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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、 结构及其特性分析。
一、太阳能电池的结构和基本工作原理
下图示意地画出了单晶硅ｐｎ结太阳能电池的结构， 其包含上部电极，无反射薄膜覆盖层，ｎ型半导体，ｐ型半 导体以及下部电极和基板。
当有适当波长的光照射到这个ｐｎ结太阳 能电池上后，由于光伏效应而在势垒区两边 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 件赖以工作的最重要的物理效应。因此，我 们将来仔细分析一下ｐｎ结的光伏效应。
设入射光垂直ｐｎ结面。如果结较浅，光 子 将 进 入 ｐｎ 结 区 ， 甚 至 更 深 入 到 半 导 体 内 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 数载流子浓度一般改变较小，而少数载流子 浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数 载流子的运动。 无光照 光照激发
由于ｐｎ结势垒区内存在较强的内建电场（自ｎ区指向 ｐ区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相 反方向运动：ｐ区的电子穿过ｐ－ｎ结进入ｎ区；ｎ区的空穴进 入ｐ区，使ｐ端电势升高，ｎ端电势降低，于是在ｐ－ｎ结两端 形成了光生电动势，这就是ｐ－ｎ结的光生伏特效应。由于光 照在ｐ－ｎ结两端产生光生电动势，相当于在ｐ－ｎ结两端加正 向电压 Ｖ，使势垒降低为ｑＶＤ－ｑＶ，产生正向电流ＩＦ．
在ｐｎ结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，ｐｎ结两端建立起稳定的电势差Ｖｏｃ，（ｐ区相对于ｎ区是正的）， 这就是光电池的开路电压。如将ｐｎ结与外电路接通，只要光照 不停止，就会有源源不断的电流通过电路，ｐ－ｎ结起了电源的 作用。这就是光电池的基本原理。
由上面分析可以看出，为使半导体光电器 件能产生光生电动势（或光生积累电荷），它们 应该满足以下两个条件： 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 于或等于半导体材料的带隙Ｅｇ ，使该入射光 子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电 子空穴对。
右图是一些材料的 吸收曲线。可以发现 ＧａＡｓ和非晶硅的吸收系 数比单晶硅大得多，透 入深度只有１ｍ左右，即 几乎全部吸收入射光。 所以这两种电池都可以 做成薄膜，节省材料。 而硅太阳能电池，对太 阳光谱中长波长的光， 要求较厚的硅片（约１００３００ ｍ ） 才 能 充 分 吸 收；对于短波长的光， 只在入射表面附近１ ｍ 区域内就已充分吸收 了。
２、具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒 区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子， 在ｐ区内积累了非平衡空穴，而在ｎ区内积累起非平衡电子。 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 和ｎ区间建立了光生电动势（或称光生电压）。
除了上述ｐｎ结能产生光生伏特效应外，金属－半导体形成的 肖特基势垒层等其它许多结构都能产生光生伏特效应。其电子 过程和ｐｎ结相类似，都是使适当波长的光照射材料后在半导体 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 电子和空穴向相反的方向漂移从而互相分离，在器件两端积累 产生光生电压。
通常的发电系统如火力发电，就是燃烧 石油或煤以其燃烧能来加热水，使之变成蒸 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 则是利用水的落差能使发电机旋转而发电。 太阳能电池发电的原理是全新的，与传 统方法是完全不同，既没有马达旋转部分，也 不会排出气体，是清洁无污染的发电方式。 太阳能电池的结构
ｐａｇｅ １
单晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。 单晶硅太 阳能电池通常是 以ｐ型Ｓｉ为衬底， 扩散ｎ型杂质，形 成 如 图 （ａ） 所 示 结 构。为取出电 流，ｐ型衬底的整 个下表面涂银并 烧结，以形成银 电极，接通两电 极即能得到电 流。
玻璃衬底非晶硅太阳能电池的 典型结构如图所示。 玻璃衬底非 晶硅太阳能电池是 先在玻璃衬底上淀 积透明导电薄膜， 然后依次用等离子 体反应沉积ｐ型、Ｉ 型和ｎ型三层ａ－Ｓｉ， 接着再蒸涂金属电 极铝，电池电流从 透明导电薄膜和电 极铝引出。
不锈钢衬底非晶硅太阳能电池 的典型结构如图所示。 不锈钢衬底型太阳 能电池是在不锈钢 衬底上沉积ｐｉｎ非晶 硅层，其上再沉积 透明导电薄膜，最 后与单晶硅电池一 样制备梳状的银收 集电极。电池电流 从下面的不锈钢和 上面的梳状电极引 出。
二、太阳能电池的输出特性 １、光电池的电流电压特性
光电池工作时共有三股电流：光生电流ＩＬ，在光生电 压Ｖ作用下的ｐｎ结正向电流ＩＦ，流经外电路的电流Ｉ。ＩＬ和ＩＦ都 流经ｐｎ结内部，但方向相反。 光电流ＩＬ 结正向电流ＩＦ ｐ ｎ ＩＦ＝Ｉｓ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１］ Ｉ 其中：Ｖ是光生电压，Ｉｓ是 反向饱和电流。 根据ｐ－ｎ结整流方 程，在正向偏压下，通过 结的正向电流为： 负载
设用一定强度的光照射光电池，因存在吸收，光强度 随着光透入的深度按指数律下降。因而光生载流子产生率也 随光照深入而减少，即产生率Ｑ是ｘ函数。为了简便起见， 用＜Ｑ＞表示在结的扩散长度（Ｌｐ＋Ｌｎ）内非平衡载流子的平 均产生率，并设扩散长度Ｌｐ内的空穴和Ｌｎ内的电子都能扩 散到ｐ－ｎ结面而进入另一边，这样光生电流ＩＬ应该是： ＩＬ ＝ ｑ＜Ｑ＞Ａ（Ｌｐ＋Ｌｎ）
其中：Ａ是ｐ－ｎ结面积，ｑ为电子电量。光生电 流ＩＬ从ｎ区流向ｐ区，与ＩＦ反向。 如光电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流应 该是： Ｉ ＝ ＩＦ－ＩＬ ＝ Ｉｓ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１］－ＩＬ 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 是无光照和有光 照时的光电池的 伏安特性曲线。 ２、描述太阳能电池的参数
不论是一般的化学电池还是太阳能电池，其输出特性 一般都是用如下图所示的电流－电压曲线来表示。由光电池 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。
１、开路电压Ｖｏｃ 在ｐ－ｎ结开路情况下（Ｒ＝∞），此时ｐｎ结两端的电 压即为开路电压Ｖｏｃ。 这时，Ｉ＝０，即：ＩＬ＝ＩＦ。将Ｉ＝０代入光电池的电流 电压方程，得开路电压为： ｋＴ ｌｎ（ ＩＬ Ｖｏｃ＝ ｑ Ｉｓ ＋１） ２、短路电流Ｉｓｃ 如将ｐｎ结短路（Ｖ＝０），因而ＩＦ＝０，这时所得的 电流为短路电流Ｉｓｃ。显然，短路电流等于光生电流， 即： Ｉｓｃ ＝ ＩＬ ３、填充因子ＦＦ 在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该 点所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最 佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Ｖｏｐ和最 佳工作电流Ｉｏｐ。 ＶｏｐＩｏｐ Ｐ ＝ ｍａｘ 填充因子定义为： ＦＦ ＝ ＶｏｃＩｓｃ ＶｏｃＩｓｃ 它表示了最大输出功率点 所对应的矩形面积在Ｖｏｃ 和Ｉｓｃ所组成的矩形面积中 所占的百分比。特性好的 太阳能电池就是能获得较 大功率输出的太阳能电 池，也就是Ｖｏｃ ，Ｉｓｃ 和ＦＦ 乘积较大的电池。对于有 合适效率的电池，该值应 在０．７０－０．８５范围之内。
４、太阳能电池的能量转化效率η 表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。 即： η ＝（太阳能电池的输出功率／入射的太阳光功率）ｘ１００％ ＝ （Ｖｏｐ ｘ Ｉｏｐ／Ｐｉｎ ｘ Ｓ）Ｘ１００％ ＶｏｃＩｓｃＦＦ ＝ Ｐｉｎ Ｓ 其中Ｐｉｎ是入射光的能量密度，Ｓ为太阳能电池的面积， 当Ｓ是整个太阳能电池面积时，η称为实际转换效率，当 Ｓ是指电池中的有效发电面积时，η叫本征转换效率。 三、太阳能电池的等效电路
