第2章 太阳能电池

2.1 太阳能电池原理及发展

2.1.1 太阳能电池原理

1.太阳能电池光伏效应

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叫做“光生伏打效应”。光生伏打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。目前，太阳能电池的生产成本高、效率低成为制约其推广应用的瓶颈，因此如何在单位面积内使太阳能电池获得最大的发电量，就成为发展太阳能工业的一大研究课题。

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缚，成为自由电子，如图2-1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：

（1）价带电子。

（2）自由电子或空穴。

（3）存在于杂质能级上的电子。

太阳能电池由P型半导体和N型半导体结合而成，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和空穴对，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形成电势差，这样电池便可以给外接负载提供电流，如图2-2所示。这就是光电效应太阳能电池的工作原理，常规太阳能电池简单装置如图2-3所示。

1）PN结的形成

在一块单晶半导体中，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，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动的负电子和固定的正离子。当P型半导体和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，在界面附近的结区缺少载流子，但有分布在空间的带电的固定离子，这一结区称为空间电荷区。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，大多数杂质都电离成受主离子和施主离子 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。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，使在原来N区结附近的电子变得很少，剩下未经中和的施主离子形成正的空间电荷。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（也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场），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结能带与接触电势差

在热平衡条件下，结区有统一的EF；在远离结区的部位，EC、EF、EV之间的关系与结形成前的状态相同。从热平衡下PN结能带图（图2-4）可知，N型半导体、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。当N型半导体与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。此时在结区导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。势垒高度等于N型半导体、P型半导体单独存在时费米能级之差，即

则有

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，有

式中，NA、ND、ni分别为受主、施主、本征载流子浓度。

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，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、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端为正，N端为负。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。因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。产生的位置距离结区超过L的电子空穴对，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

式中，q是电子的电荷量；V是二极管的端电压（正向电压为正，反向电压为负）；T是测试时的热力学温度，k=8.63×10-6eV/K。

令Ip=SE，S为光伏电池的有效表面积，E为光照度，则

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

所以开路电压

光照下的PN结，若外电路短路，从P端流出、经过外电路返回N端的电流称为短路电流Isc。短路电流Isc为式（2-4）中V=0时的I值，即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势差VD。弱光照射下，Isc与E有线性关系。

PN结的四种状态如下：

（1）无光照时的热平衡态。N型半导体、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，不再有统一的费米能级，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）。

2.硅太阳能电池工作原理

硅原子有14个电子，分布在3个电子层上，里面的2个电子层均填满，只有最外层缺少4个电子为半满，如图2-5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4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、交错连接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。

硅半导体主要结构图如图2-6所示。在图2-6中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的4个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质（如硼等）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2-7所示。

在图2-7中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的4个电子。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，只要很小的一个能量便会从附近原子接受一个电子，把空状态转移到附近的共价键里，这就是空穴，带有一个正电荷，和自由电子做同样的无规运动，所以就会产生如图2-7所示的黑色空穴，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。

若在硅中掺入比其多一个价电子的元素（如磷），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2-8所示。

当硅掺杂形成的P型半导体和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的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，就形成一个特殊的薄层，这就是PN结，如图2-9所示。

当掺杂的硅晶片受光后，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结中形成电势差，这就形成了电源，如图2-10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%甚至更少。一个光电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是将很多光电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电池组件，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。

3.太阳能电池的光电转换效率

投射到太阳能电池整个光照面上的光能只有一小部分可变成电能，这是因为它受很多因素的影响。太阳光在外层空间的辐射基本是恒定的，但经过成分不同、厚度不同的大气层的吸收，其中包括含量大而且多变的水蒸气的选择性吸收，到达地面的太阳能光谱（辐照度在不同的波长范围内的分布）随时随地都在发生变化。一般情况下，到达地面的太阳光光谱为0.3～4μm。

实际上，太阳能电池的效率要比理论计算值低得多。因为太阳能电池在转换过程中有很多损失，其损失概括起来有以下几点。

（1）投射到电池表面的光，一部分被反射掉而没有进入电池，这种反射损失是一种相当大的损失。纯净的硅表面的反射率在0.4～1μm波长范围内约为30%，而其他材料的反射率也相当高。为减少损失，在制造太阳能电池时会在纯净的硅表面镀一薄层氧化硅（或氧化钛、二氧化铈等）以减少反射，这些膜在光谱范围内是透明的。

