第一节　光伏电池发电原理

光伏电池是一种对光有响应并能将光能转换成电能的器件。光伏能量转换包括电荷产生、电荷分离和电荷输运三个过程。电荷分离或光伏行为就是在光照下存在光生电流或光生电动势。能产生光伏效应的材料有许多种，如单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、铜硒铟等半导体材料，它们的发电原理基本相同。

P型半导体和N型半导体结合形成PN结，由于浓度梯度导致多数载流子的扩散，留下不能移动的正电中心和负电中心，所带电荷组成了空间电荷区，形成内建电场，内建电场又会导致载流子的反向漂移，直到扩散的趋势和漂移的趋势可以相抗衡，载流子不再移动，空间电荷区保持一定的范围，PN结处于热平衡状态。

太阳光的照射会打破PN结的热平衡状态，能量大于禁带宽度的光子发生本征吸收，在PN结的两边产生电子-空穴对，见图1-1。在光激发下多数载流子浓度一般变化很小，而少数载流子浓度却变化很大，因此主要分析光生少数载流子的运动。P型半导体中少数载流子指的是电子，N型半导体中少数载流子指的是空穴。

图1-1　标准单结光伏电池能量损失过程

①低于禁带宽度的光子没有被吸收；②晶格热化损失；③结损失；④接触损失；⑤复合损失

当能量大于禁带宽度的光子照射到PN结上时，半导体中产生电子空穴对。由于PN结势垒区中存在较强的内建电场（自N区指向P区），光生电子和空穴受到内建电场的作用而分离，P区的电子穿过PN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PN结两端形成了光生电动势，这就是PN结的光生伏特效应。由于光照产生的载流子各自向相反方向运动，从而在PN结内部形成自N区向P区的光生电流Il，见图1-2（b）。由于光照在PN结两端产生光生电动势，光生电场的方向是从P型半导体指向N型半导体，与内建电场的方向相反，如同在PN结上加了正向偏压，使得内建电场的强度减小，势垒高度降低，引起N区电子和P区空穴向对方注入，形成从P型半导体到N型半导体的正向电流。正向电流的方向与光生电流的方向相反，会抵消PN结产生的光生电流，使得提供给外电路的电流减小，是光伏电池的不利因素，所以又把正向电流称为暗电流。在PN结开路情况下，光生电流和正向电流相等，PN结两端建立起稳定的电势差Voc，这就是光伏电池的开路电压。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，PN结起了电源的作用。这就是光伏电池的基本原理。

图1-2　PN结光照前，后的能带图

由上可知，光伏电池工作时必须具备下述条件：首先，必须有光的照射，可以是单色光、太阳光或模拟太阳光等；其次，光子注入到半导体内后，激发出电子-空穴对，这些电子和空穴应该有足够长的寿命，在分离之前不会复合消失；第三，必须有一个静电场，电子-空穴在静电场的作用下分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边；第四，被分离的电子和空穴由电极收集，输出到光伏电池外，形成电流。光伏电池工作原理如图1-3所示。

图1-3　光伏电池工作原理图