1、-2-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19-3-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-191839年法国实验物理学家亚利山大柏克勒尔(Alexander E.Becquerel 1820-1891）首次在稀释的酸液体中发现光伏效应,即观察到插在电解液中两电极间的电压随光照强度变化的现象。（Alexander E.Becquerel 是Henri A.Becquerel(1852-1908)的祖父。Henri A.Becquerel
2、由于发现放射性于 1903年与居里夫妇一起共同获得诺贝尔物理奖，他的名字被用作放射性的单位）1877 W.G.Adams和R.E.Day研究了硒(Se)的光伏效应；1883 美国发明家Charles Fritts 描述了第一片硒太阳电池的原理；1889？弗里兹(Charles Fritts)发明半导体硒太阳电池,光电转换效率仅为1%,主要用于光电探测等;1905 德国物理学家爱因斯坦（Albert Einstein）发表关于光电效应的论文；1918 波兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉法工艺；1921 德国物理学家爱因斯坦由于1904年提出的解释光电效应的理论获得诺贝尔（Nob
3、el）物理奖；-4-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-191930 B.Lang 研究氧化亚铜/铜(Cu/Cu2O)太阳电池，发表“新型光伏电池”论文；W.Schottky 发表“新型氧化亚铜(Cu2O)光电池”论文；1932 Audobert 和Stora发现硫化镉(CdS)的光伏现象；1933 L.O.Grondahl 发表“铜-氧化亚铜(Cu-Cu2O)整流器和光电池”论文；1949年W.Shockley,J.Bardeen,W.H.Brattain 发明晶体管,给出了p-n结物理解释,从此，半导体器件时
4、代开始；1951 生长p-n 结，实现制备单晶锗电池；1953 Wayne 州立大学Dan Trivich 博士完成基于太阳光谱的具有不同带隙宽度的各类材料光电转换效率的第一个理论计算；1954 RCA实验室的P.Rappaport等报道硫化镉(CdS)的光伏现象；(RCA:Radio Corporation of America,美国无线电公司)；-5-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-191954年美国贝尔(Bell)实验室研究人员D.M.Chapin，C.S.Fuller 和G.L.Pearson报道4.
5、5%效率的第一个实用的单晶硅p-n结太阳电池的发现，几个月后效率达到6%，几年后达到10%;1954年雷诺慈发现CdS具有光伏效应,1960年采用蒸镀法制得CdS太阳电池,效率为3.5%,1964年美国将效率提高4-6%,欧洲提高到9%;1955 西部电工(Western Electric)开始出售硅光伏技术商业专利；在亚利桑那大学召开国际太阳能会议，Hoffman电子推出效率为2%的商业太阳电池产品，电池为14毫瓦/片，25美元/片，相当于1785 USD/W；1956 P.Pappaport,J.J.Loferski 和E.G.Linder 发表“锗和硅p-n结电子电流效应”的文章；195
6、7 Hoffman电子的单晶硅电池效率达到8%；D.M.Chapin，C.S.Fuller和G.L.Pearson获得“太阳能转换器件”专利权；-6-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-191958 美国信号部队的T.Mandelkorn制成n/p型单晶硅光伏电池，这种电池抗辐射能力强，这对太空电池很重要；Hoffman电子的单晶硅电池效率达到9%；第一个光伏电池供电的卫星先锋1号发射，光伏电池100平方厘米，0.1 W，为一备用的5毫瓦的话筒供电；1958年开始,单晶硅太阳电池在人造卫星宇宙飞船航天飞机等空间飞
