1.2 太阳能电池光伏技术

1.2.1 太阳能电池的工作原理

1.太阳能光伏技术

在太阳能的有效利用当中，大阳能发电系统是近些年来发展最快，也是最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。太阳能是一种辐射能，利用太阳能发电需将太阳光能转换成电能，这必须借助于能量转换器。太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。为此，人们研制和开发了太阳能电池，设计和建设光—电直接转换太阳能发电系统，有专家认为太阳能发电量最终将在电力供应中占20%。

①光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质蒸汽，再驱动汽轮发电机发电。前一个过程是光—热转换过程，后一个过程是热—电转换过程，其发电工艺流程与普通的火力发电一样。太阳能热能发电的缺点是效率很低而成本很高，它的投资至少要比普通火电站高5～10倍，一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，为此，太阳能热能发电还不能与普通的火电站或核电站竞争。

②光—电直接转换方式利用光电效应将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种基于光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，在外电路上产生电流。许多个太阳能电池串联或并联起来就可构成比较大输出功率的太阳能电池方阵。太阳能是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能光伏发电不会引起环境污染；太阳能发电可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用电的离网太阳能发电系统，这些特点是其他电源无法比拟的。

太阳能电池同晶体管一样，是由半导体构成的。它的主要材料是硅，也有一些其他合金材料。用于制造太阳能电池的高纯硅要经过特殊的提纯处理。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受光照时，物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。当太阳光或其他光照射到半导体的PN结时，产生光生电子-空穴对，在太阳能电池内建电场作用下，光生电子和空穴分离，太阳能电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有了“光生电流”流过，从而获得功率输出。

太阳能电池只要受到太阳光或灯光的照射，就能够把光能转变为电能，太阳能电池可发出相当于所接收光能的10%～20%的电。一般来说，光线越强，电能就越多。为了使太阳能电池最大限度地减少光反射，将光能转变为电能，一般在太阳能电池的上面蒙上一层可防止光反射的膜，使太阳能电池的表面呈紫色。

2.太阳能电池的光伏效应

太阳能电池是利用光电转换原理使太阳辐射的光通过半导体物质转变为电能的器件，这种光电转换过程通常称为“光生伏特效应”。光生伏特效应简称为光伏效应，是指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。

所有的物质均由原子组成，原子由原子核和围绕原子核旋转的电子组成，半导体材料在正常状态下，原子核和电子紧密结合（处于非导体状态），但在某种外界因素的刺激下，原子核和电子的结合力降低，电子摆脱原子核的束搏，成为自由电子，如图1-6所示。当太阳光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有价带电子、自由电子或空穴、存在于杂质能级上的电子。

太阳能电池可利用的电子主要是价带电子，由于价带电子得到光的能量跃迁到导带的过程决定了光的吸收，通常称为本征或固有吸收。

太阳能电池是由P型半导体和N型半导体结合而成的，P型半导体（P指positive，带正电的）由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴。N型半导体（N指negtive，带负电的）由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子，当N型和P型两种不同型号的半导体材料接触后，由于扩散和漂移作用，在界面处形成由P型指向N型的内建电场。当光照在太阳能电池的表面后，能量大于禁带宽度的光子便激发出电子-空穴对，这些非平衡的少数载流子在内电场的作用下分离开，在太阳能电池的两极累积，这样太阳能电池便可以给外接负载提供电流。太阳能电池构成原理图如图1-7所示。常规太阳能电池简单装置如图1-8所示。

（1）PN结的形成

在一块单晶半导体中，当一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。PN结有同质结和异质结两种，用同一种半导体材料制成的PN结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等，制造异质结通常采用外延生长法。

在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质，在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。N型半导体中有许多可移动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此，在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。P型半导体一边的空间电荷是负离子，N型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，该电场阻止载流子进一步扩散，进而达到平衡。

同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区，由于杂质的激活能量ΔE很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子N-A和施主离子N+D。在PN区交界面处因存在载流子的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间，在N区的电子为多子，在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样原来在N区结附近电子变得很少，剩下未经中和的施主离子N+D形成正的空间电荷。同样，空穴由P区扩散到N区后，由不能运动的受主离子N-A形成负的空间电荷。在P区与N区界面两侧产生不能移动的离子区（也称为耗尽区、空间电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内建电场，此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。

