cause it to reform very slowly in contact with a single crystal "seed." The silicon adapts to the pattern of the single crystal seed as it cools and solidifies gradually. Not suprisingly, because we start from a "seed," this process is called "growing" a new ingot of single-crystal silicon out of the molten silicon. Several specific processes can be used to accomplish this. The most established and dependable means are the Czochralski method and the floating-zone (FZ) technique.Czochralski processThe most widelyused technique for makingsingle-crystal silicon is theCzochralski process. In theCzochralski process, seedof single-crystal siliconcontacts the top of moltensilicon. As the seed isslowly raised, atoms of themolten silicon solidify inthe pattern of the seed andextend the single-crystalstructure.在得到硅单晶片后，就可以开始制备太阳能电池。
第3章 太阳能电池的特性-2
其他效应 光强效应
聚光对太阳能电池的伏安特性的影响
&3.4.2
其他效应 光强效应
聚光太阳能电池
聚光太阳能电池是一种在光强大于一个太阳的光照下工作的太阳能电池。入射太阳
光被聚焦或透过光学器件形成高强度的光束射到小面积的太阳能电池中。
聚光太阳能电池有几个潜在的优势，包括比平板太阳能电池更高的转换效率和更低
&3.2.5
太阳能电池的参数 效率
发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。 效率的定义为电池输出的电能与射入电池的光能的比例。
除了反映太阳能电池的性能之外，效率还决定于入射光的光谱和
光强以及电池本身的温度。 在比较两块电池的性能时，必须严格控制其所处的环境。测量陆 地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度25°C。而空间太阳能电池 的光照则为AM0。
的成本。电池的短路电流大小与光的强度成线性关系，这种改变并没有带来转换效 率的提升，因为入射功率也随光强呈线性提高。
由于开路电压与短路电流呈对数关系，转换效率得以提升。因此，在聚光条件下，
VOC随着光强上升呈对数形式增加，如下面式子所示：
nkT ISC V' OC ln I q O
低光强
在光强变低时，并联电阻对电池的影响将慢慢变大。因为通过电池的前置 偏压和电流会随着光的强度的减小而减小，而电池的等效电阻也将开始接 近并联电阻的大小，分流到并联电阻的电流将增加，即增加了能量损失。 在多云的天气下，并联电阻高的电池比并联电阻低的电池保留更大部分的 电流。
&3.5.1太阳能电池的测量
太阳能电池中，引起串联电阻的因素有三种： 第一，穿过电池发射区和基区的电流流动； 第二，金属电极与硅之间的接触电阻； 第三便是顶部和背部的金属电阻。串联电阻对电池的主要影响
光伏电池及其特性
主要是由于半导体
材料的体电阻、金属
电极与半导体材料的 暗
接触电阻、扩散层横 电
外接
向电阻以及金属电极 流
负载
本身的电阻。一般小
电阻
于1Ω.
光伏电池的等效电路图
负载 load
Photic adj.光的, 与光有关的
等效电路中符号的说明
2. Rsh为旁路电阻。
由于由于电池表面污染、 半导体晶体缺陷引起的 边缘漏电，使一部分本 应通过负载的电流短路， 这种作用的大小可用一 并联电阻RSh来等效， 一般为几千欧。漏电流 越小，并联电阻也就越 大。
由于禁带宽度小，因此当 光照或在外电场作用下， 使满带上的电子，很容易 跃迁到导带上，使原来空 的导带充填电子，同时在 满带上留下空穴。
Eg
禁带宽度≤3eV
（1）Intrinsic semiconductor
完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征 半导体 (纯半导体)。
硅（锗）的原子结构
Si 2 8 4
Degenerate semiconductor（简并半导体） Non-degenerate semiconductor（非简并半导体）
Compensated semiconductor（补偿半导体） Non-compensated semiconductor（非补偿半导体）
表 1-1 主要的半導體材料及相關的應用領域
旁路电阻Rsh越大，越接近于理想的太 阳电池，该太阳电池的性能也越好。
目前的太阳电池制造工艺水平，在要求不很严格时， 可以认为串联电阻接近于零，旁路电阻趋近于无穷 大，也就可当做理想的太阳电池看待。
测试输出特性
理想太阳能电池的等效电路图以及变量关系
由于电路中无电源，电压U=IR
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13
§ 3.1.4
理想太阳能电池
量子效率
下图为硅太阳能电池的量子效率。通常，波长小于
350nm的光子的量子效率不予测量，因为在1.5大气质量光谱 中，这些短波的光所包含能量很小。
总量子效率的减小是由反射效应和 过短的扩散长度引起的。
量
子
效
率
红光响应的降低是由于背表
面反射、对长波光的吸收的
§ 3.1.3
理想太阳能电池
收集概率
E-H
归 一 化 的
对 生 成 率
上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长 0.45μm的蓝光拥有高吸收率，为105cm-1，也因此它在非常靠近顶端 表面处被吸收。波长0.8μm的红光的吸收率103cm-1，因此其吸收长 度更深一些。1.1μm红外光的吸收率为103cm-1，但是它几乎不被吸 收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。
