第三章-太陽電池

第三章太陽電池3.1太陽電池的特點3.2太陽能電池工作原理及構成3.3太陽能電池種類3.4利用太陽能電池發(fā)電的優(yōu)缺點3.5太陽能電池的特性3.6太陽電池的制造方法太陽電池同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點：

①無枯竭危險；②清潔能源，絕對干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質量高；

3.1太陽電池的特點⑥獲取能源花費的時間短。⑦無可動部分，壽命長。⑧太陽電池的出力隨入射光、季節(jié)、天氣、時刻的的變化而變化，夜間不能發(fā)電。⑨產生的電是直流電，不能儲存。⑩目前發(fā)電成本較高。3.2太陽能電池工作原理及構成1、什么是光伏發(fā)電？所謂光伏發(fā)電是指直接將太陽能轉變成電能的發(fā)電方式。也就是通常人們所說的太陽能發(fā)電。光伏發(fā)電實際上是利用太陽能電池的光生伏打效應，有效吸收太陽的輻射能，并使之直接將光能轉換成電能。光生伏打效應是指物體由于吸收光子而產生電動勢的現象，是當物體受光照時，物體內的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產生電動勢和電流的一種效應。

2、什么是光生伏打效應？3、

P-N結的原理半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的物質，如硅(Si)、鍺(Ge)。硅和鍺是4價元素，原子的最外層軌道上有4個價電子。本征半導體：純凈,晶體結構完整的半導體。雜質半導體：

在本征半導體中摻入某些微量雜質。熱激發(fā)產生自由電子和空穴室溫下，由于熱運動少數價電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，同時在共價鍵中留下一個空位，這個空位稱為空穴。失去價電子的原子成為正離子，就好象空穴帶正電荷一樣。每個硅原子周圍有四個相鄰的原子，原子之間通過共價鍵緊密結合在一起。兩個相鄰原子共用一對電子。（1）本征半導體的導電特征

鄰近共價鍵中的價電子很容易過來填補這個空穴，這樣空穴便轉移到鄰近共價鍵中。新的空穴又會被鄰近的價電子填補。帶負電荷的價電子依次填補空穴的運動。從效果上看，相當于帶正電荷的空穴作相反方向的運動。abc空穴運動價電子填補空穴本征半導體有兩種載流子：帶負電荷的自由電子和帶正電荷的空穴。熱激發(fā)產生的自由電子和空穴是成對出現的，電子和空穴又可能重新結合而成對消失，稱為復合。在一定溫度下本征半導體的自由電子和空穴維持一定的濃度，導電能力很弱。本征半導體小結（2）雜質半導體N型半導體P型半導體

在本征半導體硅或鍺中摻入磷、砷等5價元素，在構成的共價鍵結構中，由于存在多余的價電子而產生大量自由電子，這種半導體主要靠自由電子導電，稱為電子半導體或N型半導體，其中自由電子為多數載流子，熱激發(fā)形成的空穴為少數載流子。像磷、砷這樣為半導體提供自由電子的雜質，稱為施主雜質。自由電子多數載流子空穴少數載流子N型半導體P型半導體在純凈半導體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價元素，在構成的共價鍵結構中，由于缺少價電子而形成大量空穴，這類摻雜后的半導體其導電作用主要靠空穴運動，稱為空穴半導體或P型半導體，其中空穴為多數載流子，熱激發(fā)形成的自由電子是少數載流子。像硼、鋁這樣為半導體提供空穴的雜質，稱為受主雜質。多數載流子空穴自由電子少數載流子

*無論是P型半導體還是N型半導體都是中性的，對外不顯電性。

*多數載流子的數量由摻入的雜質的濃度決定，摻雜濃度越高多數載流子的數量越多。

*少數載流子數量是熱激發(fā)而產生的，其數量的多少決定于溫度。雜質半導體小結（3）PN結的形成及其單向導電性PN結的形成*如果載流子濃度分布不均勻，載流子將會從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動，這種運動稱為擴散運動。*載流子在電場作用下的定向運動稱為漂移運動。*將一塊半導體的一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體，在兩種半導體的交界面處將形成一個特殊的薄層→