7、行器作为供电电源的应用,推动了太阳电池的发展,形成小型产业规模,单晶硅太阳电池市场价格1W-100 USD;1959 Hoffman电子实现可商业化单晶硅电池效率达到10%，并通过用网栅电极来显著减少光伏电池串联电阻；卫星探险家6号发射，共用9600片电池列阵，每片2平方厘米,共约20W；1960 Hoffman电子实现单晶硅电池效率达到14%；1962 第一个商业通讯卫星Telstar发射，所用的太阳电池功率14 W；1963 Sharp公司成功生产光伏电池组件；日本在一个灯塔安装242 W光伏电池列阵，在当时是世界最大的光伏电池列阵；1964宇宙飞船“光轮发射”，安装470 W的光伏列阵；
8、1965 Peter Glaser 和A.D.Little 提出卫星太阳能电站构思；-7-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-191966 带有1000 W光伏列阵大轨道天文观察站发射；1971年斯皮尔等人(W.E.Spear)采用辉光放电法分解硅烷(SiH4)制得氢化非晶硅薄膜(a-Si:H)，1975首次成功实现对a-Si:H的掺杂，获得n型和p型材料，为器件制造打下了基础；1972 法国人在尼日尔一乡村学校安装一个硫化镉光伏系统，用于教育电视供电；1973 美国特拉华大学建成世界第一个光伏住宅；1973世界
9、发生石油危机，唤起人们对可再生能源的兴趣,特别是在地面上大面积使用太阳电池供电,受到各国政府高度重视;1974 日本推出光伏发电的“阳光计划”；Tyco实验室生长第一块EFG晶体硅带，25 mm宽，457 mm长（EFG：Edge defined Film Fed-Growth,定边喂膜生长）；1977 世界光伏电池超过500 KW；D.E.Carlson和C.R.Wronski在W.E.Spear的1975年控制p-n结的工作基础上制成世界上第一个非晶硅（a-Si）太阳电池；1977年D.L.Staebler 和C.R.Wronski 在a-Si:H样品中发现，随光照其光电导和暗电导都显著减
10、少，在150退火后又复原，这现象称为S-W效应，目前机理尚不清楚；1979 世界太阳电池安装总量达到1 MW；1980 ARCO太阳能公司是世界上第一个年产量达到1 MW光伏电池生产厂家；三洋电气公司利用非晶硅电池率先制成手持式袖珍计算器，接着完成了a-Si组件批量生产并进行了户外测试；1980年开始,人们注重研究高效率太阳电池,以降低生产成本;1981 名为Solar Challenger 的光伏动力飞机飞行成功；-8-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-191983 世界太阳电池年产量超过21.3 MW；名为
11、Solar Trek的1 kW光伏动力汽车穿越澳大利亚，20天内行程达到4000公里；1984 面积为1平方英尺（929 cm2）的商品化非晶硅太阳电池组件问世；1985,单晶硅太阳电池用于地面供电电源,太阳电池售价 1W-10USD,2000年,1W-2.5USD,2010年美国目标:1W-1USD;澳大利亚新南威尔士大学Martin Green 研制单晶硅的太阳电池效率达到20%；1986 6月，ARCO Solar发布G-4000世界首例商用薄膜电池“动力组件”；1987 11月，在3100公里穿越澳大利亚的Pentax World Solar Challenge PV-动力汽车竞赛上，
12、GM Sunraycer 获胜，平均时速约为71 km/h；1991 世界太阳电池年产量超过55.3 MW；瑞士Grtzel教授研制的纳米TiO2染料敏化太阳电池(Graezel Cell)效率达到7%;1995年纳米TiO2染料敏化电池转换效率达到10%;-9-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-191995 世界太阳电池年产量超过77.7 MW；光伏电池安装总量达到500 MW；1998 世界太阳电池年产量超过151.7 MW；多晶浇铸硅太阳电池产量首次超过单晶硅；1999 世界太阳电池年产量超过201.3
