简述太阳能电池工作原理

一、太阳能电池工作原理

太阳能电池工作原理是光生伏特效应，光生伏特效应简称为光伏效应，光伏效应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。

太阳能电池的具体工作原理（光生伏特效应具体过程）如下：

当太阳光照射至半导体表面时，半导体内部N区和P区中原子的价电子通过光辐射获取超过禁带宽度的能量（电子能级从价带增加至导带），脱离共价键的束缚。由此，半导体内部产生非平衡状态的电子空穴对。若非平衡电子空穴对在半导体内复合，并恢复至平衡状态，则该半导体不能将吸收的光能转化为电能，其吸收的光能被自身损耗，不能对外发电。

图片来源：中国慕课大学《光伏发电工程技术》

因此，要实现光电转换的目的，需在半导体中电子空穴对复合以前，将电子与空穴分离，使二者不能在半导体内直接复合。

半导体电子与空穴分离可依靠PN结空间电荷区的“势垒”电场实现。半导体内电子空穴对被光激发产生后，立即被PN结内电场分离，电子被推向N区，空穴被推向P区，即N区具有过剩的电子，P区具有过剩的空穴，由此，PN结两侧产产生与“势垒”电场方向相反的光生电动势。

由此类具有PN结的半导体制作成太阳能电池并外接负载后，光生电流从P区经过负载流至N区，负载即可输出功率。

图片来源：中国慕课大学《光伏发电工程技术》

太阳能电池的核心是PN结，PN结类似一堵阻碍电子与空穴复合的墙壁，当太阳能电池被阳光照射时，电子吸收光能向N区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。由此使PN结两端产生电势差，即电压。

单晶硅太阳能电池的开路电压一般为0.6V左右，工作电压约为0.5V左右。

二、太阳能电池等效电路

太阳能电池等效电路包括：理想形式、实际形式。如图一所示。

图一，图片来源：根据中国慕课大学《光伏发电工程技术》资料制作

（1）图中量的含义

1）电压

UOC是太阳能电池的开路电压；是将太阳能电池置于100mW/cm^2^的光照射下，且太阳能电池输出两端开路时，所测得的输出电压值（UOC值可用高内阻直流毫伏计测量）。太阳能电池的开路电压与入射光辐照度的对数成正比，与环境温度成反比（温度升高1℃，UOC值约下降2~3mV），与电池面积的大小无关（个人理解：被光照射的面积大小）。

2）电流

①Iph是电池内部的光生电流，此光生电流与受光面积、入射光的辐照强度成正比，同时，环境温度升高，Iph值略有上升。1平方厘米的太阳能电池的Iph值约为16~30mA。

②ID是光伏电池内部暗电流（根据百度百科：无光照射时，太阳电池内流动的电流被称为暗电流），反映光伏电池PN结流过的单向电流。

③IL是光伏电池输出负载电流。

④Ish是PN结的漏电流（个人理解：此处的漏电流可理解为少数载流子在PN结内漂移形成的电流。少数载流子在PN结内漂移包括N型半导体内的空穴向P型半导体漂移，P型半导体的电子向N型半导体漂移）。

3）电阻

①RL是电池的外负载电阻。

②RS是串联电阻，一般其电阻值小于1Ω，主要由半导体材料的体电阻、金属电极与半导体材料的接触电阻、扩散层横向电阻（根据百度百科理解：扩散层横向电阻可能是因利用扩散工艺在硅片表面掺入三价或五价元素而改变硅片的电阻率所形成的电阻）、金属电极电阻四部分组成，其中，扩散层横向电阻为串联电阻的主要形式。

③Rsh是旁路电阻，一般其电阻值为几千欧姆，主要由电池表面污染、半导体晶体缺陷等原因产生。

（2）理想形式与实际形式的关系

R S 、Rsh均为硅型太阳能电池本身的固有电阻，相当于电池的内阻。因为串联电阻RS电阻值小，并联的Rsh电阻值大，所以太阳能电池的理想形式可将R S 、Rsh去除。太阳能电路等效电路的理想形式为一个电流为Iph的恒流源与一个二极管并联。