PN結。多子擴散形成空間電荷區(qū),產生內電場

少子漂移促使阻止

擴散與漂移達到動態(tài)平衡形成一定寬度的PN結PN結具有單向導電的特性，這也是由其構成的半導體器件的主要工作機理。PN結的單向導電性如果在PN結上加正向電壓，外電場與內電場的方向相反，擴散與漂移運動的平衡被破壞?？臻g電荷區(qū)變窄，內電場被削弱，多數載流子的擴散運動增強，形成較大的擴散電流（由P區(qū)流向N區(qū)的正向電流）。在一定范圍內，外電場愈強，正向電流愈大，這時PN結呈現的電阻很低，即PN結處于導通狀態(tài)。如果在PN結上加反向電壓，外電場與內電場的方向一致，擴散與漂移運動的平衡同樣被破壞。外電場驅使空間電荷區(qū)兩側的空穴和自由電子移走，于是空間電荷區(qū)變寬，內電場增強，使多數載流子的擴散運動難于進行，同時加強了少數載流子的漂移運動，形成由N區(qū)流向P區(qū)的反向電流。由于少數載流子數量很少，因此反向電流不大，PN結的反向電阻很高，即PN結處于截止狀態(tài)。由以上分析可知，PN結具有單向導電性，這是PN結構成半導體器件的基礎。

能帶理論是從原子理論發(fā)展起來的，就單個原子來說，原子是由原子核和核外電子組成的，電子圍繞原子核做特定的運動，我們將這一系列特定的運動狀態(tài)稱為電子的量子態(tài)。每個量子態(tài)中，電子的能量是一定的，這種量子化的能量稱為能級。4、晶體的能帶結構如圖所示，靠近原子核原子的束縛強，能級就低；遠離原子核電子的束縛弱，能級就高。電子只能在這些分裂的能級上運動，或者從一個能級躍遷到另一個能級。E1E2E3E1＜E2＜E3電子的共有化單個原子兩個原子由于晶體中原子的周期性排列而使價電子不再為單個原子所有的現象，稱為電子的共有化。晶體中周期性勢場2、能帶的形成量子力學計算表明，固體中若有N個原子，由于各原子間的相互作用，對應于原來孤立原子的每一個能級,變成了N條靠得很近的能級，即分裂成一系列和原來能級很接近的新能級我們稱之為能帶。原子中的能級晶體中的能帶能帶的一般規(guī)律：2.越是外層電子，能帶越寬，E越大。

1.原子間距越小，能帶越寬，E越大。

3.兩個能帶有可能重疊。滿帶排滿電子的能帶

價帶價電子能級分離后形成的能帶，價帶能量最高，可能被填滿，也可不滿?？諑磁烹娮拥哪軒?，空帶也是導帶禁帶不能排電子的區(qū)域導帶未排滿電子的價帶幾個有關能帶的名稱：

它們的導電性能不同，是因為它們的能帶結構不同。固體按導電性能的高低可以分為導體半導體絕緣體

從能級圖上來看，是因為滿帶與空帶之間有一個較寬的禁帶（Eg約3～6eV），共有化電子很難從低能級（滿帶）躍遷到高能級（空帶）上去。在外電場的作用下，共有化電子很難接受外電場的能量，所以形不成電流。絕緣體絕緣體的能帶滿帶空帶

從能級圖上來看，是因為其共有化電子很易從低能級躍遷到高能級上去。在外電場的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動形成電流。導體導帶滿帶導體的能帶導帶價帶半導體的能帶結構與絕緣體的能帶結構類似,但是禁帶很窄（Eg約0.1～2eV)。半導體半導體的能帶滿帶或價帶導帶絕緣體與半導體的擊穿當外電場非常強時，絕緣體與半導體的共有化電子還是能越過禁帶躍遷到上面的空帶中。通常稱為半導體與絕緣體被擊穿。絕緣體半導體導體一般硅太陽電池采用摻雜三價元素硼的P型硅片作為襯底，電阻率：0.5-3Ω·cm厚度：200-350μm然后采用不同的手段在P型硅的一面摻雜五價元素磷，形成N層。這就構成了太陽電池的核心部件P-N結。5、光伏發(fā)電的基本原理當大于禁帶寬度Eg