等效电路是描述太阳能电池的最一般方法。 １、理想ｐｎ结太阳能电池的等效电路
ｐａｇｅ ２
理想ｐｎ结太阳能电池可以 用一恒定电流源Ｉｐｈ （光生电 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 ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１］－Ｉ Ｉ ＝ Ｉ －Ｉ Ｆ Ｌ ｓ 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Ｒｓ和Ｒｓｈ的影响。其中， Ｒｓ 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。 Ｒｓｈ 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。
根据前面所示的等效电路，考虑到串联电阻Ｒｓ和旁路 电阻Ｒｓｈ的影响。可以得到通过负载的电流电压关系为： Ｉ ＝ ＩＬ－Ｉｓ｛ｅｘｐ［ｑ（Ｖ＋ＩＲｓ）／ｋＴ］－１｝－（Ｖ＋ＩＲｓ）／Ｒｓｈ 上式是表示太阳能电池特性的一般公式，叫做超越 方程式。 Ｒｓ值变大会影响电池伏安特性曲线偏离理想曲线， 使ＦＦ变小，Ｉｓｃ下降，因而效率也下降；而旁路电阻Ｒｓｈ变 小，说明无光照时ｐｎ结反向漏电流变大，造成Ｖｏｃ下降， ＦＦ变小，因而效率下降。
下面我们来分析一下串联电阻Ｒｓ和漏电电阻Ｒｓｈ对光电池 效率的影响。 根据图示的电 路，对同一个太阳 能电池，当入射光 强 度 较 弱 时 ， ＩＬ 较 小，二极管电流和 漏电流大小相差不 多，此时，Ｒｓｈ 的影 响较大。 Ｉ ＝ ＩＬ－Ｉｓ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１］－Ｖ／Ｒｓｈ
漏电电阻 对光电池输出特 性的影响可用右 图表示。可以看 出 ， 漏 电 电 阻 Ｒｓｈ 对光电流的影响 较小，而对开路 电压的影响较 大。
入射光功率一定（１００ ｍＷ／ｃｍ２），并假 设Ｖｏｃ＝０．５１Ｖ，Ｊｓｃ ＝ ３０ ｍＡ／ｃｍ２，Ｒｓ＝０。 当光照较强时，二 极管电流远大于漏电 电流，此时，Ｒｓｈ 对光 电池的影响较小，而 相反的，Ｒｓ的影响就变 大起来。 Ｉ ＝ ＩＬ－Ｉｓ｛ｅｘｐ［ｑ（Ｖ＋ＲｓＩ）／ｋＴ］－１｝ 右图给出了Ｒｓ对光电池 输出特性的影响。可以看 出光电池的输出特性随着 Ｒｓ有着较大的变化，并且 Ｒｓ对开路电压的影响几乎 没有，但对短路电流却有 很大的影响。 入射光功率一定（１００ ｍＷ／ｃｍ２），并假设 Ｖｏｃ＝０．５１Ｖ，Ｊｓｃ ＝ ３０ ｍＡ／ｃｍ２，Ｒｓｈ＝∞。
由前面分析可知，当漏电电阻Ｒｓｈ 降到１００ 欧姆以下时，对光电池的影响就不可忽略 了。对于１ｃｍ２ 的硅电池，只要Ｒｓｈ 大于５００欧 姆，砷化镓电池Ｒｓｈ 大于１０００欧姆时，对输出 特性的影响就不重要了。另一方面，当总串 联电阻Ｒｓ增加到５欧姆时，电池的转换效率就 要下降３０％，可见Ｒｓ的影响较大。最近对于硅 电池，要求实用化的产品的Ｒｓ 要在０．５欧姆以 下。
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＝ ＶｏｃＩｓｃＦＦ Ｐｉｎ Ｓ
当入射太阳光谱ＡＭ０或ＡＭ１．５确定以后，其值就 取决于开路电压Ｖｏｃ、短路电流Ｉｓｃ和填充因子ＦＦ的最 大值。
下面我们就来分别考虑开路电压Ｖｏｃ、短路电 流Ｉｓｃ和填充因子ＦＦ的最大值。 短路电流Ｉｓｃ的考虑：
我们假设在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳 能电池没有贡献，其中长波限满足： λｍａｘ ＝ １．２４（ｍ）／Ｅｇ（ｅＶ） 而其余部分的光子，因其能量ｈν大于材料的禁带宽度 Ｅｇ，被材料吸收而激发电子－空穴对。假设其量子产额为 １，而且被激发出的光生少子在最理想的情况下，百分之 百地被收集起来。在上述理想的假设下，最大短路电流 值显然仅与材料带隙Ｅｇ有关，其计算结果如图所示。 在 ＡＭＯ和ＡＭ１．５光照射下的最大短路电流值。 开路电压Ｖｏｃ的考虑：
开路电压Ｖｏｃ的最大值，在理想情况下有下式决定： Ｖｏｃ ＝ ＩＬ ｋＴ ｑ ｌｎ（ Ｉｓ ＋１）
