2.1　太阳能光伏电池

在光照下，光子被光伏电池所吸收，并激发出电子-空穴对，受内建电场作用而相互分离，在电池两端积累起异号电荷，即产生电压。当外部构成回路的情况下，就形成电流，为外部回路提供电能。在产生电能的过程中，既不发生任何化学变化，也没有机械磨耗，无噪声，无气味，不排放温室气体和其他废弃、废水，对环境无污染。

2.1.1　光伏电池的分类

光伏电池主要分为晶硅类（单晶硅和多晶硅）、薄膜类和化合物类（非晶硅、铜铟镓硒、砷化镓、碲化镉等）和新概念类（染料敏化电池等）。目前比较成熟且广泛应用的是晶硅类电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。

（1）晶硅光伏电池

目前，全世界应用最为广泛的光伏电池为晶硅光伏电池。晶硅光电池又分为单晶硅光伏电池和多晶硅光伏电池。当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔融法从熔体中生长出棒状单晶硅。同时，拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳能电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低。因此，相对来说，目前成本较低但效率相差不大的多晶硅太阳能电池是应用最为广泛的。

晶硅光伏电池的结构如图2-1所示。

（2）非晶硅光伏电池

非晶硅光伏电池是1976年出现的，属于薄膜太阳能电池，与单晶硅和多晶硅光伏电池的制作方法完全不同。相对于晶硅光伏电池，非晶硅光伏电池具有以下优点：制作工艺简单、可连续大面积自动化生产、成本低、原材料价格低、可设计成多种形式结构等。非晶硅光伏电池的缺点包括：转换效率相对较低、光致衰退效应影响电池稳定性等。目前，主要通过制备叠层太阳能电池来改善上述问题。叠层太阳能电池是在制备的P、I、N层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-I-N子电池制得的。

（3）薄膜光伏电池

除了上述的非晶硅光伏电池，还有很多其他种类薄膜光伏电池，比如CIGS（铜铟硒镓）和CdTe（碲化镉）薄膜光伏电池。这两种材料制成的薄膜光伏电池，吸收的光波长范围较非晶硅薄膜光伏电池广，因而转换效率相对较高。同时，也没有非晶硅光伏电池稳定性较差的问题，无光致衰减效应。但是，它们的缺点是所用材料为稀有金属，成本相对较高，转换效率相对晶硅光伏电池又不具优势。薄膜光伏电池的结构如图2-2所示。

2.1.2　光伏电池发电原理

在太阳能电池中，电压是由所谓的“光生伏打效应”产生的。PN结对光生载流子的收集引起了电子穿过电场移向N型区，而空穴则移向P型区。图2-3为光伏电池的等效电路图。

对于光伏电池来说，其发电能力受到光照、温度的直接影响，而使得光生电流Iph的大小不同。根据上述电路模型，可知光伏电池的输出电压和输出电流与Id、Ish有很大关系，因而其特性比较复杂，需要用下文所述的伏安特性曲线描述。

太阳能电池的伏安曲线是二极管在黑暗时的伏安曲线与光生电流的叠加，用光照射电池并加上二极管的暗电流，则其I-u方程为：

（2-1）

式中，n为二极管的理想系数；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度；q为电荷量；I0为二极管反向饱和电流；Iph为光生电流；Rsh为并联电阻；Rs为串联电阻。

下面讨论用于描述太阳能电池特性的几个重要参数：短路电流（Isc）、开路电压（uOC）。I与u、功率P与u之间的关系如图2-4所示。

（1）短路电流

短路电流是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流（或者说电池被短路时的电流），通常记作Isc。对于理想的太阳能电池来说，短路电流就等于光生电流，因此短路电流是电池能输出的最大电流。短路电流的大小取决于以下几个因素。

① 太阳能电池的表面积。

② 光子的数量（即入射光的强度）。电池输出的短路电流Isc的大小直接取决于光照强度。

③ 入射光的光谱。测量太阳能电池的标准通常使用标准为AM1.5的大气质量光谱。

④ 电池的光学特性（吸收和反射）。

⑤ 电池的收集概率。主要取决于电池表面钝化和基区的少数载流子寿命。

在AM1.5大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电流为46mA/cm2。实验室测得的数据已经达到42mA/cm2，而商业用太阳能电池的短路电流在28～35mA/cm2。

（2）开路电压

开路电压uoc是太阳能电池输出的最大电压，此时输出电流为零。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的正向偏压。开路电压可参考图2-4的伏安曲线。通过把式（2-1）中的输出电流I设置成零，便可得到太阳能电池的开路电压uoc方程：

（2-2）

上述方程显示了uoc取决于太阳能电池的饱和电流和光生电流，实验室测得的硅太阳能电池在AM1.5（光照强度1000W/m2）光谱下的最大开路电压能达到720mV，而商业用太阳能电池通常为600mV。