（2）光线进入电池后，能量大于“禁带”宽度的光子（波长小于截止波长的光子）被太阳能电池吸收，产生电子—空穴对，但还有一部分剩余能量在短时间内以热的形式传给了半导体晶格，也造成了损失；能量小于“禁带”宽度的光子不能产生空穴对，而在太阳能电池中损失掉。对于硅太阳能电池，该损失占入射太阳光总能量的53%。

（3）光激发产生的少数载流子中有一部分以扩散方式流到PN结，它是对电流输出有贡献的一部分，而另一部分则远离结位置并在电池表面和内部复合掉了。

（4）太阳能电池的开路电压小于PN结接触电势差，这项损失为电压因素损失。

（5）太阳能电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比通常用FE（或CF）表示：

FE=ImVm/IscVoc

式中，IscVoc是太阳能电池的极限输出功率；ImVm是太阳能电池的最大输出功率。

太阳能电池在开路和短路时的损失称为开路损失和短路损失。

（6）太阳能电池的串联电阻、接触电阻和薄膜层电阻也造成损失。

这里需要指出的是，在使用太阳能电池时，通常都是把多个太阳能电池进行组合，通过串联和并联的方法将它们组合起来，由于它们之间的电压和电流难以完全一致，因此不能达到最佳工作状态，从而导致太阳能电池组件要比单个电池效率低。

2.1.2 晶体硅太阳能电池的发展历程

1.晶体硅太阳能电池

有关硅光电池的报道首次出现于1941年。贝尔实验室于1954年开发出光电转换效率为6%的单晶硅太阳能电池，现代硅太阳能电池时代从此开始。硅太阳能电池于1958年首先在航天器上得到应用。在随后10多年里，硅太阳能电池的空间应用不断扩大，工艺不断改进，电池设计逐步定型。这是硅太阳能电池发展的第一个时期。

第二个时期开始于20世纪70年代初，在这个时期，背表面场、细栅金属化、浅结表面扩散和表面结构化技术开始引入太阳能电池的制造工艺中，太阳能电池光电转换效率有了较大提高。与此同时，硅太阳能电池开始在地面应用，而且不断扩大，到20世纪70年代末，地面用太阳能电池产量已经超过空间用太阳能电池产量，并促使太阳能电池的成本不断降低。

20世纪80年代初，硅太阳能电池进入快速发展的第三个时期。这个时期的主要特征是把表面钝化技术、降低接触复合效应、采用后处理技术提高载流子寿命、改进陷光效应技术引入太阳能电池的制造工艺中。太阳能电池光电转换效率大幅度提高，商业化生产成本进一步降低，应用不断扩大。

在太阳能电池的整个发展历程中，先后出现过各种不同结构的电池，如肖特基（Ms）电池、M1S电池、MINP电池、异质结电池 [如ITO（n）/Si（p）、a-Si/c-Si、Ge/Si]等，其中同质PN结电池结构自始至终占主导地位，其他结构对太阳能电池的发展也有重要影响。

太阳能电池以材料区分，有晶硅电池、非晶硅薄膜电池、铜铟硒（CuInSe2）电池、碲化镉（CdTe）电池、砷化镓电池等。目前，市场上以晶硅电池为主导，由于硅是地球上储量第二大元素，作为半导体材料，人们对它研究得最多、技术最成熟，而且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳能电池研究开发、生产和应用中的主体材料。

从20世纪70年代中期开始地面用太阳能电池商品化以来，晶体硅就作为基本的电池材料占据着统治地位，而且可以确信这种状况在今后20年中不会发生根本的转变。以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳能电池、铸造多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。