式中ＩＬ是光生电流，在理想情况即为上图所对应的 最大短路电流。 Ｉｓ是二极管反向饱和电流，其满足： Ｉｓ ＝ Ａｑ（Ｄｎ／ＬｎＮＡ＋Ｄｐ／ＬｐＮＤ）ｎｉ２ ｎｉ２＝ ＮｃＮｖｅｘｐ（－Ｅｇ／ｋＴ） 显
ｐａｇｅ ３
然， Ｉｓ取决于Ｅｇ、Ｌｎ、Ｌｐ、ＮＡ、ＮＤ和绝对温度Ｔ的大 小，同时也与光电池结构有关。为了提高Ｖｏｃ，常常采用 Ｅｇ 大，少子寿命长及低电阻率（例如对硅单晶片选用０．２欧姆 厘米）的材料，代入合适的半导体参数的数值，给出硅的最 大Ｖｏｃ值约７００ｍＶ左右。
填充因子ＦＦ的考虑：
在理想情况下，填充因子ＦＦ仅是开路电压Ｖｏｃ的 函数，可用以下经验公式表示： Ｕｏｃ－ｌｎ（Ｕｏｃ＋０．７２） ＦＦ ＝ Ｕｏｃ＋１ Ｕｏｃ ＝ Ｖｏｃ（ｋＴ／ｑ）１／２ 这样，当开路电压Ｖｏｃ的最大值确定后，就可计 算得到ＦＦ的最大值。
综合上述结果，可得到作为带隙Ｅｇ的函数的最大转 换效率，其结果示于下图中。
对于单晶硅太阳能电池，理论上限是 ２７％ ， 目 前 研 究 得 到 的 最大 值 为 ２４％ 左 右 。 ＧａＡｓ 太 阳 能 电 池 的 转 换 效 率 的 理 论 上 限 为 ２８．５％，现在获得的最大值是２４．７％。如何进一 步提高太阳能电池的转换效率是当前的研究课 题，这也就是所谓的高效率化技术的开发。
２、影响太阳能电池转换效率的一些因素 我们前面介绍了太阳能电池转换效率的 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， 由于存在各种附加的能量损失，实际效率比 上述的理论极限效率低。下面以ｐｎ结硅电池 为例，介绍一些影响太阳能电池转换效率的 因素。 光生电流的光学损失：
太阳能电池的效率损失中，有三种是属于光学损 失，其主要影响是降低了光生电流值。 反射损失：从空气（或真 空）垂直入射到半导体材料 的光的反射。以硅为例，在 感兴趣的太阳光谱中，超过 ３０％的光能被裸露的硅表面 发射掉了。 栅指电极遮光损失ｃ：定义 为栅指电极遮光面积在太 阳能总面积中所占的百分 比（见下图）。对一般电 池来说，ｃ约为４％－１５％。
透射损失：如果电池厚 度不足够大，某些能量 合适能被吸收的光子可 能从电池背面穿出。这 决定了半导体材料之最 小厚度。间接带隙半导 体要求材料的厚度比直 接带隙的厚。如图为对 硅和砷化镓的计算结 果。
光生少子的收集几率： 在太阳能电池内，由于存在少子的复合， 所产生的每一个光生少数载流子不可能百分之 百地被收集起来。定义光激发少子中对太阳能 电池的短路电流有贡献的百分数为收集几率。 该参数决定于电池内个区域的复合机理，也与 电池结构与空间位置有关。 影响开路电压的实际因素：
决定开路电压Ｖｏｃ 大小的主要物理过程是半导体的复 合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短， Ｖｏｃ也就越 低。体复合和表面复合都是重要的。 在ｐ－Ｓｉ衬底中，影响非平衡少子总复合率的三种复合 机理是：复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合。总复 合率主要取决三种复合中复合率最大的一个。例如：对于 高质量的硅单晶，当掺杂浓度高于 １０１７ｃｍ－３时，则俄歇复 合产生影响，使少子寿命降低。 通常，电池表面还存在表面复合，表面复合也会降 低Ｖｏｃ值。
（复合中心复合、俄歇复合、直接辐射复合和表面复合？） 辐照效应：
应用在卫星上的太阳能电池受到太空中高能离子 辐射，体内产生缺陷，使电池输出功率逐渐下降，可能 影响其使用寿命。 辐照产生的缺陷，相当于复合中心。辐照后增大 了电池内部的少子复合率τ－１，即有： τ－１ ＝ τ０－１＋Ｋ’ 式中τ０是辐照前的寿命， Ｋ’是常数， 是辐照通量。因 为扩散长度等于（Ｄ τ）１／２，故上式可写成： Ｌ－２ ＝ Ｌ０－２＋Ｋ
对太阳能电池的研究表明，ｎ＋ｐ电池 Ｋ＝１．７ｘ１０－１０ ，而ｐ＋ｎ电池Ｋ＝１．２２ｘ１０－８ ，前者 比后者抗辐射能力大得多。为了改善辐射 容量，可将锂掺入太阳能电池中。Ｌｉ可扩 散到辐射感生点缺陷中，并与之结合起 来，阻止寿命减退。太空应用的太阳能电 池，一般都覆盖一块掺铈薄玻片，减少进 入电池的高能粒子。 １
１本文由ｚｆｍｆｎｓ０６４６贡献 本文由ｚｈａｏ１６８３２５贡献
ｐａｇｅ ４
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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、 结构及其特性分析。
