太阳能电池光电转换原理及技术改进详解

称为扩散运动。

当把P型半导体和N型半导体制作在一起时，在它们的交界面，两种载流子的浓度差很大，因而P区的空穴必然向N区扩散，与此同时，N区的自由电子也必然向P区扩散，如图示。由于扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的，称为空间电荷区，从而形成内建电场ε。

随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内建电场增强，其方向由N区指向P区，正好阻止扩散运动的进行。

漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动称为漂移运动。

当空间电荷区形成后，在内建电场作用下，少子产生飘移运动，空穴从N区向P区运动，而自由电子从P区向N区运动。在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结，如图示。此时，空间电荷区具有一定的宽度，电位差为ε =Uho，电流为零。

二、太阳能电池工作原理

1、光生伏打效应:

太阳能电池能量转换的基础是半导体PN结的光生伏打效应。如前所述，当光照射到半导体光伏器件上时，能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中，在N区、耗尽区和P区中激发出光生电子--空穴对。

耗尽区：光生电子--空穴对在耗尽区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被送进N区，光生空穴则被推进P区。根据耗尽近似条件，耗尽区边界处的载流子浓度近似为0，即p=n=0。

在N区中：光生电子--空穴对产生以后，光生空穴便向P-N结边界扩散，一旦到达P-N结边界，便立即受到内建电场作用，被电场力牵引作漂移运动，越过耗尽区进入P区，光生电子（多子）则被留在N区。

在P区中：的光生电子（少子）同样的先因为扩散、后因为漂移而进入N区，光生空穴（多子）留在P区。如此便在P-N结两侧形成了正、负电荷的积累，使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴。从而形成与内建电场方向相反的光生电场。

1.光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏打效应。当电池接上一负载后，光电流就从P区经负载流至N区，负载中即得到功率输出。2.如果将P-N结两端开路，可以测得这个电动势，称之为开路电压Uoc。对晶体硅电池来说，开路电压的典型值为0.5～0.6V。

3.如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称为短路电流Isc。
影响光电流的因素：

1.通过光照在界面层产生的电子-空穴对愈多，电流愈大。

2.界面层吸收的光能愈多，界面层即电池面积愈大，在太阳电池中形成的电流也愈大。

3.太阳能电池的N区、耗尽区和P区均能产生光生载流子；

4.各区中的光生载流子必须在复合之前越过耗尽区，才能对光电流有贡献，所以求解实际的光生电流必须考虑到各区中的产生和复合、扩散和漂移等各种因素。

太阳能电池等效电路、输出功率和填充因数

⑴ 等效电路

为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一个等效电路来模拟。

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是恒流源。

2.暗电流Ibk : 光电流一部分流经负载RL，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Ibk。3.这样，一个理想的PN同质结太阳能电池的等效电路就被绘制成如图所示。

4.串联电阻RS: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地要引入附加电阻。流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示。

5.并联电阻RSh:由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时在微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一个并联电阻RSh来等效。

当流进负载RL的电流为I，负载RL的端电压为U时，可得：

式中的P就是太阳能电池被照射时在负载RL上得到的输出功率。

⑵ 输出功率

当流进负载RL的电流为I，负载RL的端电压为U时，可得：

式中的P就是太阳能电池被照射时在负载RL上得到的输出功率。

当负载RL从0变到无穷大时，输出电压U则从0变到U0C，同时输出电流便从ISC变到0，由此即可画出太阳能电池的负载特性曲线。曲线上的任一点都称为工作点，工作点和原点的连线称为负载线，负载线的斜率的倒数即等于RL，与工作点对应的横、纵坐标即为工作电压和工作电流。

调节负载电阻RL到某一值Rm时，在曲线上得到一点M，对应的工作电流Im和工作电压Um之积