13、MW；美国NREL的M.A.Contreras等报道铜铟锡（CIS）电池效率达到18.8%；非晶硅电池占市场份额12.3%；2000 世界太阳电池年产量超过287.7 MW，安装超过1000 MW，标志太阳能时代到来；2001 世界太阳电池年产量超过399 MW;Wu X.,Dhere R.G.,Aibin D.S.等报道碲化镉（CdTe）电池效率达到16.4%；单晶硅太阳电池售价约为3 USD/W；德国人制作PVC太阳电池；2002 世界太阳电池年产量超过540 MW；多晶硅太阳电池售价约为2.2 USD/W；-10-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar
14、Energy Systems2022-11-192003 太阳电池年产量超过760 MW；德国Fraunhofer ISE的LFC（Laserfired contact）晶体硅太阳电池效率达到20%;2004 太阳电池年产量超过1200 MW；德国Fraunhofer ISE多晶硅太阳电池效率达到20.3%;非晶硅电池占市场份额4.4%,降为1999年的1/3，CdTe占1.1%;而CIS占0.4%；-11-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19太阳电池发明人太阳电池发明人:（1954,Bell Lab)195
15、4,Bell Lab)Daryl M.Chapin,Calvin S.Fuller,Gerald L.PearsonDaryl M.Chapin,Calvin S.Fuller,Gerald L.Pearson-12-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19 光电效应现象光电效应现象 爱因斯坦的光电效应理论爱因斯坦的光电效应理论 光伏效应光伏效应 p-n p-n 结形成和特性结形成和特性 太阳电池原理太阳电池原理 太阳电池等效电路太阳电池等效电路 太阳电池效率分析太阳电池效率分析 太阳电池的类型太阳电池的类型 太
16、阳电池的发展太阳电池的发展-13-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19光电效应光电效应(photoelectric effect)现象最早在现象最早在18871887年由年由Heinrich Hertz在从事电磁波实验时发现的，即金属表面在光的照射下发射在从事电磁波实验时发现的，即金属表面在光的照射下发射电子。电子。光电效应是指金属表面在光的照射下能发射电子，即光电子。但光电效应是指金属表面在光的照射下能发射电子，即光电子。但金属的功函数大部分在金属的功函数大部分在35 eV之间，因此只有能量是紫外线以上之间
17、，因此只有能量是紫外线以上的光子才能被吸收来产生光电流的光子才能被吸收来产生光电流(photocurrent)，而太阳光中紫外而太阳光中紫外线以上的辐射只占很小的一部分线以上的辐射只占很小的一部分（67%)。Dember效应：也称效应：也称photodiffusion效应，光照射在半导体表面，效应，光照射在半导体表面，光子被吸收产生电子空穴对，则半导体表面的载流子浓度增加光子被吸收产生电子空穴对，则半导体表面的载流子浓度增加而向半导体内部扩散，但由于电子与空穴的扩散系数不同，电子而向半导体内部扩散，但由于电子与空穴的扩散系数不同，电子与空穴在空间的分布就不同，因此产生内建电场形成实验可测量与空
18、穴在空间的分布就不同，因此产生内建电场形成实验可测量到的到的Dember电压。一般来说，半导体的电压。一般来说，半导体的Dember效应不是很明显效应不是很明显。如器件的金属接触不是良好的欧姆接触。如器件的金属接触不是良好的欧姆接触(ohmic contact)，则金则金属半导体形成的属半导体形成的Schottky接触的光伏效应会远远超过纯粹的半接触的光伏效应会远远超过纯粹的半导体的导体的Dember效应。效应。-14-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19 爱因斯坦从普朗克的能量子假设出发，提出光子爱因斯坦从
19、普朗克的能量子假设出发，提出光子(photon)(photon)的概念。光子的能量的概念。光子的能量=h=h（普朗克常数（普朗克常数h=h=6.626x106.626x10-34-34JsJs，光子频率，光子频率）。当光照射在金属表面）。当光照射在金属表面上，金属表面的一个自由电子从入射光中吸收一个光上，金属表面的一个自由电子从入射光中吸收一个光子后，就会得到能量子后，就会得到能量hh，如果，如果hh大于电子从金属表大于电子从金属表面逸出时所需的逸出功面逸出时所需的逸出功A A，这个电子就可从金属表面逸，这个电子就可从金属表面逸出，逸出的电子可被称为光电子。出，逸出的电子可被称为光电子。根据能