减少和短扩散长度
理想量子 效率曲线
能量低于禁带宽度的光 不能被吸收，所以长波 长的量子效率为零。
前端表面复合导致蓝光响应的减小。
§ 3.1.4 理想太阳能电池 量子效率
尽管理想的量子效率曲线是矩形的（如上图），但是 实际上几乎所有的太阳能电池的都会因为复合效应而减小。影响收 集效率的因素同样影响着量子效率。例如，顶端表面钝化会影响靠 近表面的载流子的生成，而又因为蓝光是在非常靠近表面处被吸收 的，所以顶端表面的高复合效应会强烈地影响蓝光部分量子效率。 相似的，绿光能在电池体内的大部分被吸收，但是电池内过低的扩 散长度将影响收集概率并减小光谱中绿光部分的量子效率。
§ 3.1.4
理想太阳能电池
量子效率
所谓“量子效率”，即太阳能电池所收集 的载流子的数量与入射光子的数量的比例。量子效率即 可以与波长相对应又可以与光子能量相对应。如果某个 特定波长的所有光子都被吸收，并且其所产生的少数载 流子都能被收集，则这个特定波长的所有光子的量子效 率都是相同的。而能量低于禁带宽度的光子的量子效率 为零。下图将描述理想太阳能电池的量子效率曲线。
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4
§ 3.1.2
理想太阳能电池
光生电流
第二个过程是pn结通过对这些光生载流子的收集， 即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。 pn结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光 生少数载流子到达pn结，将会被内建电场移到另一个区， 然后它便成了多数载流子。如果用一根导线把发射区跟 基区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外 部电路。
后回到电池中。许多不同的材料和工艺都基本上能满
足太阳能转化的需求，但实际上，几乎所有的光伏电
池转化过程都是使用组成 pn结形式的半导体材料来完
成的。
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1
§ 3.1.1
理想太阳能电池
太阳能电池的结构
前端接触电极
减反射膜
发射区 基区
电子空穴对 背接触电极
太阳能电池的横截面
§ 3.1.1
收集概率
生成率
在电池中的距离
9
§ 3.1.3
理想太阳能电池
收集概率
在1.5光谱下硅的生成速率。注意，电池表面的生成率是 最高的，因此电池对表面特性是很敏感的。
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10
§ 3.1.3
理想太阳能电池
收集概率
收集概率的不一致产生了光生电流的光谱效应。 例如，表面的收集概率低于其他部分的收集概率。比 较下图的蓝光、红光和红外光，蓝光在硅表面的零点 几微米处几乎被全部吸收。因此，如果顶端表面的收 集概率非常低的话，入射光中蓝光将不对光生电池做 出贡献。
§ 3.1.3
理想太阳能电池
收集概率
对收集概率的计算，红线代表发射区的扩散长度，蓝 线代表基区的发射长度。
在耗散区的收集概 率相同
收
背表面
集 概 率
强钝化的太阳能 电池
弱钝化的太阳 能电池
前端表面
低扩散长度的太阳
能电池。
电池中距离表面的距离
在高复合率的情况下， 其表面的收集概率很低。
§ 3.1.3
理想太阳能电池
太阳能电池的结构
太阳能电池运行的基本步骤：
• 光生载流子的产生 • 光生载流子聚集成电流 • 产生跨越太阳能电池的高电压 • 能量在电路和外接电阻中消耗
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3
§ 3.1.2
理想太阳能电池光生电流 Nhomakorabea在太阳能电池中产生的电流叫做“光生 电流”，它的产生包括了两个主要的过程。
第一个过程是吸收入射光子并产生电子 空穴对。电子空穴对只能由能量大于太阳能电池的禁带 宽度的光子产生。然而，电子（在p型材料中）和空穴 （在n型材料中）是处在亚稳定状态的，在复合之前其 平均生存时间等于少数载流子的寿命。如果载流子被复 合了，光生电子空穴对将消失，也产生不了电流或电能 了。
理想太阳能电池
收集概率
收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小。光
生电流大小等于电池各处的载流子生成速率乘以该处的收集概率。
下面是硅在光照为AM1.5下光生电流的方程，包括了生成率和收集
概率。 JLq0WGxCPxdx
w
q 0
H 0 e x dC P x d x
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§ 3.1.2
理想太阳能电池
光生电流
动画展示了短
路情况下的理想电 流。理想短路情况 下电子和空穴在pn 结的流动。少数载 流子不能穿过半导 体和金属之间的界 限，如果要阻止复 合并对电流有贡献 的话，必须通过pn 结的收集。
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§ 3.1.3
理想太阳能电池
收集概率
“收集概率”描述了光照射到电池的某个区 域产生的载流子被pn结收集并参与到电流流动的概率，它 的大小取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特 性。在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的， 因为在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。在原 来电场的区域，其收集概率将下降。当载流子在与电场的 距离大于扩散长度的区域产生时，那么它的收集概率是相 当低的。相似的，如果载流子是在靠近电池表面这样的高 复合区的区域产生，那么它将会被复合。下面的图描述了 表面钝化和扩散长度对收集概率的影响。
§ 3.1.1
理想太阳能电池
太阳能电池的结构
太阳能电池是一种能直接把太阳光转化
为电的电子器件。入射到电池的太阳光通过同时产生
电流和电压的形式来产生电能。这个过程的发生需要
两个条件，首先，被吸收的光要能在材料中把一个电
子激发到高能级，第二，处于高能级的电子能从电池
中移动到外部电路。在外部电路的电子消耗了能量然