的能量的光照射到P-N結表面時，光子注入到半導體后，由于帶間的遷移作用，價電子帶中的電子被激勵，從而激發(fā)出電子空穴對，如果這些電子空穴對有足夠長的壽命，擴散到空間電荷區(qū)附近，就會被P-N結的內電場所分離。

根據電學中異性相吸的原理，N區(qū)中的光生非平衡少子—空穴會向P區(qū)移動，而P區(qū)中的光生非平衡少子—電子會向N區(qū)移動，從而形成從N區(qū)到P區(qū)的電流。

然后被內電場分離出來的光生電子和光生空穴分別在空間電荷區(qū)積累起來，形成光生電場。光生電場和P-N結原有的內電場相反，從而破壞了P-N結平衡，產生了光生電壓。太陽電池工作的條件：必須有光的照射，可以是太陽光、單色光、模擬太陽光等。光子注入到半導體后，激發(fā)出電子空穴對，并且這些電子空穴對有足夠長的壽命，在分離之前不會復合消失。必須有一個靜電場，電子-空穴在靜電場的作用下分離。被分離的電子和空穴被電極收集，輸出到電池外形成電流。太陽電池結構3.3太陽能電池的種類根據所用材料分類Ⅲ-V族化合物：砷化鎵GaAsⅡ-V族化合物：碲化鎘CdTe三元化合物：銅銦硒CuInSe2單晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池1、硅系太陽能電池2、無機化合物太陽能電池3、有機太陽能電池

(1)單晶硅太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。在實驗室里的轉換效率為23%,規(guī)模生產時的效率為15%~18%。

在大規(guī)模應用和工業(yè)生產中仍占據主導地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難。1、硅系太陽能電池熔融的單質硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結合起來便結晶成單晶硅。

硅的單晶體是一種比較活潑的非金屬元素，是晶體材料的重要組成部分，處于新材料發(fā)展的前沿。單晶硅具有基本完整的點陣結構。不同的方向具有不同的性質，是一種良好的半導材料。純度要求達到99.9999％，甚至達到99.9999999％以上。單晶硅具有準金屬的物理性質，有較弱的導電性，其導電性隨溫度的升高而增加，超純的單晶硅是本證半導體。單晶硅太陽電池的特點：⑴硅原子排列非常規(guī)則，結晶缺陷少；⑵在所有硅太陽電池中轉化效率最高，一般實際產品在15%以上；⑶可靠性高，壽命可達到20—30年左右；⑷基本機構多為n+/p型，一般以p型單晶硅片作為基片；⑸光學、電學和力學性質均勻一致；⑹減反射膜一般為SiO2或TiO2薄膜；⑺厚度一般為0.2—0.3mm，電阻率一般為1-3Ω·cm；⑻顏色多為深色或黑色，而且均勻一致。

(2)多晶硅太陽能電池與單晶硅比較,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產的轉換效率為13%—15%。

因此，多晶硅太陽能電池不久將會在太陽能電地市場上占據主導地位。

熔融的單質硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向不相同的晶粒，則這些晶粒結合起來便結晶成多晶硅。多晶硅具有灰色金屬光澤，密度2.32~2.34g/cm3，熔點1410℃，沸點2355℃。溶于氫氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和鹽酸。加熱至800℃以上即有延性，1300℃時顯出明顯變形。常溫下不活潑，高溫下與氧、氮、硫等反應。高溫熔融狀態(tài)下，具有較大的化學活潑性，能與幾乎任何材料作用。

