第1章 太阳能光伏发电原理

1.1 光生伏特效应

太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池，又称光伏电池。太阳能电池发电的原理是基于半导体的光生伏特效应。光伏电池是以半导体PN结上接受太阳光照产生光生伏特效应为基础，直接将光能转换成电能的能量转换器。其工作原理是：当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，通过光辐射获取到超过禁带宽度Eg的能量，脱离共价键的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子—空穴对。这些被光激发的电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，用于光伏电池能量自动损耗部分。一般希望有更多的光激发载流子中的少数载流子能运动到PN结区，通过PN结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域，对外形成与PN结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外电路，即可有电能输出。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串、并联的方式组合在一起，就构成光伏电池组件，可以在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。光生伏特效应产生过程如图1-1所示。

图1-1 光生伏特效应产生过程

图1-2形象地示意了照射到光伏电池表面的太阳光线的各种作用情况。

图1-2 光伏电池受光照情况

①是指在电池表面被反射回去的一部分光线。②是指刚进电池表面被吸收生成电子-空穴对的光线，其中大部分是吸收系数较大的短波光线。但它们来不及达到PN结就很快地被复合还原，所以它们对产生光生电动势没有贡献。③是指在PN结附近被吸收生成电子-空穴对的那部分光线，它们是使光伏电池能够有效发电的有用光线。这些光生非平衡少数载流子在PN结特有的漂移作用下产生光生电动势。④是指辐射到电池片深处，距离PN结较远的地方才被吸收的光线，它们与光线②的情况相同，虽能产生电子-空穴对，但在到达PN结之前已被复合，只有极少部分能产生光生电动势。⑤是指被电池吸收，但是由于能量较小不能产生电子-空穴对的那部分光线，它们的能量只能使光伏电池加热，温度上升。⑥是指没有被电池吸收而透射过去的少部分光线。

由此可见，能够产生光生电动势的主要是光线③，所以应该尽可能地增加它的比例数量，才能提高光伏电池的光电转换效率。所谓光电转换效率，是指受光照的光伏电池所产生的最大输出电功率与入射到该电池受光几何面积上全部光辐射功率的百分比。

图1-3说明了当光伏电池的上电极和下电极接上负载电路后，光线③部分如何在外电路上形成电流的过程。

图1-3 光伏电池产生电流示意图

如上所述，正是由于这些靠近PN结的光生少数载流子，在PN结的漂移作用下，N区的电子留在N区，空穴流向P区；P区的空穴留在P区，电子流向N区，构成光生电场；从外电路看，P区为正，N区为负，一旦接通负载，N区的电子通过外电路负载通向P区形成电子流；电子进入P区后与空穴复合，变回成中性，直到另一个光子再次分离出电子-空穴对为止。约定电流的方向与正电荷的流向相同，与负电荷的流向相反。于是光伏电池与负载接通后，电流是从P区流出，通过负载而从N区流回电池。

半导体材料在不同的温度和光辐射下，产生的电子-空穴对的数量是不同的。利用光伏效应原理而制成的光伏电池，PN结是其工作原理的核心。光伏电池可制成P+/N型结构或N+/P型结构。其中，第一个符号即“P+/N”表示光伏电池正面光照层半导体材料的导电类型；第二个符号即“N+/P”表示光伏电池背面衬底半导体材料的导电类型。光伏电池的电性能与制造电池所用的半导体材料的特性有关。在太阳光照射时，光伏电池输出电压的极性以P型侧电极为正，N型侧电极为负。

照射到光伏电池表面的太阳辐射光含有各种不同的波长，各波长光的能量和其在光伏电池中的穿透深度也随之不同。也就是说，光伏电池对光能的吸收，随光波波长的不同而不同。它对短波的吸收系数较大，对长波的吸收系数则较小。而对于射入电池材料内部的太阳光来说，只有那些光子能量 ε≥Eg的光线，才能激发出电子—空穴对，而那些光子能量 ε<Eg的光线，则不能放出电子—空穴对，只能使光伏电池自身加热。此外，已产生的电子—空穴对，也有一部分被过早地复合还原，对光生电流没有起作用，造成光能的一部分损失。所以说太阳光能不可能全部转变成电能。

当一束太阳光辐射到物体表面，除了一部分光穿透物体表面进入物体内部外，还有一部分被物体表面反射回去。反射光强度与入射光强度之比称为反射系数ρ，穿透光强度与入射光强度之比称为透射系数 τ。根据能量守恒定律，入射光应等于透射光与反射光之和：ρ+τ=1。从制造高效率的光伏电池的角度来说，反射系数越小越好。因而在制造光伏电池时，常使用减反射膜技术或其他技术（如绒面技术）来尽可能地减少反射光的比例。