（2）PN结能带与接触电动势差

在热平衡条件下，PN结区有统一的费米能级EF；在远离结区的部位，EC、EF、EV之间的关系与结形成前状态相同。由热平衡下PN结能带图（见图1-9）可知，N型、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。当N型与P型两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空穴流动的方向相反。同时产生内建电场，内建电场方向为从N区指向P区。在内建电场作用下，EFN将连同整个N区能带一起下移，EFP将连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP，载流子停止流动为止。这时结区的导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。势垒高度等于N型、P型半导体单独存在时费米能级之差。

qVD=EFN-EFP （1-1）

或

VD=（EFN-EFP）/q （1-2）

式中，q为电子电量；VD为接触电势差或内建电动势。

对于在耗尽区以外的状态，VD为

VD=（KT/q）ln（NAND/n2 i） （1-3）

式中，NA、ND、ni分别为受主、施主、本征载流子浓度；KT为环境温度。

可见VD与掺杂浓度有关。在一定温度下，PN结两边掺杂浓度越高，VD越大。禁带宽的材料的ni较小，故VD也大。

（3）PN结光电效应

当PN结受光照时，对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴、N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子-空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子-空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡PN结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，光生电势差减小，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。

实际上，并非所产生的全部光生载流子都能产生光生电流。设N区中空穴在寿命τp的时间内扩散距离为Lp，P区中电子在寿命τn的时间内扩散距离为Ln。Ln+Lp=L远大于PN结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都能产生光电流，而产生的电子-空穴对距离结区的距离超过L时，其在扩散过程中将全部复合掉，对PN结光电效应无作用。

光照下的PN结内将产生一个附加电流（光电流）Ip，其方向与PN结反向饱和电流I0相同，一般Ip≥I0。此时

I=I0eqV/KT-（I0+Ip） （1-4）

令Ip=SE，则

I=I0eqV/KT-（I0+SE） （1-5）

光照下的PN结外电路开路时，P端对N端的电压，即上述电流方程中I=0时的V值为

0=I0eqV/KT-（I0+SE） （1-6）

开路电压Voc：

Voc=（KT/q）ln（SE+I0）/I0≈（KT/q）ln（SE/I0） （1-7）

光照下的PN结外电路短路时，从P端流出，经过外电路，从N端流入的电流称为短路电流Isc。即为上述电流方程中V=0时的I值，得Isc=SE。

Voc与Isc是光照下PN结的两个重要参数，在一定温度下，Voc与光照度E成对数关系，但最大值不超过接触电动势差VD。弱光照下，Isc与E有线性关系。PN结的四种状态如下所述。

①无光照时的热平衡态。N型、P型半导体有统一的费米能级，势垒高度为qVD=EFN-EFP。

②稳定光照下PN结外电路开路。由于光生载流子积累而出现光生电压Voc，不再有统一费米能级，势垒高度为q（VD-Voc）。

③稳定光照下PN结外电路短路。PN结两端无光生电压，势垒高度为qVD，光生电子-空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。

④有光照有负载。一部分光电流在负载上建立起电压Vf，另一部分光电流被PN结因正向偏压引起的正向电流抵消，势垒高度为q（VD-Vf）。

3.硅太阳能电池工作原理

硅原子有14个电子，分布在三个电子层上，里面的两个电子层均已填满，只有最外层缺少四个电子为半满，如图1-10所示。为了达到满电子层稳定结构，每个硅原子只能和它相邻的四个原子结合形成共用电子对，从平面看起来就像所有的原子都是手挽手、交错联结形成它特有的晶体结构，把每个电子都固定在特定的位置上，不能像铜等良导体中的自由电子那样自由移动，因此，也就决定硅不是电的良导体。实际用于太阳能电池的硅是经过特殊处理的，也就是采取了掺杂工艺。

硅半导体主要结构如图1-11所示。在图1-11中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。硅晶体中可掺入其他的杂质，如硼、磷等。当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，此时的半导体称为P型半导体，如图1-12所示。

在图1-12中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而灰色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，在和硅原子形成共价键的同时便会形成一个空穴状态，图1-12中黑色的为空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P型半导体。

当在硅中掺入比其多一个价电子的元素（如磷）时，最外层中的5个电子只能有4个和相邻的硅原子形成共用电子对，剩下一个电子不能形成共价键，但仍受杂质中心的约束，只是比共价键的约束弱得多，只要很小的能量便会摆脱束缚，所以就会有一个电子变得非常活跃，此时的半导体称为N型半导体，如图1-13所示。灰色的为磷原子核，黑色的为多余的电子。

当硅掺杂形成的P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域会形成一个特殊的薄层，界面区域P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层，这就是PN结，如图1-14所示。

当掺杂的硅晶片受光照后，在PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流，然后在PN结中形成电动势差，这就形成一个电源，如图1-15所示。

由于硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被太阳能电池利用。为此，在太阳能电池表面涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射损失减小到5%，甚至更小。一片太阳能电池所能提供的电流和电压是有限的，实际应用中需将很多太阳能电池（通常是36个）并联或串联起来使用，构成太阳能电池组件。这样就能产生一定的电压和电流，输出一定的功率。制造太阳能电池的半导体材料目前有十几种，因此太阳能电池的种类也很多。目前，技术最成熟并具有商业价值的太阳能电池是硅太阳能电池。