20、量守恒定律，爱因斯坦提出根据能量守恒定律，爱因斯坦提出光电效应方程光电效应方程:h=1/2(mv h=1/2(mvm m2 2)+A)+A (mv(mvm m2 2)是光电子的最大初动能。是光电子的最大初动能。-15-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19-16-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19光电效应方程说明三个问题光电效应方程说明三个问题:第一，光电子的初动能与入射光频率之间的线性关系，即入射光的强第一，光电子的初动能
21、与入射光频率之间的线性关系，即入射光的强度增加时，光子数也增多，因而单位时间内光电子数目也随之增加，度增加时，光子数也增多，因而单位时间内光电子数目也随之增加，这即可说明饱和电流或光电子数与光的强度之间的正比关系。这即可说明饱和电流或光电子数与光的强度之间的正比关系。第二，假定第二，假定1/2(mv1/2(mvm m2 2)0 0，则，则0 0=A/h,=A/h,这表明频率为这表明频率为0 0的光子具有发的光子具有发射光电子的最小能量。如果光子频率低于射光电子的最小能量。如果光子频率低于0 0（红限），不管光子数（红限），不管光子数目多大，单个光子没有足够的能量去发射光电子。红限相当于电子所目
22、多大，单个光子没有足够的能量去发射光电子。红限相当于电子所吸收的能量全部消耗于电子的逸出功时入射光的频率。吸收的能量全部消耗于电子的逸出功时入射光的频率。第三，当一个光子被吸收时，全部能量就立即被吸收，不需要积累能第三，当一个光子被吸收时，全部能量就立即被吸收，不需要积累能量的时间，这就说明了光电效应的瞬时发生的问题。量的时间，这就说明了光电效应的瞬时发生的问题。由于爱因斯坦发展了普朗克的能量子思想，提出了光子假说，所提出由于爱因斯坦发展了普朗克的能量子思想，提出了光子假说，所提出的光电效应方程成功地说明了光电效应的实验规律，从而荣获的光电效应方程成功地说明了光电效应的实验规律，从而荣获192
23、11921年年诺贝尔物理学奖。就对人类的贡献而言，光电效应大于相对论，诺贝尔物理学奖。就对人类的贡献而言，光电效应大于相对论，19211921年授奖只字不提相对论，看来诺贝尔奖委员会具有年授奖只字不提相对论，看来诺贝尔奖委员会具有“难得糊涂难得糊涂”的先的先见之明。见之明。-17-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19光伏效应光伏效应(photovoltaic effect)是指半导体表面在光的照射下，光子的是指半导体表面在光的照射下，光子的能量被吸收，让电子从价带跃迁到导带。能量被吸收，让电子从价带跃迁到导带
24、。一般的半导体的能隙宽度为一般的半导体的能隙宽度为12 eV，其可吸收可见光到红外线。另，其可吸收可见光到红外线。另外，在半导体中可以传导的除了带负电的电子外，还有带正电的空穴外，在半导体中可以传导的除了带负电的电子外，还有带正电的空穴，这种双极性的导电机制是金属所不具有的。，这种双极性的导电机制是金属所不具有的。光电化学效应光电化学效应(photoelectrochemical effect)也可通过光照产生电压，也可通过光照产生电压，一般会涉及到电介质和化学反应。染料敏化太阳电池一般会涉及到电介质和化学反应。染料敏化太阳电池(dye sensitized solar cell：DSC）就是
25、以此效应为基础的。就是以此效应为基础的。-18-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19半导体中的导电类型：半导体中的导电类型：n型硅晶体是指在硅晶体中加入型硅晶体是指在硅晶体中加入V族元素（如族元素（如磷）作为施主磷）作为施主(donor)，提供导带电子。提供导带电子。p型硅晶体是指硅晶体中加入型硅晶体是指硅晶体中加入III族元素作为受体族元素作为受体(acceptor)，提供价带空穴。因此，半导体材料中提供价带空穴。因此，半导体材料中具有四种带电电荷：带负电的电子，带正电的空穴，带负电的受主离具有四种带电电荷