多晶硅太陽電池的特點：⑴在生產過程中，高純硅不是拉成單晶，而是熔化后澆鑄成正方形的硅錠；⑵基本機構為n+/p型，都以p型單晶硅片作為基片；⑶減反射膜一般為氮化硅(Si3N4,)；⑷商業(yè)化電池效率一般為13%-15%；⑸厚度一般為0.22-0.3mm，電阻率一般為0.5-2Ω·cm；⑹多晶硅電池一般為正方形，顏色呈深藍、金、綠等；⑺生產工藝簡單，可大規(guī)模生產，其產量和市場占有率大。單晶硅和多晶硅的區(qū)別：①結構上的區(qū)別：單晶硅的硅原子排列非常規(guī)則，而多晶硅的原子排列是不規(guī)則的。②物理性質的區(qū)別：力學性質、光學性質和熱學性質的各向異性方面，多晶硅遠不如單晶硅明顯；在電學性質方面，多晶硅晶體的導電性也遠不如單晶硅顯著，甚至于幾乎沒有導電性。

③化學性質的區(qū)別：極?、軉尉Ч枧c多晶硅電池的比較：

單晶硅電池具有電池轉換效率高，穩(wěn)定性好，但是成本較高。多晶硅電池成本低，轉換效率略低于單晶硅太陽能電池。單晶硅和多晶硅電池也很容易辨別，單晶硅顏色均勻一致，而多晶硅由大量不同大小的結晶區(qū)域組成。

(3)非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉換效率較高，便于大規(guī)模生產，有極大的潛力。非晶硅太陽電池效率一般為9%左右。

非晶硅又稱無定形硅，單質硅的一種形態(tài)，棕黑色或灰黑色的微晶體。熔點、密度和硬度也明顯低于晶體硅?；瘜W性質比晶體硅活潑。結構特征為短程有序而長程無序。非晶硅有很多沒有和周圍的硅原子成鍵的電子，這些電子在電場作用下就可以產生電流，因而非晶硅可以做的很薄，一般是1μm以下，而單晶硅是300μm。盡管非晶硅太陽能電池轉換效率不高，但它的制造所需能源和使用的材料較少，制造工藝簡單，制作成本也很低，易大量生產，而且還可以制成各種曲面形狀，具有廣闊的應用前景。由于非晶硅太陽能電池在室內弱光下也能發(fā)電，已被廣泛用于太陽能鐘，太陽能手表，太陽能顯示牌等不直接受光照等場合下。2、無機化合物太陽能電池

無機化合物太陽能電池材料為無機鹽，其主要包括砷化鎵(GaAs)等Ⅲ-V族化合物太陽能電池

，硫化鎘(CdS)、碲化鎘(CdTe)等Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽能電池以及銅銦硒(CuInSe2)等三元化合物薄膜太陽能電池等。

(1)砷化鎵（GaAs）等Ⅲ-V化合物電池砷化鎵是一種很理想的太陽電池材料，它與太陽光譜的匹配較適合，且能耐高溫，在250℃的條件下，光電轉換性能仍很良好，單結合的太陽電池效率為26%—28%，最高光電轉換效率約30％，特別適合做高溫聚光太陽電池。

但是GaAs材料的價格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。(2)硫化鎘(CdS)、碲化鎘(CdTe)等Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽能電池

硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產。他1986年首次用于計算器，1988年開發(fā)出了戶外用的太陽電池組件。理論的轉換效率為33.62%-44.44%。目前小面積太陽電池單元的轉換效率為15%以上，大面積的電池單元的轉換效率為10%。

但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴重的污染，因此，這類電池基本上不會得到廣泛應用。

(3)銅銦硒(CuInSe2)等三元化合物薄膜太陽能電池。

銅銦硒薄膜太陽能電池(簡稱CIS)適合光電轉換，不存在光致衰退問題，轉換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。小面積CIS轉換效率為18.8%，大面積達到12%~14%。

唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。

CIS薄膜電池3、有機太陽能電池工作原理:有機半導體產生的電子和空穴束縛在激子之中,電子和空穴在界面(電極和導電聚合物的結合處)上分離。研究進展:美國加州伯克利分校科學家在2002年利用塑料納米技術研制出第一代塑料太陽能電池，可以安裝在一系列便攜式設備及可穿戴式電子設備上。提供0.7V的電壓。特點：價格低、易成型，通過化學修飾調控性能。分類色素增感型太陽能電池有機薄膜太陽能電池(1)色素增感型太陽能電池色素增感型太陽能電池就是在光激勵狀態(tài)下伴隨化學反應產生光電流的光化學太陽電池，其優(yōu)點突出，不僅能夠以低成本進行制造，而且還可實現各種顏色。因此，家電廠商也在積極開發(fā)。2008年索尼宣布單元轉換效率達到了10.1％，之后，松下電工也于2009年春季表示，“在室內用途方面，前景比硅型太陽能電池更為看好”。實現15～16％的效率已為時不遠。色素增感型太陽能電池由透明導電性玻璃、微結晶膜、無機酸化物或增感色素以及電解液構成。瑞士大學洛桑聯(lián)邦理工學院教授MichaelGraetzel于1991年發(fā)表了轉換效率為7.12％的單元，相關研發(fā)由此全面展開。Graetzel在2009年春季于東京大學舉行的“革新性太陽能發(fā)電國際研討會”上宣稱，“2008年12月實現了12.3％的轉換效率”轉換效率突破10％大關是在1992年，之后過了大約13年，才超過了11％。此次超過12％是2005年之后3年的研究成果，性能提高的速度重新開始加快。

(2)有機薄膜太陽能電池

有機薄膜太陽能電池是由色素或高分子材料構成。這種太陽電池具有成本低、對環(huán)境無影響、制造方法簡單、能耗少等優(yōu)點。這種太陽電池柔軟性較好，可制成各種形狀，轉換效率4.5%左右。德國Heliatek

GmbH宣布，其有機薄膜太陽能電池的轉換效率達到了6.07％。測量值已由德國Fraunfofer

ISE認證。

薄膜太陽電池是一種半導體層厚度在幾微米到幾十微米以下的太陽電他。它是在成本較低的玻璃襯底上直接堆積硅系、化合物等材料的薄膜而形成的元件。它具有節(jié)約原材料、效率高、特性穩(wěn)定以及襯底成本較低等特點。4、薄膜太陽電池

薄膜太陽電池可分為硅系、Ⅱ-Ⅵ族化合物等薄膜太陽電池。硅系薄膜太陽電池可分為結晶硅系(單晶硅、多晶硅以及微晶硅)、非晶硅以及由二者構成的混合型薄膜太陽電池。由于薄膜太陽電池的厚度很薄，所以在大面積使用太陽電池時可以節(jié)約很多材料，降低很多成本。特點：⑴只利用紫外光發(fā)電；⑵轉換效率較低。5、透明太陽電池混合型太陽電池由薄膜非晶硅與單晶硅集成，由于在其中形成了I層，即人為地把p-n結的勢壘區(qū)寬度加以擴展，即采用較寬的本證半導體（i）層來取代勢壘區(qū)，使其表面特性提高。6、混合型太陽電池(HIT電池)混合型太陽電池由于形成了I層，使非晶硅與單晶硅的表面特性提高，因此10cm2太陽電池的轉換效率達到21.3%，組件的轉換效率達到17%以上。另外，混合型太陽電池的溫度系數為-0.33%，低于單晶硅太陽電池的溫度系數-0.48%,因此，混合型太陽電池可用于如屋頂設置等溫度較易上升的場合以減少出力的下降。