单晶硅太阳能电池的光电转换效率高、稳定性好，但是成本较高；非晶硅太阳能电池的生产效率高、成本低廉，但是光电转换效率相对较低，而且效率衰减得比较厉害；铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定的光电转换效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池现在仍处在研发阶段。目前，铸造多晶硅太阳能电池已经取代直拉单晶硅成为最主要的光伏电池材料。但是，铸造多晶硅太阳能电池的光电转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池。铸造多晶硅材料中存在着各种缺陷（如晶界、位错、微缺陷、有杂质碳和氧）以及工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是电池转换效率较低的关键原因，因此关于铸造多晶硅中缺陷和杂质规律的研究，以及工艺中采用合适的吸杂、钝化工艺是进一步提高铸造多晶硅电池的关键。另外，寻找适合铸造多晶硅表面结构化的湿化学腐蚀方法也是目前低成本制备高效率太阳能电池的重要工艺。

从固体物理学上讲，硅材料并不是最理想的光伏电池材料，这主要是因为硅是间接能带半导体材料，其光吸收系数较低，所以研究其他光伏电池材料成为一种趋势。其中，碲化镉和铜铟硒被认为是两种非常有前途的光伏电池材料，目前的研究已经取得一定的进展，但是距离大规模生产、并与晶体硅太阳能电池抗衡仍有大量的工作需要去做。

由于科技的进步，包括硅晶圆厚度、切割技术、晶圆尺寸及晶圆价格，均有长足的改善，自1960年以来，以晶体硅太阳能电池发电的单位瓦数成本已下降约至1/50，目前价格约为2.5～3美元/W。依据美国国家再生能源实验室的报道，薄膜太阳能电池的制造成本在过去10年里也呈大幅下降，趋势比硅晶圆还快，不过至今其价格仍高于硅晶圆式约50%。

目前，硅晶圆单一电池在实验室的光电转换效率已达25%，与理论值29%非常接近。商业化产品的光电转换效率自1970年以来也有长足进步，近年已达约12%。这项技术成果，相对而言，是多数薄膜技术所不及的。

生产成本往往深受生产规模的影响，太阳能电池也不例外。比较硅晶圆式与薄膜式太阳能电池，一般而言，前者的目前产能规模约是后者的10倍，因此固定成本可大幅分摊。就产能利用率而言，由于这几年市场年年大幅增长，目前硅晶圆式太阳能电池的平均产能利用率约达80%，而薄膜式太阳能电池的平均产能利用率仅为40%。这使硅晶圆式太阳能电池更具生产成本竞争力，成为市场上的主导产品。

2.晶体硅太阳能电池方阵

太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4～100cm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V，工作电流约为20～25mA/cm2，一般不能单独作为光伏电源使用。将太阳能电池单体进行串、并联封装后，构成太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为光伏电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串、并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足太阳能光伏发电系统负载所要求的输出功率，如图2-11所示。

常用的太阳能电池主要是晶体硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一块晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以减少太阳能的反射损失。

将一个负载连接在太阳能电池的上、下两表面之间，将有电流流过该负载，于是太阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子仅产生一个自由电子，多余的能量使太阳能电池发热，伴随热能损失将使太阳能电池的光电转换效率下降。

目前世界上有3种已经商品化的硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向是无规则性的，意味着正负电荷对并不能全部被PN结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅太阳能电池的光电转换效率一般要比单晶硅太阳能电池低。因为多晶硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池。一般产品化单晶硅太阳能电池的光电转换效率为13%～15%，产品化多晶硅太阳能电池的光电转换效率为11%～13%，产品化非晶硅太阳能电池的光电转换效率为5%～8%。

太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。单体电池连接后，即可进行封装。以前太阳能电池组件的结构多数是：正面用透光率高的玻璃覆盖，太阳能电池的前、后面都用透明的硅橡胶粘接，背面用铝板式玻璃作为依托，四周用铝质或不锈钢作为边框，引出正、负极即成组件。这种太阳能电池组件的质量不易保证，封装劳动强度大。近些年来，国内、外太阳能电池组件大多已采用新型结构：正面采用高透光率的钢化玻璃，背面是一层聚乙烯氟化物膜，太阳能电池两边用EVA或PVB胶热压封装，四周是轻质铝型材边框，由接线盒引出电极。

太阳能电池组件封装后，由于盖板玻璃、密封胶对透光的影响及各单体电池之间性能失配等原因，组件的光电转换效率一般要比太阳能电池单体效率低5%～10%。但若使玻璃胶的厚度及折射率等匹配较好，封装后会使效率有所提高。