26、：带负电的电子，带正电的空穴，带负电的受主离子和带正电的施主离子。前两种是可动的，而后两种是不动的。子和带正电的施主离子。前两种是可动的，而后两种是不动的。p-n结的形成和特性：结的形成和特性：将将p型半导体与型半导体与n型半导体接触，就形成型半导体接触，就形成p-n结结(junction)。在在p-n结附近，电子会从浓度高的结附近，电子会从浓度高的n型区向浓度低的型区向浓度低的p型区型区扩散，与此同时，空穴会从浓度高的扩散，与此同时，空穴会从浓度高的p型区向浓度低的型区向浓度低的n型区扩散。结型区扩散。结果在果在p-n结附近的区域电中性被打破，即靠近结附近的区域电中性被打破，即靠近 n型区附
27、近产生正电荷型区附近产生正电荷区，靠近区，靠近p型区附近产生负电荷区，两者通称为空间电荷区型区附近产生负电荷区，两者通称为空间电荷区(space charge region)。由于带负电的受主离子和带正电的施主离子都是固由于带负电的受主离子和带正电的施主离子都是固体在晶体中的，即形成从体在晶体中的，即形成从n型区指向型区指向p型区的内建电场。型区的内建电场。-19-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19太阳能辐射可以等同于一个表面温度为太阳能辐射可以等同于一个表面温度为5800 K的黑体辐射，辐射的能的黑体辐射
28、，辐射的能量的波长基本上分布在量的波长基本上分布在2502500 nm范围，其中紫外线占约范围，其中紫外线占约67，可见光占约，可见光占约46和红外线占约和红外线占约47。一般来说，利用光电效应也可以制作太阳电池。在金属的光电效应中一般来说，利用光电效应也可以制作太阳电池。在金属的光电效应中，光子的能量被吸收，电子从费米能级（，光子的能量被吸收，电子从费米能级（Fermi energy）附近跃迁到）附近跃迁到真空能级。但从理论上分析，金属光电效应的太阳电池的最大转换效真空能级。但从理论上分析，金属光电效应的太阳电池的最大转换效率不超过率不超过1，实验结果只有，实验结果只有0.001。这主要是存
29、在物理限制：即一。这主要是存在物理限制：即一般金属的功函数大部分都在般金属的功函数大部分都在35 eV之间，如此只有紫外线的光子才之间，如此只有紫外线的光子才能产生光电流，但太阳光中紫外线仅占很少一部分，因此，利用金属能产生光电流，但太阳光中紫外线仅占很少一部分，因此，利用金属的光电效应制作太阳电池无法进入实际应用。的光电效应制作太阳电池无法进入实际应用。至今为止，实际使用的太阳电池主要是利用半导体的光伏效应制作的至今为止，实际使用的太阳电池主要是利用半导体的光伏效应制作的。一般的半导体带隙多在。一般的半导体带隙多在12 eV之间，其可吸收太阳光中的紫外线之间，其可吸收太阳光中的紫外线、可见光
30、到红外线（对晶体硅来说从紫外到部分红外线、可见光到红外线（对晶体硅来说从紫外到部分红外线2501100 nm）。）。-20-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19太阳电池作为光电转换器件必须具备的条件：太阳电池作为光电转换器件必须具备的条件：1.入射光子能够被吸收产生电子空穴对入射光子能够被吸收产生电子空穴对2.电子空穴对在复合前被分离电子空穴对在复合前被分离3.分开的电子与空穴能够传输到负载分开的电子与空穴能够传输到负载-21-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Ener
31、gy Systems2022-11-19目前占太阳电池的主流地位的是晶体目前占太阳电池的主流地位的是晶体 Si 太阳电池。实现太阳光到电太阳电池。实现太阳光到电流转换的核心结构是晶体流转换的核心结构是晶体 Si 的的 p-n 结。在光照下条件下，由于内建结。在光照下条件下，由于内建（built-in）电场的作用，在）电场的作用，在p-n 结附近产生的电子空穴对被分离，结附近产生的电子空穴对被分离，电子向电子向n-Si 区漂移，空穴向区漂移，空穴向 p-Si 区漂移，从而产生从区漂移，从而产生从n-Si 区到区到p-Si 区的漂移电流，即所谓的光电流。对于具有区的漂移电流，即所谓的光电流。对于具