HIT太陽電池具有如下的特點:⑴結構簡單、轉換效率高；⑵與以前的結晶硅系太陽電池比較，溫度上升對其特性的影響較小，因此實際的發(fā)電量較多；⑶與以前的擴散型結晶系太陽電池單元的結合形成溫度900℃相比，形成非結晶的溫度在200℃以下，比較節(jié)省能源；⑷由于采用了表面、背面對稱的結構，可減少因熱膨脹引起的不均勻，因此可使用薄型襯底，節(jié)省資源；⑸由于可以利用背面的入射光進行發(fā)電，因此這種電池可兩面發(fā)電。7、球狀太陽電池直徑約為1.5mm的球形，使用單晶硅材料制成。它可以吸收來自任何方向的光線，電池的表面可以利用直接照射的光線發(fā)電，背面可吸收反射光發(fā)電。一顆球狀太陽電池的出力約為400毫瓦，發(fā)電轉換效率已達19%以上。8、層積型(Tandem)太陽電池層積型太陽電池由兩個以上的太陽電池層積而成，可利用較寬波長范圍的太陽光能量，因此轉換效率較高。入射太陽光首先被上層太陽電池吸收(短波長的光)并產生電能，未被上層太陽電池吸收的太陽光(長波長的光)則穿過上層太陽電池，照射在下層太陽電池上并產生電能。可見，這種單一的太陽電池可利用較寬波長范圍的太陽光能量。原理9、納米晶體太陽能電池

納米TiO2晶體化學能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。

其光電效率穩(wěn)定在10％以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5～1/10．壽命能達到2O年以上。

III-V族化合物及銅銦硒等系由稀有元素所制備，但從材料來源看，這類太陽能電池很難占據主導地位。從轉換效率和材料的來源角度講，多晶硅和非晶硅薄膜電池可能會取代單晶硅電池，成為市場的主導產品。今后研究的重點除繼續(xù)開發(fā)新的電池材料外應集中在如何降低成本上來，近來國外曾采用某些技術制得硅條帶作為多晶硅薄膜太陽能電池的基片，以達到降低成本的目的，效果還是比較理想的。太陽能電池的展望目前，太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態(tài)硅三種。單晶硅太陽能電池變換效率最高，但價格也最貴。非晶態(tài)硅太陽電池變換效率最低，但價格最便宜，今后最有希望用于一般發(fā)電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變換效率達到１０％，每瓦發(fā)電設備價格降到１－２美元時，便足以同現在的發(fā)電方式競爭。當然，特殊用途和實驗室中用的太陽電池效率要高得多。如美國波音公司開發(fā)的由砷化鎵半導體同銻化鎵半導體重疊而成的太陽能電池，光電變換效率可達３６％，快趕上了燃煤發(fā)電的效率，但是由于它太貴，目前只能限于在衛(wèi)星上使用。優(yōu)點：屬于可再生能源，不必擔心能源枯竭；太陽能本身并不會給地球增加熱負荷；運行過程中低污染、平穩(wěn)無噪音；發(fā)電裝置需要極少的維護,壽命可達20—30年；所產生的電力既可供家庭單獨使用也可并入電網用途廣泛。3.4利用太陽能電池發(fā)電的優(yōu)缺點缺點：受地域及天氣影響較大由于太陽能分散、密度低，發(fā)電裝置會占去較大的面積光電轉化效率低致使發(fā)電成本較傳統(tǒng)方式偏高要有較高的光電轉換效率材料本身對環(huán)境不造成污染材料便于工業(yè)化生產且材料性能穩(wěn)定太陽能電池對材料的要求3.5太陽能電池的特性太陽電池實際上就是一個大面積平面二極管，在陽光照射下就可產生直流電。無光照：無電壓、無電流；有光照但短路：短路電流；有光照但開路：開路電壓；有光照和有負載：有電壓、有電流。

太陽電池的等效電路1、太陽電池的輸入輸出特性RshIshRsIDJsc太陽光電阻Rsh

是電池邊緣漏電或耗盡區(qū)內的復合電流引起的。Rs是由擴散頂區(qū)的表面電阻、太陽電池體電阻、上下電極與太陽電池之間的歐姆電阻等組成ID為暗電流，即流過二極管的正向電流。R+-V當光照射太陽電池時，將產生一個由n區(qū)到p區(qū)的光生電流Jsc