太阳能电池组件经常暴露在阳光下，直接受当地自然环境的影响，这种影响包括环境的气象因素和机械因素。为了保证使用的可靠性，工厂生产的太阳能电池组件在正式投产之前一般要经过一系列的性能和环境试验（如湿度、温度循环、热冲击、高温高湿度老化、盐水喷雾、低湿老化、耐气候性、室外暴晒、冲击、振动等试验），如应用在特殊场合，则还要进行一些专门试验。

通过导线将多只太阳能电池单体连接、密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，它具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力，太阳能电池组件背面的合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池被镶嵌在一层聚合物中。在这种太阳能电池组件中，太阳能电池与接线盒之间可直接用导线连接。

工厂生产的通用太阳能电池组件一般都已考虑了蓄电池所需的充电电压、阻塞二极管和线路压降以及温度变化等因素而进行了专门的设计。在一个太阳能电池组件上，太阳能电池的标准数量是36片（10cm×10cm），这意味着一个太阳能电池组件大约能产生17V的电压，正好能为一组额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。

当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。

太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等的能力，其潜在

的质量问题是边沿的密封程度以及组件背面的接线盒性能。

3.太阳能电池的特性

1）太阳能电池的光电特性

当光照到太阳能电池上时，在电池负载电阻R上和电池内部，分别流过电流IR和IJ。其中，IJ为通过PN结的正向电流。当光照恒定时，光电流IP=IR+IJ也恒定。光电流在太阳能电池内、外的流动，可用等效电路表示，光电池端的电压VJ应与电阻上的电压VR相等，光电池的电流IJ随VJ的变化呈指数关系：

式中，q为电子电荷，取值1.6×10-10C；T为绝对温度，单位为K；k为玻耳兹曼常数，取值1.380×10-23J/K或0.86×10-4eV/K；A为太阳能电池有效面积，单位为mm2。

负载电阻R上的电流和电压关系为

从式（2-9）中可得出负载电阻上的电流和电压之间的关系为R=Vj/I，负载电阻上的电压降和结电压相等，负载电阻R上得到的电功率为IVj。太阳能电池要获得高的转换效率就必须在一定的太阳辐射下输出尽可能大的功率IVj。

2）太阳能电池的光谱特性

太阳能电池的光谱特性是指太阳能电池在太阳光辐射能量相同时，其光生电流随辐射光波长变化的关系。在太阳能电池中，只有那些能量大于其材料“禁带”宽度的光子才能在被吸收时在光伏材料中产生电子—空穴对，而那些能量小于“禁带”宽度的光子即使被吸收也不能产生电子—空穴对（它们只能使光伏材料变热）。光伏材料对光的吸收存在一个截止波长。理论分析表明，对太阳光而言，能得到最佳工作性能的光伏材料应有1.5eV的“禁带”宽度，当“禁带”宽度增加时，被光伏材料吸收的总太阳能就会越来越少。

每种太阳能电池对太阳光都有自己的光谱响应曲线，它表明太阳能电池对不同波长光的灵敏度（光电转换能力）。表2-1给出了不同光伏材料的截止波长和太阳能吸收效率。当太阳光照到太阳能电池上时，某一种波长的光和太阳能电池相对于该波长光的光谱灵敏度，决定该波长光的光生电流值，而太阳能电池总的光生电流值是各个波长光的光生电流值的总和。

3）太阳能电池的I—V特性

太阳能电池组件的电气特性主要是指I—V输出特性，也称为V—I特性曲线，如图2-12所示。太阳能电池的I—V特性与二极管的特性相似，一般称为I—V曲线特性。在太阳能I—V曲线中，短路电流（Isc）、开路电压（Voc）及最大功率（Pmpp）是太阳能电池的主要技术参数。

V—I特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。Im是最大工作电流，即最大输出状态时的电流；Vm是最大工作电压，即最大输出状态时的电压。如果太阳能电池组件电路短路（V=0），此时的电流称为短路电流Isc；如果电路开路（I=0），此时的电压称为开路电压Voc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P=VI。