32、有n/p 结构的晶体硅太阳结构的晶体硅太阳电池而言，产生的光电流方向是从电池而言，产生的光电流方向是从 n-Si 区到区到 p-Si 区，这正好与一般区，这正好与一般p-n结二极管的正向电流相反。结二极管的正向电流相反。在太阳电池中在太阳电池中p-n 结的空间电荷区的内建电场的作用就是使入射光子结的空间电荷区的内建电场的作用就是使入射光子产生的电子空穴对在复合（产生的电子空穴对在复合（recombination）之前被分离，并形成）之前被分离，并形成光电流通过金属电极（光电流通过金属电极（metal contact）给负载供电。）给负载供电。在光照条件下，如果将太阳电池正负级直接连接，即短路，
33、即可都到在光照条件下，如果将太阳电池正负级直接连接，即短路，即可都到短路电流（短路电流（short-circuit current）即光电流；如将太阳电池两端不连）即光电流；如将太阳电池两端不连接任何负载，即开路，即可测得开路电压（接任何负载，即开路，即可测得开路电压（open-circuit voltage）。）。开路电压也被称为光电压（开路电压也被称为光电压（photovoltage），这也是光伏（），这也是光伏（photovoltaics）一词的由来。）一词的由来。-22-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11
34、-19太阳电池的最核心部分是太阳电池的最核心部分是 p-n 结，主要有发射区、空间电荷区和基区结，主要有发射区、空间电荷区和基区组成组成。其中发射区为受光面，通常组成组成。其中发射区为受光面，通常p-n 结是通过在一个结是通过在一个p-Si 或或 n-Si基片上通过热扩散形成的。基片上通过热扩散形成的。当入射光照上太阳电池上时，在发射区、空间电荷区和基区同时都将当入射光照上太阳电池上时，在发射区、空间电荷区和基区同时都将产生电子空穴对。由于发射区和基区为准电中性区域，所形成的光产生电子空穴对。由于发射区和基区为准电中性区域，所形成的光电流为扩散电流，这由少数载流子决定，而多数载流子并不参与导电
35、电流为扩散电流，这由少数载流子决定，而多数载流子并不参与导电。在内建电场的作用下，空间电荷区的电子和空穴对光电流都有贡献。在内建电场的作用下，空间电荷区的电子和空穴对光电流都有贡献，形成所谓的漂移电流。，形成所谓的漂移电流。以晶体以晶体 Si 的的 n/p 型电池为例：在光照下，型电池为例：在光照下，n-Si 中的少子空穴在中的少子空穴在空间电荷区的附近会向空间电荷区的附近会向 p-Si 区域扩散形成电流；区域扩散形成电流；p-Si 中的少子电中的少子电子在空间电荷区的附近会向子在空间电荷区的附近会向 n-Si 区域扩散形成电流；而空间电荷区区域扩散形成电流；而空间电荷区产生的电子向产生的电子
36、向 n-Si 区域漂移和产生的空穴向区域漂移和产生的空穴向 p-Si 区域漂移。这样在区域漂移。这样在三个区域就形成了从三个区域就形成了从n-Si 到到 p-Si 的一致方向的光电流。这就是太阳的一致方向的光电流。这就是太阳电池的工作原理。电池的工作原理。-23-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19除了空间电荷区的电子和空穴要受内建电场的作用外，在发射区和基除了空间电荷区的电子和空穴要受内建电场的作用外，在发射区和基区的少子由于要穿过空间电荷区也将受到内建电场的作用，在空间电区的少子由于要穿过空间电荷区也将受
37、到内建电场的作用，在空间电荷区将被加速。荷区将被加速。由此可见，太阳电池的核心结构是由此可见，太阳电池的核心结构是p-n 结，而结，而 p-n 结中的空间电荷区结中的空间电荷区由施主正离子和受主负离子形成的内建电场是实现电子空穴分离的由施主正离子和受主负离子形成的内建电场是实现电子空穴分离的最重要的物理条件。最重要的物理条件。综上所述，在太阳光照射下，综上所述，在太阳光照射下，以光伏效应为基础的太阳电池的光电流以光伏效应为基础的太阳电池的光电流主要来自以下三个部分：主要来自以下三个部分：1.空间电荷区的电子和空穴在内建电场作用下形成的漂移电流；空间电荷区的电子和空穴在内建电场作用下形成的漂移电