一、太阳能电池的结构和基本工作原理
下图示意地画出了单晶硅ｐｎ结太阳能电池的结构， 其包含上部电极，无反射薄膜覆盖层，ｎ型半导体，ｐ型半 导体以及下部电极和基板。
当有适当波长的光照射到这个ｐｎ结太阳 能电池上后，由于光伏效应而在势垒区两边 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 件赖以工作的最重要的物理效应。因此，我 们将来仔细分析一下ｐｎ结的光伏效应。
设入射光垂直ｐｎ结面。如果结较浅，光 子 将 进 入 ｐｎ 结 区 ， 甚 至 更 深 入 到 半 导 体 内 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 数载流子浓度一般改变较小，而少数载流子 浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数 载流子的运动。 无光照 光照激发
由于ｐｎ结势垒区内存在较强的内建电场（自ｎ区指向 ｐ区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相 反方向运动：ｐ区的电子穿过ｐ－ｎ结进入ｎ区；ｎ区的空穴进 入ｐ区，使ｐ端电势升高，ｎ端电势降低，于是在ｐ－ｎ结两端 形成了光生电动势，这就是ｐ－ｎ结的光生伏特效应。由于光 照在ｐ－ｎ结两端产生光生电动势，相当于在ｐ－ｎ结两端加正 向电压 Ｖ，使势垒降低为ｑＶＤ－ｑＶ，产生正向电流ＩＦ．
在ｐｎ结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，ｐｎ结两端建立起稳定的电势差Ｖｏｃ，（ｐ区相对于ｎ区是正的）， 这就是光电池的开路电压。如将ｐｎ结与外电路接通，只要光照 不停止，就会有源源不断的电流通过电路，ｐ－ｎ结起了电源的 作用。这就是光电池的基本原理。
由上面分析可以看出，为使半导体光电器 件能产生光生电动势（或光生积累电荷），它们 应该满足以下两个条件： 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 于或等于半导体材料的带隙Ｅｇ ，使该入射光 子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电 子空穴对。
右图是一些材料的 吸收曲线。可以发现 ＧａＡｓ和非晶硅的吸收系 数比单晶硅大得多，透 入深度只有１ｍ左右，即 几乎全部吸收入射光。 所以这两种电池都可以 做成薄膜，节省材料。 而硅太阳能电池，对太 阳光谱中长波长的光， 要求较厚的硅片（约１００３００ ｍ ） 才 能 充 分 吸 收；对于短波长的光， 只在入射表面附近１ ｍ 区域内就已充分吸收 了。
２、具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒 区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子， 在ｐ区内积累了非平衡空穴，而在ｎ区内积累起非平衡电子。 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 和ｎ区间建立了光生电动势（或称光生电压）。
除了上述ｐｎ结能产生光生伏特效应外，金属－半导体形成的 肖特基势垒层等其它许多结构都能产生光生伏特效应。其电子 过程和ｐｎ结相类似，都是使适当波长的光照射材料后在半导体 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 电子和空穴向相反的方向漂移从而互相分离，在器件两端积累 产生光生电压。
通常的发电系统如火力发电，就是燃烧 石油或煤以其燃烧能来加热水，使之变成蒸 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 则是利用水的落差能使发电机旋转而发电。 太阳能电池发电的原理是全新的，与传 统方法是完全不同，既没有马达旋转部分，也 不会排出气体，是清洁无污染的发电方式。 太阳能电池的结构
单晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。 单晶硅太 阳能电池通常是 以ｐ型Ｓｉ为衬底， 扩散ｎ型杂质，形 成 如 图 （ａ） 所 示 结 构。为取出电 流，ｐ型衬底的整