当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率也从0开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时若阻值继续增加，功率将跃过最大点，并逐渐减少至零，即电压达到开路电压Voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。组件输出功率的最大点称为最大功率点；该点所对应的电压称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）；该点所对应的电流称为最大功率点电流Im（又称为最大工作电流）；该点的功率称为最大功率Pm。

随着太阳能电池温度的增加，开路电压减小，大约温度每升高1℃，每片太阳能电池的电压减小5mV，相当于在最大功率点的典型温度系数为-0.4%/℃。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1℃，则最大功率减小0.4%。在太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，但如果通风不好，则导致太阳能电池温升过高，也可能不会输出很大的功率。太阳能电池温度变化和I—V曲线如图2-13所示。

太阳能电池日照强度与最大输出的特性曲线如图2-14所示，太阳能电池的短路电流和日照强度成正比。太阳能电池温度与最大输出的特性曲线如图2-15所示。太阳能电池的输出功率随着太阳能电池片的表面温度上升而下降，输出功率随着季节的温度变化而变化，在同一日照强度下，冬天的输出功率比夏天高。

由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度，因此太阳能电池组件的测量要在标准条件下（STC）进行。标准测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，设定在太阳能电池板的表面温度为25℃、太阳能辐射强度为1000W/m2、分光分布AM1.5的模拟光源条件下的测试，称为标准测试状态，如图2-16所示。

在标准测量条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率称为峰值功率，用Wp（peak-watt）表示。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。

在户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的。因为太阳能电池组件所接收到的太阳光实际光谱取决于大气条件及太阳的位置；此外，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到10%或更大。

如果太阳能电池组件被其他物体（如鸟粪、树荫等）长时间遮挡时，被遮挡的太阳能电池组件将会严重发热，这就是“热岛效应”。这种效应对太阳能电池会造成很严重的破坏作用。有光照的太阳能电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的太阳能电池所消耗。为了防止太阳能电池由于“热岛效应”而被损坏，需要在太阳能电池组件的正、负极之间并联一个旁通二极管，以避免有光照的太阳能电池组件所产生的能量被遮蔽的太阳能电池组件所消耗。其作用是在组件开路或遮影时，提供电流通路，不至于使整串太阳能电池组件失效。

太阳能电池在使用时要注意极性，旁路二极管的正极与太阳能电池组件的负极相连，旁路二极管的负极与太阳能电池组件的正极相连。平时旁路二极管处于反向偏置状态，基本不消耗电能。但旁路二极管的耐压和允许通过的正向电流应大于组件的工作电压及电流。

太阳能电池的连接盒是一个很重要的元件，它保护太阳能电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。连接盒包含一个接线盒和1只或2只旁路二极管。

太阳能电池的主要技术参数有以下几种。

（1）光电转换效率η。光电转换效率是评估太阳能电池性能的重要指标，太阳能电池的光电转换效率是指太阳能电池将接收到的光能转换成电能的比率，即

式中，η为光电转换效率；P0为输出功率；E为太阳能电池板被照射的太阳能量。

太阳能电池组件的光电转换效率是决定太阳能电池是否具有使用价值的重要因素。晶体硅类太阳能电池的理论光电转换效率极限为29%，而现在的太阳能电池的光电转换效率为17%～19%，因此，太阳能电池在技术上还有很大的发展空间。

（2）单体太阳能电池的输出电压V为0.4～0.6V，由材料物理特性决定。

（3）填充因子FF是评估太阳能电池带负载能力的重要指标，而

式中，Isc为短路电流；Voc为开路电压；Im为最佳工作电流；Vm为最佳工作电压。

太阳能电池的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输出功率也越大。太阳能电池的优劣主要由开路电压和短路电流这两项指标来衡量。

（4）温度对太阳能电池性能的影响，环境温度和太阳能电池组件的温度直接影响着太阳能电池的性能，当温度升高时，其开路电压呈线性关系下降。不同材料的太阳能电池，都有着自己的工作温度范围。对于某一种太阳能电池而言，在不同的温度时，为得到最大的输出功率所需的最佳负载也不同。例如，在标准状况下，AM1.5光强，t=25℃，某类太阳能电池输出功率为100Wp，如果太阳能电池温度升高至45℃，则太阳能电池板输出功率就不到100Wp。