。同時,由于pn結二極管的特性，存在正向二極管電流ID,被稱為暗電流，此電流方向從p區(qū)到n區(qū)，與光生電流相反。ID

相當于沒有光照時太陽電池的電流：其中：I0—逆飽和電流，即二極管飽和電流，由PN結兩端的少數載流子和擴散常量決定的常數；VD—結電壓；

n—二極管因子；

k—波爾茲曼常數，1.38×10-23J/K；

T—溫度。

q—電子電荷

式中VD為結電壓, 在理想狀態(tài)下，RS趨近于零，如果忽略太陽電池的串聯(lián)電阻Rs,VD即為太陽電池的端電壓V，即光照射時，太陽電池電壓電流特性是：當開路時，短路電流I=0，得到開路電壓(opencircuitvoltage)Voc：當太陽電池的輸出端短路時，V=0（VD≈0），得短路電流：當太陽電池接上最佳負載時，最大輸出功率P為電壓電流特性曲線上最大電壓Vm和最大電流Im

的交點，即：

太陽電池的輸出功率Pout為：曲線因子FF：

曲線因子FF是衡量太陽電池性能的一個重要指標。圖中虛線部分為理想狀態(tài)下的太陽電池特性。一般曲線因子的值小于1.0，在0.5—0.8之間。太陽電池的轉換效率：是用來衡量照射在太陽電池上的光能轉換成電能的大小。轉換效率η=太陽電池的輸出能量/太陽電池的入射能量×100%例：太陽電池的面積為2m2，太陽光的能量為1kW/m2，如果太陽電池的發(fā)電出力為0.3kW，則：串、并聯(lián)電阻對填充因子的影響串、并聯(lián)電阻對填充因子有較大影響，如圖所示。串聯(lián)電阻越大，電路中的電流下降就越多，填充因子也隨之減少得越多。

如圖（b）所示，并聯(lián)電阻越小，電路中的電流就越大，開路電壓就下降得越多，填充因子隨之也下降得越多。串、并聯(lián)電阻對填充因子的影響

太陽電池的效率—原理性損失單晶硅電池可將約16％-20％的入射光線轉換為電流。在實驗室最佳的條件下制作的電池效率已經接近25％。從理論講，最大的轉換效率達到30%甚至更高也是可能的。但不管是哪一種材料的太陽電池都不能將全部的太陽光轉換為電流。太陽電池的入射光不能高效的轉換成電能主要是由于以下原因造成的：⑴比硅的禁止帶幅能量小的紅外線，不能夠產生電子空穴對，而是以熱能釋放出去，這部分損失的比例一般為15%—25%。⑵比硅可吸收的能量帶大的短波光可以產生電子-空穴對，此時光能的大小不起作用。在光能臨界值之上一個光量子只能產生一個電子-空穴對，剩余的能量被轉換為未利用的熱量。這部分損失為30%—45%。⑶在太陽光太陽電池表面時，有一部分光會因為在太陽電池表面的反射而損失掉。⑷晶體中的不純(雜質)和晶體結構中的缺陷導致不是所有的電子一空穴對很快地在界面分離，以致一定百分比的電子-空穴對可以復合，從而造成電流損失。⑸電流在流動時會產生焦耳損失。太陽電池的效率—小結在能量轉換時的效率影響——

光學損失：光學損失主要是表面反射、遮擋損失(前電極)和電池材料本身的分光感度特性。電學損失：電能轉換的損失來源可總結為如下方面：載流子損失(復合)和歐姆損失(電極一晶體接觸)等。