38、流；2.n-Si 区的少数载流子空穴所形成的扩散电流；区的少数载流子空穴所形成的扩散电流；3.p-Si 区的少数载流子电子所形成的扩散电流。区的少数载流子电子所形成的扩散电流。一般而论，太阳电池（一般而论，太阳电池（solar cell）是指任何能将太阳光直接转换为电）是指任何能将太阳光直接转换为电力（力（electric power）的器件，这里要强调的直接转换。）的器件，这里要强调的直接转换。-24-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19太阳电池的基本结构就是一个大面积的太阳电池的基本结构就是一个大面积的p
39、-n 结，它的基本特性可借助结，它的基本特性可借助一个理想二极管的电流电压关系来分析。一个理想二极管的电流电压关系来分析。理想二结管的电流电压关系式为：理想二结管的电流电压关系式为：I=Is(e V/VT 1 1)这一方程确定一条电流电压关系曲线，如作以这一方程确定一条电流电压关系曲线，如作以x轴为电流，轴为电流，以以 y轴轴为电压的一个坐标系，则电流电压曲线主要分布在第一象限，从零为电压的一个坐标系，则电流电压曲线主要分布在第一象限，从零点开始，电流随电压增加呈现单调指数增加。点开始，电流随电压增加呈现单调指数增加。其中：其中：I电流，电流，V电压，电压，Is饱和电流（饱和电流（satura
40、tion current），），VT=kB T/q0，其中，其中 kB 为为Boltzmann常数常数,q0 电子电荷，电子电荷，T绝对温度，绝对温度，在室温下在室温下 VT=0.026 V。正常的二极管的正常的二极管的p-Si 端端为正极，为正极，n-Si 端端为负极，二极管内电流从在为负极，二极管内电流从在 p-Si 端端到到n-Si 端端，但太阳电池中的电流方向是从，但太阳电池中的电流方向是从n-Si 端端到到 p-Si 端端，这正好与二极管相反。这正好与二极管相反。-25-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-1
41、1-19太阳电池的能量转换可用理想化等效电路模型来说明。图中太阳电池的能量转换可用理想化等效电路模型来说明。图中ILIL是入是入射光产生的恒流源的强度，恒流源来自太阳辐射所激发的过量载流射光产生的恒流源的强度，恒流源来自太阳辐射所激发的过量载流子。子。IsIs是二极管饱和电流，是二极管饱和电流，RLRL是负载电阻。是负载电阻。-26-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19相对与二极管，太阳电池在光照情况下产生的光电流相对与二极管，太阳电池在光照情况下产生的光电流 IL 为负值，即为负值，即I=Is(e V/VT
42、 1 1)IL 如无光照如无光照 IL 0，太阳电池就是一个普通的二极管，太阳电池就是一个普通的二极管当太阳电池短路，即当太阳电池短路，即 V=0，则，则 I IL=Isc，即光电流就等于短路，即光电流就等于短路电流。电流。当太阳电池开路，即当太阳电池开路，即 I 0，则开路电压为：则开路电压为：VOC=VT ln(IL/Is 1)相对于二极管的电流电压关系曲线，太阳电池的电流电压关系曲相对于二极管的电流电压关系曲线，太阳电池的电流电压关系曲线向下移动线向下移动 IL 距离，即从第一象限移动到第四象限。但为了简单起见距离，即从第一象限移动到第四象限。但为了简单起见和方便分析，一般将这电流电压曲
43、线以和方便分析，一般将这电流电压曲线以 y 轴（电压）为对称轴旋转轴（电压）为对称轴旋转180度放到第一象限。度放到第一象限。-27-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19太阳电池电流太阳电池电流-电压特性曲线电压特性曲线-28-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19特征点分析：特征点分析：电路负载为，即太阳电池短路，电压为，但电流达电路负载为，即太阳电池短路，电压为，但电流达到最大，称为短路电流，此时太阳电池无输出到最大，称为
44、短路电流，此时太阳电池无输出负载电阻慢慢调大，电压明显增加，电流略小于短路电流，不是太负载电阻慢慢调大，电压明显增加，电流略小于短路电流，不是太阳电池最佳工作点阳电池最佳工作点负载电阻调到曲线拐点，此时电流和电压值乘积构成曲线下最大矩负载电阻调到曲线拐点，此时电流和电压值乘积构成曲线下最大矩形面积，此点为最大功率点，为太阳电池最佳工作点形面积，此点为最大功率点，为太阳电池最佳工作点电压略有增加，但电流明显减小，不是太阳电池最佳工作点电压略有增加，但电流明显减小，不是太阳电池最佳工作点负载电阻无穷大，相当于电路开路，电流为，电压达到最大，为负载电阻无穷大，相当于电路开路，电流为，电压达到最大，为
