太阳能电池的基本原理

第三章太阳能电池的基本原理

本章以单晶硅pn结太阳能电池为例，介绍半导体太阳能电池的基本工作原理、

一、太阳能电池的结构和基本工作原理

产生了电动势。因而光伏效应是半导体电池实现光电转换的理论基础，也是某些光电器

们将来仔细分析一下pn结的光伏效应。

部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子-空穴对。在光激发下多

无光照光照激发

1、半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数α，即要求入射光子的能量hν大

所以这两种电池都可以而硅太阳能电池，对太

产生了一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场，于是在p区

的界面或表面产生光生载流子，在势垒区电场的作用下，光生产生光生电压。

汽，推动发电机发电；原子能发电则是以核裂变放出的能量代替燃烧石油或煤，而水力发电

太阳能电池的结构

单晶硅太

扩散n型杂质，形

构。为取出

玻璃衬底非

先在玻璃衬底上淀

然后依次用等离子

型和n 型三层a-Si

衬底上沉积pin非晶

后与单晶硅电池一

二、太阳能电池的输出特性

1、光电池的电流电压特性

压V作用下的pn结正向电流I，流经外电路的电流I。I和I都

p n

L

结正向电流I

I

根据p-n结整流方

程，在正向偏压下，通过

结的正向电流为：

I F=I s[exp(qV/kT)-1]

其中：V是光生电压，I

s

是

反向饱和电流。

随光照深入而减少，即产生率Q是x函数。为了简便起见，散到p-n结面而进入另一边，这样光生电流I应该是：

这就是负载电阻上电流与电压的关系，也就是光电池的伏安特性方程。

左图分别

不论是一般的化学电池还是太阳能电池，其输出特性的伏安特性曲线，可以得到描述太阳能电池的四个输出参

数。

２、描述太阳能电池的参数

１、开路电压V

oc

压即为开路电压V

oc

。

L F

V＝kT

q ln(

I L

I+1)

2、短路电流I sc

３、填充因子FF

佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压V

op

和最

填充因子定义为：FF = V op I op

V I

=

P max

V I

它表示了最大输出功率点

oc

４、太阳能电池的能量转化效率η

实际转换效率本征转换效率即：

η=（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）x100%V oc •I sc •FF P •S

三、太阳能电池的等效电路

1、理想pn结太阳能电池的等效电路

理想pn结太阳能电池可以

（光生电

用一恒定电流源I

ph

流）及一理想二极管的并联

来表示。其等效电路如左图

所示。其电流电压关系满足

我们上一节所介绍的方

程。。

I = I F-I L= I s[exp(qV/kT)-1]-I L

2、pn结太阳能电池的实际等效电路实际上，pn结太阳能电池存

在着R

s 和R

sh

的影响。其中，R

s

是由材料体电阻、薄层电阻、电极接触电阻及电极本身传导电流的电阻所构成的总串联电阻。R

sh

是在pn结形成的不完全的部分所导致的漏电流，称为旁路电阻或漏电电阻。这样构成的等效电路如右图所示。

I = I-I{exp[q(V+IR)/kT]-1}-(V+IR)/R

上式是表示太阳能电池特性的一般公式，叫做超越方程式。

根据图示的电

较强度较弱时，I

L

漏电流大小相差不

漏电电阻性的影响可用右

出，漏电电阻R 较小，而对开路

相反的，R的影响就变

右图给出了R对光电池

了。对于1cm2的硅电池，只要R大于500欧姆，砷化镓电池R

大于1000欧姆时，对输出

sh

四、太阳能电池转换效率的理论上限

1、太阳能电池的理论效率

太阳能电池的理论效率由下式决定：

η= V oc•I sc•FF

P•S

取决于开路电压V

oc 、短路电流I

sc

和填充因子FF的最

下面我们就来分别考虑开路电压V

oc 、短路电

流I

sc

和填充因子FF的最大值。

短路电流I

的考虑：

sc

λ= 1.24(µm)/E(eV)

开路电压V

oc

的考虑：

kT

q ln(I I s

最大短路电流。I

s

是二极管反向饱和电流，其满足：

I s= Aq(D n/L n N A+D p/L p N D)n i

填充因子FF的考虑：

的在理想情况下，填充因子FF仅是开路电压V

oc

U-ln(U+0.72)

U oc+1

2、影响太阳能电池转换效率的一些因素

理论值，这些理论值都是在理想情况下得到的。而太阳能电池在光电能量转换过程中，