光伏电池的工作原理
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I IL IF IL IS (e kT 1)
• I：负载电流；
• IL：光生电流； • Is：PN结反向饱和电流； • V：PN结两端电压
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）
硅太阳能电池
硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳 能电池、非晶硅太阳能电池。
象。
Biblioteka Baidu
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半导体的光电效应
光电效应：光照在半导体p-n结或金属—半导体接
触面上时，会在p-n结或金属—半导体接触的两侧产生 光生电动势；
p-n结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射
p-n结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电 子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于p-n结上加一个 正电压； 半导体内部产生电动势（光生电压）；如将p-n结短路， 则会出现电流（光生电流）。
PN结具有单向导电性。
动态平衡包括两种运 动：扩散运动和漂移 运动
扩散运动和漂移运动
扩散运动：由于某些 外部条件而使半导体 内部的载流子存在浓 度梯度的时候，将产 生扩散运动，即载流 子由浓度高的位置向 浓度低的位置运动
漂移运动：内电场内 少子在电场的作用下 产生的运动。
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光电效应
光电效应是物理学中一个重要而 神奇的现象，在光的照射下，某 些物质内部的电子会被光子激发 出来而形成电流，即光生电 。光 电现象由德国物理学家赫兹于 1887年发现，而正确的解释为 爱因斯坦所提出。科学家们对光 电效应的深入研究对发展量子理 论起了根本性的作用。1905年， 爱因斯坦提出光子假设，成功解 释了光电效应，因此获得1921 年诺贝尔物理奖
单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率接近 25%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为17%。
多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存 在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳 能电池的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产
的转换效率为16%。
光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们
统称为光电效应（Photoelectric effect）。
光电效应分为：外光电效应和内光电效应。
内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部
运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象
外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现
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N型半导体结构示意图
N型半导体：在本征半导体中掺入少量五价元素砷（或磷、 锑），能使半导体中的自由电子浓度显著增加，形成N型半 导体。
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PN结的形成
采用不同的掺杂工艺， 通过扩散作用，将P型 半导体与N型半导体制 作在同一块半导体 （通常是硅或锗）基 片上，在它们的交界 面就形成空间电荷区 称PN结。
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
光电池的电流电压特性
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PN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， PN结起到了电源的作用。这类装置叫光电池。
PN结电流方程
qV
U0
x
x0
PN结的能带图
P型
N型
P型
N型
Efp
Efn
Ef
无光照 能级弯曲的原因： ➢在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级
有光照
光照时n区产生少子空穴，p区产生少子电子； 在内建电场的作用下，n区的空穴向p区运动，而p区的电子
向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
太阳能光伏电池的工作原理
—基于光电效应
知识准备
1、本征半导体及本征激发 2、P型半导体 3、N型半导体 4、PN结的形成 5、光电效应 6、太阳能光伏电池的工作原理：PN结受光
照后的光电效应
本征半导体及本征激发
本征半导体共价键结构示意图
本征半导体是纯净的单晶半 导体。
本征激发：本征半导体受热 或光照时，某些共价键中的 的价电子从外界获得足够的 能量而挣脱共价键的束缚离 开了共价键而成为自由电子， 同时在原来的共价键中留下 一个空位，这个空位被称为 空穴。这种现象称为本征激 发
本征激发后产生两种载流子：自由电子和空穴
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P型半导体结构示意图
在本征半导体中掺入少量三 价元素硼（或铝、镓、铟）， 能使半导体中的空穴浓度显 著增加。由于三价元素有3个 价电子，它在取代硅（或锗、 砷化镓）原子后，与相邻的4 个硅原子上的一个价电子构 成4个共价键时，缺少一个价 电子，产生一个空位。在室 温下，相邻原子的价电子很 容易填补这个空位，从而产 生一个空穴，而三价杂质原 子接受一个价电子从而变成 一个不能移动的负离子。
PN结的光电效应
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.