45、开路电压，此时太阳电池无输出开路电压，此时太阳电池无输出-29-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19太阳电池的输出功率就是电流和电压的乘积：太阳电池的输出功率就是电流和电压的乘积：P=I V =Is V(e V/VT 1 1)IL V对于确定的太阳辐射，在太阳电池的电流电压特性曲线上存在一个对于确定的太阳辐射，在太阳电池的电流电压特性曲线上存在一个最大功率点。为了求出最大功率点所对应的最大工作电压和最大工作最大功率点。为了求出最大功率点所对应的最大工作电压和最大工作电流值，可对上式进行数学处理，即通过电流值，
46、可对上式进行数学处理，即通过 dP/dV=0 即可得出最大即可得出最大工作电压：工作电压：Vmax=VT In(（IL 1/（I max/VT 1）)，由此导出最大工作电流：，由此导出最大工作电流：I max Is Vmax e Vmax/VT/VT而太阳电池的最大功率即而太阳电池的最大功率即 Pmax Vmax I max-30-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19串连电阻与并联电阻串连电阻与并联电阻串联电阻（串联电阻（series resistance:Rs）：）：半导体材料本身、或半导体与金属之间都不可
47、避免存在的电阻。半导体材料本身、或半导体与金属之间都不可避免存在的电阻。理想理想的太阳电池的串连电阻为的太阳电池的串连电阻为0。实际的太阳电池的串连电阻一般在几。实际的太阳电池的串连电阻一般在几几十几十cm 以下。以下。并联电阻（并联电阻（shunt resistance：Rsh）：）：太阳电池的正负极之间存在不经过太阳电池的正负极之间存在不经过 p-n 结的其它导电通道，这样将造结的其它导电通道，这样将造成形成漏电流（成形成漏电流（leakage current），如太阳电池中的产生复合（），如太阳电池中的产生复合（generation-recombination）电流、表面复合（）电流、表
48、面复合（surface-recombination）电流、电池边缘隔离不完全以及金属电极穿透）电流、电池边缘隔离不完全以及金属电极穿透 p-n 结等都将产生漏电流。可用并联电阻来表示太阳电池的漏电流的大小结等都将产生漏电流。可用并联电阻来表示太阳电池的漏电流的大小。理想的太阳电池的并联电阻为无穷大，实际的太阳电池的并联电阻理想的太阳电池的并联电阻为无穷大，实际的太阳电池的并联电阻为几十几百为几十几百cm以上。以上。-31-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022-11-19如考虑串联电阻如考虑串联电阻 Rs 和并联电阻和并联
49、电阻 Rsh 的实际存在，太阳电池的电流电的实际存在，太阳电池的电流电压关系式则可表示为：压关系式则可表示为：I=Is(e V/VT 1 1)(V-I Rs)/Rsh IL从太阳电池的电流电压关系曲线上可见，最大功率点所对应的最大从太阳电池的电流电压关系曲线上可见，最大功率点所对应的最大工作电压和最大工作电流的乘积（即工作电压和最大工作电流的乘积（即 Pmax=Vmax I max），在数值上就），在数值上就等同于一个在曲线下面的矩形图形的面积，而以开路电压和短路电流等同于一个在曲线下面的矩形图形的面积，而以开路电压和短路电流对应的数值也可确定一个在曲线之上的矩形图形的面积（对应的数值也可确定
50、一个在曲线之上的矩形图形的面积（ISC VOC），），和这样来看，太阳电池的电流电压曲线越充满和这样来看，太阳电池的电流电压曲线越充满 ISC 和和 VOC 组成的矩组成的矩形图形的面积，即形图形的面积，即 Vmax I max 与与 ISC VOC越接近，表明太阳电池的性能越接近，表明太阳电池的性能越好。这样就可用定义一个参数即填充系数（越好。这样就可用定义一个参数即填充系数（fill factor:FF）来描述）来描述太阳电池的性能：太阳电池的性能：FF Pmax/ISC VOC Vmax I max/ISC VOC事实上，填充系数事实上，填充系数 FF 即可反映串联电阻和并联电阻对太阳电