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个下表面涂银并 烧结，以形成银 电极，接通两电 极即能得到电 流。
玻璃衬底非晶硅太阳能电池的 典型结构如图所示。 玻璃衬底非 晶硅太阳能电池是 先在玻璃衬底上淀 积透明导电薄膜， 然后依次用等离子 体反应沉积ｐ型、Ｉ 型和ｎ型三层ａ－Ｓｉ， 接着再蒸涂金属电 极铝，电池电流从 透明导电薄膜和电 极铝引出。
不锈钢衬底非晶硅太阳能电池 的典型结构如图所示。 不锈钢衬底型太阳 能电池是在不锈钢 衬底上沉积ｐｉｎ非晶 硅层，其上再沉积 透明导电薄膜，最 后与单晶硅电池一 样制备梳状的银收 集电极。电池电流 从下面的不锈钢和 上面的梳状电极引 出。
二、太阳能电池的输出特性 １、光电池的电流电压特性
光电池工作时共有三股电流：光生电流ＩＬ，在光生电 压Ｖ作用下的ｐｎ结正向电流ＩＦ，流经外电路的电流Ｉ。ＩＬ和ＩＦ都 流经ｐｎ结内部，但方向相反。 光电流ＩＬ 结正向电流ＩＦ ｐ ｎ ＩＦ＝Ｉｓ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１］ Ｉ 其中：Ｖ是光生电压，Ｉｓ是 反向饱和电流。 根据ｐ－ｎ结整流方 程，在正向偏压下，通过 结的正向电流为： 负载
设用一定强度的光照射光电池，因存在吸收，光强度 随着光透入的深度按指数律下降。因而光生载流子产生率也 随光照深入而减少，即产生率Ｑ是ｘ函数。为了简便起见， 用＜Ｑ＞表示在结的扩散长度（Ｌｐ＋Ｌｎ）内非平衡载流子的平 均产生率，并设扩散长度Ｌｐ内的空穴和Ｌｎ内的电子都能扩 散到ｐ－ｎ结面而进入另一边，这样光生电流ＩＬ应该是： ＩＬ ＝ ｑ＜Ｑ＞Ａ（Ｌｐ＋Ｌｎ）
其中：Ａ是ｐ－ｎ结面积，ｑ为电子电量。光生电 流ＩＬ从ｎ区流向ｐ区，与ＩＦ反向。 如光电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流应 该是： Ｉ ＝ ＩＦ－ＩＬ ＝ Ｉｓ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１］－ＩＬ 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 是无光照和有光 照时的光电池的 伏安特性曲线。 ２、描述太阳能电池的参数
不论是一般的化学电池还是太阳能电池，其输出特性 一般都是用如下图所示的电流－电压曲线来表示。由光电池 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。
１、开路电压Ｖｏｃ 在ｐ－ｎ结开路情况下（Ｒ＝∞），此时ｐｎ结两端的电 压即为开路电压Ｖｏｃ。 这时，Ｉ＝０，即：ＩＬ＝ＩＦ。将Ｉ＝０代入光电池的电流 电压方程，得开路电压为： ｋＴ ｌｎ（ ＩＬ Ｖｏｃ＝ ｑ Ｉｓ ＋１） ２、短路电流Ｉｓｃ 如将ｐｎ结短路（Ｖ＝０），因而ＩＦ＝０，这时所得的 电流为短路电流Ｉｓｃ。显然，短路电流等于光生电流， 即： Ｉｓｃ ＝ ＩＬ ３、填充因子ＦＦ 在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该 点所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最 佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Ｖｏｐ和最 佳工作电流Ｉｏｐ。 ＶｏｐＩｏｐ Ｐ ＝ ｍａｘ 填充因子定义为： ＦＦ ＝ ＶｏｃＩｓｃ ＶｏｃＩｓｃ 它表示了最大输出功率点 所对应的矩形面积在Ｖｏｃ 和Ｉｓｃ所组成的矩形面积中 所占的百分比。特性好的 太阳能电池就是能获得较 大功率输出的太阳能电 池，也就是Ｖｏｃ ，Ｉｓｃ 和ＦＦ 乘积较大的电池。对于有 合适效率的电池，该值应 在０．７０－０．８５范围之内。
４、太阳能电池的能量转化效率η 表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。 即： η ＝（太阳能电池的输出功率／入射的太阳光功率）ｘ１００％ ＝ （Ｖｏｐ ｘ Ｉｏｐ／Ｐｉｎ ｘ Ｓ）Ｘ１００％ ＶｏｃＩｓｃＦＦ ＝ Ｐｉｎ Ｓ 其中Ｐｉｎ是入射光的能量密度，Ｓ为太阳能电池的面积， 当Ｓ是整个太阳能电池面积时，η称为实际转换效率，当 Ｓ是指电池中的有效发电面积时，η叫本征转换效率。 三、太阳能电池的等效电路