PN结的内建电场
p
n
p 耗尽层 n
e e
e e
----- ----- +++++ +++++
空穴
电子
x0
动平衡时 p 型与 n 型接触区域的电势变化
• I：负载电流；
• IL：光生电流； • Is：PN结反向饱和电流； • V：PN结两端电压
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）
硅太阳能电池
硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳 能电池、非晶硅太阳能电池。
象。
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半导体的光电效应
光电效应：光照在半导体p-n结或金属—半导体接
触面上时，会在p-n结或金属—半导体接触的两侧产生 光生电动势；
p-n结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射
p-n结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电 子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于p-n结上加一个 正电压； 半导体内部产生电动势（光生电压）；如将p-n结短路， 则会出现电流（光生电流）。
PN结具有单向导电性。
动态平衡包括两种运 动：扩散运动和漂移 运动
扩散运动和漂移运动
扩散运动：由于某些 外部条件而使半导体 内部的载流子存在浓 度梯度的时候，将产 生扩散运动，即载流 子由浓度高的位置向 浓度低的位置运动
漂移运动：内电场内 少子在电场的作用下 产生的运动。
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光电效应
光电效应是物理学中一个重要而 神奇的现象，在光的照射下，某 些物质内部的电子会被光子激发 出来而形成电流，即光生电 。光 电现象由德国物理学家赫兹于 1887年发现，而正确的解释为 爱因斯坦所提出。科学家们对光 电效应的深入研究对发展量子理 论起了根本性的作用。1905年， 爱因斯坦提出光子假设，成功解 释了光电效应，因此获得1921 年诺贝尔物理奖
单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率接近 25%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为17%。
多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存 在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳 能电池的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产
的转换效率为16%。
光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们
统称为光电效应（Photoelectric effect）。
光电效应分为：外光电效应和内光电效应。
内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部
运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象
外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现
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N型半导体结构示意图
N型半导体：在本征半导体中掺入少量五价元素砷（或磷、 锑），能使半导体中的自由电子浓度显著增加，形成N型半 导体。
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PN结的形成
采用不同的掺杂工艺， 通过扩散作用，将P型 半导体与N型半导体制 作在同一块半导体 （通常是硅或锗）基 片上，在它们的交界 面就形成空间电荷区 称PN结。
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
光电池的电流电压特性
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PN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， PN结起到了电源的作用。这类装置叫光电池。
PN结电流方程
qV
U0
x
x0
PN结的能带图
P型
N型
P型
N型
Efp
Efn
Ef
无光照 能级弯曲的原因： ➢在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级
有光照
光照时n区产生少子空穴，p区产生少子电子； 在内建电场的作用下，n区的空穴向p区运动，而p区的电子
向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
太阳能光伏电池的工作原理
—基于光电效应
知识准备
1、本征半导体及本征激发 2、P型半导体 3、N型半导体 4、PN结的形成 5、光电效应 6、太阳能光伏电池的工作原理：PN结受光
照后的光电效应
本征半导体及本征激发
本征半导体共价键结构示意图
本征半导体是纯净的单晶半 导体。
本征激发：本征半导体受热 或光照时，某些共价键中的 的价电子从外界获得足够的 能量而挣脱共价键的束缚离 开了共价键而成为自由电子， 同时在原来的共价键中留下 一个空位，这个空位被称为 空穴。这种现象称为本征激 发
本征激发后产生两种载流子：自由电子和空穴
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P型半导体结构示意图
在本征半导体中掺入少量三 价元素硼（或铝、镓、铟）， 能使半导体中的空穴浓度显 著增加。由于三价元素有3个 价电子，它在取代硅（或锗、 砷化镓）原子后，与相邻的4 个硅原子上的一个价电子构 成4个共价键时，缺少一个价 电子，产生一个空位。在室 温下，相邻原子的价电子很 容易填补这个空位，从而产 生一个空穴，而三价杂质原 子接受一个价电子从而变成 一个不能移动的负离子。
PN结的光电效应
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.
PN结的内建电场
p
n
p 耗尽层 n
e e
e e
----- ----- +++++ +++++
空穴
电子
x0
动平衡时 p 型与 n 型接触区域的电势变化