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1、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pn 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
2、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pn 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，对太阳能电池的图2光生伏打效应原理图基
3、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
4、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pn 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
5、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
6、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，RL 为电池的外负载电阻。当RL=0 时，所测的电流为电池的短路电流。所谓短路电流Isc，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 的电流表接在太阳能电池的两端。Isc 值与太阳能电池的面积大小有关，面积越大，Isc 值越大。一般来说，1 cm2 硅太阳能电池的Isc
7、值约1630 mA。同一块太阳能电池，其Isc 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，Isc 值约上升78 A。当RL 时，所测得的电压为电池的开路电压。所谓开路电压Uoc，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450600 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
8、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，Uoc 值约下降23 mV。ID （二极管电流）为通过p-n 结的总扩散电流，其方向与Isc 相反。Rs 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。Rsh 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Rs 很小，而并联电阻Rsh 很大。由于Rs 和Rsh 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IL 为：IL=Isc-ID理想的p-n 结特性曲线方程为：IL=Isc-ID(e qUAKT-1)式中
9、ID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IL=0 时，电压U流；该点的功率，则称为最大功率Pm。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WP 表示。（
10、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=UmpImpUocIsc=PmaxUocIsc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
11、子随之也下降得越多。(a)串联电阻的影响 (b)并联电阻的影响图7 串、并联电阻对填充因子的影响曲线图4. 太阳能电池的光谱响应太阳光谱中，不同波长的光具有的能量是不同的，所含的光子的数目也是不同的。因此，太阳能电池接受光照射所产生的光子数目也就不同。为反映太阳能电池的这一特性，引入了光谱响应这一参量。太阳能电池在入射光中每一种波长的光的作用下，所收集到的光电流与相对于入射到电池表面的该波长光子数之比，称为太阳能电池的光谱响应，又称为光谱灵敏度。光谱响应有绝对光谱响应和相对光谱响应之分。绝对光谱响应是指某一波长下太阳能电池的短路电流除以入射光功率所得的商，其单位是mA/mW或mA/mWcm-2
12、。由于测量与每个波长单色光相对应的光谱灵敏度的绝对值较为困难，所以常把光谱响应曲线的最大值定为1，并求出其他灵敏度对这一最大值的相对值，这样得到的曲线则称为相对光谱响应曲线，即相对光谱响应。图8 为硅太阳能电池的相对光谱响应曲线。一般来说，硅太阳能电池对于波长小于约0.35 m 的紫外光和波长大于约1.15 m 的红外光没有反应，响应的峰值在0.80.9 m 范围内。由太阳能电池制造工艺和材料电阻率决定，电阻率较低时的光谱响应峰值约在0.9 m。在太阳能电池的光谱响应范围内，通常把波长较长的区域称为长波光谱响应或红光响应，把波长较短的区域称为短波光谱响应或蓝光响应。从本质上说，长波光谱响应主要
13、取决于基体中少子的寿命和扩散长度，短波光谱响应主要取决于少子在扩散层中的寿命和前表面复合速度。图8 硅太阳能电池的相对光普响应曲线图5. 太阳能电池的光电转换效率太阳能电池的光/ 电转换效率是指电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的入射光的功率Pin的比值，用符号表示，即：= ImpUmpPin= PmaxPin太阳能电池的光/ 电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构、结特性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。其中与制造电池半导体材料禁带宽度的关系最为直接。首先，禁带宽度直接影响最大光生电流即短路电流的大小。由于太阳光中光子能量有大有小，只有那些
14、能量比禁带宽度大的光子才能在半导体中产生光生电子空穴对，从而形成光生电流。所以，材料禁带宽度小，小于它的光子数量就多，获得的短路电流就大；反之，禁带宽度大，大于它的光子数量就少，获得的短路电流就小。但禁带宽度太小也不合适，因为能量大于禁带宽度的光子在激发出电子空穴对后剩余的能量转变为热能，从而降低了光子能量的利用率。其次，禁带宽度又直接影响开路电压的大小。开路电压的大小和p-n 结反向饱和电流的大小成反比。禁带宽度越大，反向饱和电流越小，开路电压越高。计算表明，在大气质量为AM1.5 的条件下测试，目前硅太阳能电池的理论光电转换效率的上限值为33左右；目前商品硅太阳能电池的光/ 电转换效率一般
15、为1215，高效硅太阳能电池的光/ 电转换效率可达1820。6. 温度对太阳能电池输出性能的影响温度的变化会显著改变太阳能电池的输出性能由半导体物理理论可知，载流子的扩散系数随温度的升高而稍有增大，因此，光生电流IL 也随温度的升高有所增加。但IO 随温度的升高是指数增大，因而UOC随温度的升高急剧下降。当温度升高时，I-U 曲线形态改变，填充因子下降，故光/ 电转换效率随温度的增加而下降。研究和试验表明，太阳能电池工作温度的升高会引起短路电流的少量增加，并引起开路电压发生严重降低。温度变化对于开路电压的影响之所以大，是因为开路电压直接同制造电池的半导体材料的禁带宽度有关，而禁带宽度会随温度的变化而发生改变。对于硅材料来说，禁带宽度随温度的变化率约为-0.003 eV/，从而导致的开路电压变化率约为-2 mV/。也就是说，电池的工作温度每升高1，开路电压约下降2 mV，大约是正常室温时的0.55 V 的0.4。随着温度的升高，电池的光电转换效率会下降。
