第一節(jié)　光伏電池發(fā)電原理

光伏電池是一種對光有響應并能將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。光伏能量轉(zhuǎn)換包括電荷產(chǎn)生、電荷分離和電荷輸運三個過程。電荷分離或光伏行為就是在光照下存在光生電流或光生電動勢。能產(chǎn)生光伏效應的材料有許多種，如單晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化鎵、銅硒銦等半導體材料，它們的發(fā)電原理基本相同。

P型半導體和N型半導體結(jié)合形成PN結(jié)，由于濃度梯度導致多數(shù)載流子的擴散，留下不能移動的正電中心和負電中心，所帶電荷組成了空間電荷區(qū)，形成內(nèi)建電場，內(nèi)建電場又會導致載流子的反向漂移，直到擴散的趨勢和漂移的趨勢可以相抗衡，載流子不再移動，空間電荷區(qū)保持一定的范圍，PN結(jié)處于熱平衡狀態(tài)。

太陽光的照射會打破PN結(jié)的熱平衡狀態(tài)，能量大于禁帶寬度的光子發(fā)生本征吸收，在PN結(jié)的兩邊產(chǎn)生電子-空穴對，見圖1-1。在光激發(fā)下多數(shù)載流子濃度一般變化很小，而少數(shù)載流子濃度卻變化很大，因此主要分析光生少數(shù)載流子的運動。P型半導體中少數(shù)載流子指的是電子，N型半導體中少數(shù)載流子指的是空穴。

圖1-1　標準單結(jié)光伏電池能量損失過程

①低于禁帶寬度的光子沒有被吸收；②晶格熱化損失；③結(jié)損失；④接觸損失；⑤復合損失

當能量大于禁帶寬度的光子照射到PN結(jié)上時，半導體中產(chǎn)生電子空穴對。由于PN結(jié)勢壘區(qū)中存在較強的內(nèi)建電場（自N區(qū)指向P區(qū)），光生電子和空穴受到內(nèi)建電場的作用而分離，P區(qū)的電子穿過PN結(jié)進入N區(qū)；N區(qū)的空穴進入P區(qū)，使P端電勢升高，N端電勢降低，于是PN結(jié)兩端形成了光生電動勢，這就是PN結(jié)的光生伏特效應。由于光照產(chǎn)生的載流子各自向相反方向運動，從而在PN結(jié)內(nèi)部形成自N區(qū)向P區(qū)的光生電流Il，見圖1-2（b）。由于光照在PN結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢，光生電場的方向是從P型半導體指向N型半導體，與內(nèi)建電場的方向相反，如同在PN結(jié)上加了正向偏壓，使得內(nèi)建電場的強度減小，勢壘高度降低，引起N區(qū)電子和P區(qū)空穴向?qū)Ψ阶⑷耄纬蓮腜型半導體到N型半導體的正向電流。正向電流的方向與光生電流的方向相反，會抵消PN結(jié)產(chǎn)生的光生電流，使得提供給外電路的電流減小，是光伏電池的不利因素，所以又把正向電流稱為暗電流。在PN結(jié)開路情況下，光生電流和正向電流相等，PN結(jié)兩端建立起穩(wěn)定的電勢差Voc，這就是光伏電池的開路電壓。如將PN結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會有源源不斷的電流通過電路，PN結(jié)起了電源的作用。這就是光伏電池的基本原理。

圖1-2　PN結(jié)光照前，后的能帶圖

由上可知，光伏電池工作時必須具備下述條件：首先，必須有光的照射，可以是單色光、太陽光或模擬太陽光等；其次，光子注入到半導體內(nèi)后，激發(fā)出電子-空穴對，這些電子和空穴應該有足夠長的壽命，在分離之前不會復合消失；第三，必須有一個靜電場，電子-空穴在靜電場的作用下分離，電子集中在一邊，空穴集中在另一邊；第四，被分離的電子和空穴由電極收集，輸出到光伏電池外，形成電流。光伏電池工作原理如圖1-3所示。

圖1-3　光伏電池工作原理圖