太阳能电池的原理与特性

简述太阳能电池的原理与特性

一、太阳能电池的基本工作原理

太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能变换成为电能。这个把太阳能（或其他光能）变换成电能的能量转换器，就叫做太阳能电池。太阳能电池工作原理的基础，是半导体p－n 结的“光生伏打”效应。所谓光生伏打效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，但在固体尤其是在半导体中，光能转换为电能的效率特别高。因此半导体中的光电效应引起人们的格外关注，研究得最多，并发明制造出了半导体太阳能电池。可将半导体太阳能电池的发电过程概括成如下4点：（1）首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。（2）太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子（光生载流子）—电子－空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合消失。（3）这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池p-n 结内建电场的作用下，电子- 空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，在p－n 结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。（4）在太阳能电池p-n 结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能（或其他光能）直接转换成了电能。下面以单晶硅太阳能电池为例，对太阳能电池的基本工作原理进行具体阐述。众所周知，物质的原子是由原子核和电子组成的。原子核带正电，电子带负电。电子就像行星围绕太阳转动一样，按照一定的轨道绕着原子核旋转。单晶硅的原子是按照一定的规律排列的。硅原子的外层电子壳层中有4 个电子。每个原子的外壳电子都有固定的位置，并受原子核的约束。它们在外来能量的激发下，如在太阳光辐射时，就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来的地方留出一个空位，即空穴。由于电子带负电，空穴就表现为带正电。电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝、铟或镓等杂质元素，它就成了空穴型半导体，简称p 型半导体。如果在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，它就成了电子型的半导体，简称n 型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成p－n 结，并在结的两边形成内建电场，又称势垒电场。由于此处的电阻特别高，所以也称为阻挡层。当太阳光（或其他光）照射p-n 结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子－空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向n型区，空穴被驱向p 型区，从而使n 区有过剩的电子，p区有过剩的空穴；于是就在p-n 结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使p 型区带正电、n 型区带负电；于是就使得n 区与p 区之间的薄层产生了电动势，即“光生伏打”电动势。当接通外电路时，便有电能输出。这就是p-n 结接触型硅太阳能电池发电的基本原理（见图2）。若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并联起来封装成为太阳能电池组件，在太阳光（或其

他光）的照射下，便可获得具有一定功率输出的电能。

二、太阳能电池的基本特性

1. 太阳能电池的极性

太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。在太阳光或其他光照射时，太阳能电池输

出电压的极性，p 型一侧电极为正，n 型一侧电极为负。当太阳能电池作为电源与外电路连接时，太阳能电池在正向状态下工作。当太阳能电池与其他电源联合使用时，如果外电路的正极与电池的p 电极连接，负极与电池的n 电极连接，则外电源向太阳能电池提供正向偏压；如果外电源的正极与电池的n 电极连接，负极与p电极连接，则外电源向太阳能电池提供反向偏压。

2. 太阳能电池的电流一电压特性

太阳能电池的电路及等效电路如图4 所示。其中，R L 为电池的外负载电阻。当R L=0 时，所测的电流为电

池的短路电流。所谓短路电流I sc，就是将太阳能电置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。测量短路电流的方法，是用内阻小l Ω的电流表接在太阳能电池的两端。I sc 值与太阳能电池的面积大小有关，面积越大，I sc 值越大。一般来说，1 cm2 硅太阳能电池的I sc 值约16～30 mA。同一块太阳能电池，其I sc 与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高时，Isc 值略有上升，一般温度每升高1℃，I sc 值约上升78 μA。当R L→∞时，所测得的电压为电池的开路电压。所谓开路电压U oc，就是将太阳能电池置于100 mW/cm2 的光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。可用高内阻的直流毫伏计测量电池的开路电压。太阳能电池的开路电压，与光谱辐照度有关，与电池面积的大小无关。在100 mW/cm2 的光谱辐照度下，硅太阳能电池的开路电压为450～600 mV，最高可达690 mV。当入射光谱辐照度变化时，太阳能电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。当环境温度升高时，太阳能电池的开路电压值将下降，一般温度每上升l℃，U oc 值约下降2～3 mV。I D （二极管电流）为通过p-n 结的总扩散电流，其方向与I sc 相反。R s 为串联电阻，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面间接触电阻所组成。R sh 为旁漏电阻，它是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的。一个理想的太阳能电池，串联电阻R s 很小，而并联电阻R sh 很大。由于R s 和R sh 是分别串联和并联在电路中的，所以在进行理想的电路计算时，它们可以忽略不计。此时，流过负载的电流I L 为：I L=I sc-I D理想的p-n 结特性曲线方程为：I L=I sc-I D(e qUAKT-1)式中I D———太阳能电池在无光照时的饱和电流，A；q———电子电荷，C；K———玻尔兹曼常数；T———热力学温度；A———常数因子（正偏电压大时A 值为1，正偏电压小时A 值为2）；e———自然对数的底。当I L=0 时，电压U流；该点的功率，则称为最大功率P m。太阳能电池（组件）的输出功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和太阳能电池（组件）的工作温度，因此太阳能电池（组件）的测量须在标准条件（STC）下进行，测量标准被欧洲委员会定义为101 号标准，其条件是：光谱辐

照度，1000 W/m2；光谱，AM1.5；电池温度，25 ℃。在该条件下，太阳能电池（组件）所输出的最大功率被称为峰值功率，在以瓦为计算单位时称为峰瓦，用符号W P 表示。

（a）光照时太阳能电池的电路（b）光照时太阳能电池的等效电路

图4 太阳能电池的电路及等效电路图

3. 太阳能电池的填充因子

又称曲线因子。系指太阳能电池最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值，用符号FF 表示。是评价太阳能电池输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明太阳能电池输出特性越趋近于矩形，电池的光转换效率越高。它与太阳能电池开路电压、短路电流和负载电压、负载电流的关系式为：FF=U mp·I mp U oc·I sc =P max U oc·I sc串并联电阻对填充因子有较大影响，如图7 所示。串联电阻越大，短路电流下降越多，填充因子也随之减少得越多；并联电阻越小，这部分电流就越大，开路电压就下降得越多，填充因子随之也下降得越多。