高效晶硅太阳电池的工作原理

1.工作原理 晶硅太阳电池工作原理实际上是半导体p-n结光电原理，或者说是二极管工作原理。晶硅太阳电池工作原理简单地说就是吸收阳光、生出电流。太阳电池吸收太阳光，在结区产生电子-空穴对，被内建电场分离，未被复合的电子被内建电场扫向正极，未被复合的空穴被内建电场扫向负极，产生电流。

晶硅太阳电池工作原理具体地说，就是将p型半导体和n型半导体结合在一起，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（耗尽区）。当太阳光照射p-n结时，能量大于硅禁带宽度的光子进入p-n结，根据耗尽近似条件，耗尽区边界处的载流子浓度近似为零，在n区光生电子-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的作用，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。同样，p区中的光生电子（少子）先因扩散，后因漂移而进入n区，光生空穴（多子）留在p区，从而使n区有过剩的电子，p区有过剩的空穴，于是在p-n结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。当接上负载构成回路后，光电流便从p区经负载流至n区，负载中得到功率输出。图3_-10示出晶硅太阳电池工作原理。下面分无光照、有光照开路、有光照短路、有光照接负载四种情况说明。

（1）无光照。如图3-10a所示，p-n结处于热平衡状态，有统一的费米能级，势垒高度为

qV_D＝E_Fn-E_Fp＝q（V_Fn+V_Fp） （3-37）

（2）有光照开路。如图3-10b所示，有稳定的光照，p-n结处于开路非平衡状态，光生载流子积累，出现光电压，使p_- n结处于正偏，费米能级发生分裂。因p_- n结处于开路状态（未接负载），故费米能级分裂的宽度等于qV_oc，剩余的结势垒高度为q（V_D-V_oc）。

图3-10 晶硅太阳电池工作原理

a）无光照射 b）有光照开路 c）有光照短路 d）有光照接负荷

（3）有光照短路。如图3-10c所示，有稳定的光照，p-n结处于短路状态，原来在p-n结两端积累的光生载流子通过外电路复合，光电压消失，势垒高度为qV_D，各区中的光生载流子被内建电场分离，源源不断地流进外电路，形成短路电流I_sc。

（4）有光照接负载。如图3-10d所示，有稳定的光照，有负载，一部分光电流在负载上建立电压V，另一部分光电流与p-n结在电压V的正向偏压下形成的正向电流抵消。费米能级分裂的宽度正好等于qV，这时剩余的结势垒高度为q（V_D-V）。

2.等效电路太阳电池等效电路见图3-11。

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图3-11 太阳电池等效电路

a）理想形式 b）实际形式

图3-11中，I_ph为光生电流。其值正比于太阳电池面积和入射光的辐照度。1cm²太阳电池的I_ph值均为16～30mA，环境温度的升高，I_ph值也会略有上升，一般说来每升高1℃，I_ph值上升78μA。

I_D为暗电流。无光照下的硅型太阳电池的基本行为特性就类似于一个普通二极管。所谓暗电流，指的是太阳电池在无光照时，由外电压作用下p-n结内流过的单向电流。它的大小反映出在当前环境温度下，太阳电池p-n结自身所能产生的总扩散电流变化情况。

I_L为太阳电池输出的负载电流。

V_oc为太阳电池的开路电压。开路电压与入射光辐照度的对数成正比，与环境温度成反比，与太阳电池面积的大小无关。温度每上升1℃，V_oc值约下降2～3mV。该值一般用高内阻的直流毫伏计测量。单晶硅太阳电池的开路电压一般为500mV，最高可达690mV。

R_L为太阳电池的外负载电阻。

R_s为串联电阻，一般小于1Ω。它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接触电阻和金属导体电阻等组成。

R_sh为旁路电阻，一般为几千欧姆。它主要由电池表面污浊和半导体晶体缺陷，引起的漏电流所对应的p-n结漏泄电阻和电池边缘的漏泄电阻等组成。

R_s和R_sh均为硅型太阳电池本身固有电阻，相当于太阳电池的内阻。一个理想的太阳电池，因串联的R_s很小、并联的R_sh很大，所以进行理想电路计算时，它们都可以忽略不计，致使理想的等效电路只相当于一个电流为I_ph的恒流源与一个二极管并联，如图3-11a所示。此外，硅型太阳电池等效电路还应含有由p-n结形成的结电容和其他分布电容，由于太阳电池是直流设备，通常没有高频交流分量，因此这些电容也可以忽略不计。