等效电路是描述太阳能电池的最一般方法。 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 用一恒定电流源Ｉｐｈ （光生电 流）及一理想二极管的
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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 ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１］－Ｉ Ｉ ＝ Ｉ －Ｉ Ｆ Ｌ ｓ 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Ｒｓ和Ｒｓｈ的影响。其中， Ｒｓ 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。 Ｒｓｈ 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。
根据前面所示的等效电路，考虑到串联电阻Ｒｓ和旁路 电阻Ｒｓｈ的影响。可以得到通过负载的电流电压关系为： Ｉ ＝ ＩＬ－Ｉｓ｛ｅｘｐ［ｑ（Ｖ＋ＩＲｓ）／ｋＴ］－１｝－（Ｖ＋ＩＲｓ）／Ｒｓｈ 上式是表示太阳能电池特性的一般公式，叫做超越 方程式。 Ｒｓ值变大会影响电池伏安特性曲线偏离理想曲线， 使ＦＦ变小，Ｉｓｃ下降，因而效率也下降；而旁路电阻Ｒｓｈ变 小，说明无光照时ｐｎ结反向漏电流变大，造成Ｖｏｃ下降， ＦＦ变小，因而效率下降。
下面我们来分析一下串联电阻Ｒｓ和漏电电阻Ｒｓｈ对光电池 效率的影响。 根据图示的电 路，对同一个太阳 能电池，当入射光 强 度 较 弱 时 ， ＩＬ 较 小，二极管电流和 漏电流大小相差不 多，此时，Ｒｓｈ 的影 响较大。 Ｉ ＝ ＩＬ－Ｉｓ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）－１］－Ｖ／Ｒｓｈ
漏电电阻 对光电池输出特 性的影响可用右 图表示。可以看 出 ， 漏 电 电 阻 Ｒｓｈ 对光电流的影响 较小，而对开路 电压的影响较 大。
入射光功率一定（１００ ｍＷ／ｃｍ２），并假 设Ｖｏｃ＝０．５１Ｖ，Ｊｓｃ ＝ ３０ ｍＡ／ｃｍ２，Ｒｓ＝０。 当光照较强时，二 极管电流远大于漏电 电流，此时，Ｒｓｈ 对光 电池的影响较小，而 相反的，Ｒｓ的影响就变 大起来。 Ｉ ＝ ＩＬ－Ｉｓ｛ｅｘｐ［ｑ（Ｖ＋ＲｓＩ）／ｋＴ］－１｝ 右图给出了Ｒｓ对光电池 输出特性的影响。可以看 出光电池的输出特性随着 Ｒｓ有着较大的变化，并且 Ｒｓ对开路电压的影响几乎 没有，但对短路电流却有 很大的影响。 入射光功率一定（１００ ｍＷ／ｃｍ２），并假设 Ｖｏｃ＝０．５１Ｖ，Ｊｓｃ ＝ ３０ ｍＡ／ｃｍ２，Ｒｓｈ＝∞。
由前面分析可知，当漏电电阻Ｒｓｈ 降到１００ 欧姆以下时，对光电池的影响就不可忽略 了。对于１ｃｍ２ 的硅电池，只要Ｒｓｈ 大于５００欧 姆，砷化镓电池Ｒｓｈ 大于１０００欧姆时，对输出 特性的影响就不重要了。另一方面，当总串 联电阻Ｒｓ增加到５欧姆时，电池的转换效率就 要下降３０％，可见Ｒｓ的影响较大。最近对于硅 电池，要求实用化的产品的Ｒｓ 要在０．５欧姆以 下。
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＝ ＶｏｃＩｓｃＦＦ Ｐｉｎ Ｓ
当入射太阳光谱ＡＭ０或ＡＭ１．５确定以后，其值就 取决于开路电压Ｖｏｃ、短路电流Ｉｓｃ和填充因子ＦＦ的最 大值。
下面我们就来分别考虑开路电压Ｖｏｃ、短路电 流Ｉｓｃ和填充因子ＦＦ的最大值。 短路电流Ｉｓｃ的考虑：
我们假设在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳 能电池没有贡献，其中长波限满足： λｍａｘ ＝ １．２４（ｍ）／Ｅｇ（ｅＶ） 而其余部分的光子，因其能量ｈν大于材料的禁带宽度 Ｅｇ，被材料吸收而激发电子－空穴对。假设其量子产额为 １，而且被激发出的光生少子在最理想的情况下，百分之 百地被收集起来。在上述理想的假设下，最大短路电流 值显然仅与材料带隙Ｅｇ有关，其计算结果如图所示。 在 ＡＭＯ和ＡＭ１．５光照射下的最大短路电流值。 开路电压Ｖｏｃ的考虑：
开路电压Ｖｏｃ的最大值，在理想情况下有下式决定： Ｖｏｃ ＝ ＩＬ ｋＴ ｑ ｌｎ（ Ｉｓ ＋１）
式中ＩＬ是光生电流，在理想情况即为上图所对应的 最大短路电流。 Ｉｓ是二极管反向饱和电流，其满足： Ｉｓ ＝ Ａｑ（Ｄｎ／ＬｎＮＡ＋Ｄｐ／ＬｐＮＤ）ｎｉ２ ｎｉ２＝ ＮｃＮｖｅｘｐ（－Ｅｇ／ｋＴ） 显然， Ｉｓ取决于Ｅｇ、Ｌｎ、Ｌｐ、ＮＡ、ＮＤ和绝对温度Ｔ的大 小，同时也与光电池结构有关。为了提高Ｖｏｃ，常常采用 Ｅｇ 大，少子寿命长及低电阻率（例如对硅单晶片选用０．２欧
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姆 厘米）的材料，代入合适的半导体参数的数值，给出硅的最 大Ｖｏｃ值约７００ｍＶ左右。
填充因子ＦＦ的考虑：
在理想情况下，填充因子ＦＦ仅是开路电压Ｖｏｃ的 函数，可用以下经验公式表示： Ｕｏｃ－ｌｎ（Ｕｏｃ＋０．７２） ＦＦ ＝ Ｕｏｃ＋１ Ｕｏｃ ＝ Ｖｏｃ（ｋＴ／ｑ）１／２ 这样，当开路电压Ｖｏｃ的最大值确定后，就可计 算得到ＦＦ的最大值。
综合上述结果，可得到作为带隙Ｅｇ的函数的最大转 换效率，其结果示于下图中。
对于单晶硅太阳能电池，理论上限是 ２７％ ， 目 前 研 究 得 到 的 最大 值 为 ２４％ 左 右 。 ＧａＡｓ 太 阳 能 电 池 的 转 换 效 率 的 理 论 上 限 为 ２８．５％，现在获得的最大值是２４．７％。如何进一 步提高太阳能电池的转换效率是当前的研究课 题，这也就是所谓的高效率化技术的开发。
２、影响太阳能电池转换效率的一些因素 我们前面介绍了太阳能电池转换效率的 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， 由于存在各种附加的能量损失，实际效率比 上述的理论极限效率低。下面以ｐｎ结硅电池 为例，介绍一些影响太阳能电池转换效率的 因素。 光生电流的光学损失：
太阳能电池的效率损失中，有三种是属于光学损 失，其主要影响是降低了光生电流值。 反射损失：从空气（或真 空）垂直入射到半导体材料 的光的反射。以硅为例，在 感兴趣的太阳光谱中，超过 ３０％的光能被裸露的硅表面 发射掉了。 栅指电极遮光损失ｃ：定义 为栅指电极遮光面积在太 阳能总面积中所占的百分 比（见下图）。对一般电 池来说，ｃ约为４％－１５％。
透射损失：如果电池厚 度不足够大，某些能量 合适能被吸收的光子可 能从电池背面穿出。这 决定了半导体材料之最 小厚度。间接带隙半导 体要求材料的厚度比直 接带隙的厚。如图为对 硅和砷化镓的计算结 果。
光生少子的收集几率： 在太阳能电池内，由于存在少子的复合， 所产生的每一个光生少数载流子不可能百分之 百地被收集起来。定义光激发少子中对太阳能 电池的短路电流有贡献的百分数为收集几率。 该参数决定于电池内个区域的复合机理，也与 电池结构与空间位置有关。 影响开路电压的实际因素：
决定开路电压Ｖｏｃ 大小的主要物理过程是半导体的复 合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短， Ｖｏｃ也就越 低。体复合和表面复合都是重要的。 在ｐ－Ｓｉ衬底中，影响非平衡少子总复合率的三种复合 机理是：复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合。总复 合率主要取决三种复合中复合率最大的一个。例如：对于 高质量的硅单晶，当掺杂浓度高于 １０１７ｃｍ－３时，则俄歇复 合产生影响，使少子寿命降低。 通常，电池表面还存在表面复合，表面复合也会降 低Ｖｏｃ值。
（复合中心复合、俄歇复合、直接辐射复合和表面复合？） 辐照效应：
应用在卫星上的太阳能电池受到太空中高能离子 辐射，体内产生缺陷，使电池输出功率逐渐下降，可能 影响其使用寿命。 辐照产生的缺陷，相当于复合中心。辐照后增大 了电池内部的少子复合率τ－１，即有： τ－１ ＝ τ０－１＋Ｋ’ 式中τ０是辐照前的寿命， Ｋ’是常数， 是辐照通量。因 为扩散长度等于（Ｄ τ）１／２，故上式可写成： Ｌ－２ ＝ Ｌ０－２＋Ｋ
对太阳能电池的研究表明，ｎ＋ｐ电池 Ｋ＝１．７ｘ１０－１０ ，而ｐ＋ｎ电池Ｋ＝１．２２ｘ１０－８ ，前者 比后者抗辐射能力大得多。为了改善辐射 容量，可将锂掺入太阳能电池中。Ｌｉ可扩 散到辐射感生点缺陷中，并与之结合起 来，阻止寿命减退。太空应用的太阳能电 池，一般都覆盖一块掺铈薄玻片，减少进 入电池的高能粒子。 １１
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