對于太陽電池來說，不同的光照射時所產生的電能是不同的，我們將太陽電池對應于不同光的波長的響應特性稱為分光感度特性。2、太陽電池的分光感度特性熒光燈的放射頻譜與非晶硅太陽電池的分光感度特性很相似，在室內使用太陽電池設備時，采用非晶硅太陽電池比較合適，比如太陽能計算器。3、太陽電池的照度特性照度指物體被照亮的程度，采用單位面積所接受的光通量來表示，單位為勒克斯(Lux,lx)。由圖可知：⑴短路電流Isc與照度成正比；⑵開路電壓Voc隨照度的增加而緩慢地增加；⑶最大出力電壓Pmax與照度成比例增加。太陽電池的短路電流隨溫度的上升而增加，開路電壓隨溫度的上升而減少，轉換效率(出力)變小。由于溫度上升導致太陽電池的出力下降，因此，有時需要用通風的方法來降低太陽電池板的溫度以便提高太陽電池的轉換效率，使出力增加。4、太陽電池的溫度特性3.6太陽電池的制造方法1、單晶硅太陽電池的制造方法三氯氫硅氫還原多結晶硅1500℃單結晶硅切片研磨單晶硅薄片硅鐵硅砂(SiO2)焦炭(冶金硅含硅97%—99%)鹽酸單晶硅太陽電池薄片的制造方法⑴由硅砂到冶金硅將石英砂放在大型電弧爐中,用焦碳進行還原，得到冶金硅：

SiO2+2CSi+2CO

硅定期從爐中倒出,并用氧氣或氧-氯混合氣體吹之以進一步提純。然后倒入淺槽,逐漸凝固,便成冶金硅(含硅97%-99%)。⑵由冶金硅到三氯氫硅將冶金硅破碎成粉末,與鹽酸在液化床上進行反應,得到三氯氫硅(TCS)：

Si+3HClSiHCl3+H2⑶由三氯氫硅到多晶硅對三氯氫硅進行分餾,以達到超純狀態(tài)。對超純三氯氫硅用H2通過化學氣相沉積(CVD)方法還原成多晶硅。

SiHCl3+H2Si+3HCl⑷有多晶硅到單晶硅轉變

Si(多晶)

Si(單晶)1500℃單晶硅太陽電池的制造方法光伏組件內部結構示意圖我們常常把太陽電池片通過串聯(lián)或者并聯(lián)結合的方式組成電池組件，來滿足我們對電壓、電流和功率的需要。

串聯(lián)方式：是把太陽電池片通過串聯(lián)的而結合在一起的方式，目的是為了達到我們對電壓的需要。

并聯(lián)方式：為了滿足我們對更高電流的需要，我們需要把電池片通過并聯(lián)的方式結合起來。例：下圖是36片電池組件串聯(lián)結構：光伏組件生產流程太陽電池用的硅材料價格要比冶金級硅高幾十倍。一片100mm×l00mm的太陽電池要用硅材料約10g左右，電功率為1.3～1.5W；1MW太陽電池需要13t左右的硅材料?，F在的發(fā)展趨勢是不管是單晶還是多晶硅太陽電池，都使用大尺寸、超薄的硅片。厚度為200μm—350μm。2、多晶硅太陽電池的制造方法由于單晶硅太陽電池制造工藝復雜，耗能較大，成本較高，所以人們研究出了多晶硅太陽電池的制造方法。多晶硅太陽電池的制造方法有兩種：⑴一種是將被溶解的硅塊放入坩堝中慢慢冷卻使其固化的方法，然后再切成厚度為300——500μm的薄片。⑵另一種是將硅溶液通過模具直接得到薄片狀多晶硅的方法。這種方法制造比較簡單而且有效利用了硅料。硅片制備清洗腐蝕擴散制結去背結電極制備去邊制減反膜燒結檢測晶體硅電池片制造工藝⑴工藝流程⑵硅片制備選擇硅片時，要考慮硅材料的導電類型、電阻率、晶向、位錯、少子壽命等。將符合要求的圓形單晶硅棒切割成厚度為0.2-0.4mm的硅片，并切去四邊成方形。

對于多晶硅錠先進行破錠，再按要求切片。在經過切、磨、拋、及腐蝕等工序后，硅材料一般要損失60%左右。

⑶表面清洗腐蝕用有機溶劑(如甲苯等)初步去油，再用熱硫酸作化學清洗，去除沾污的雜質。在酸性或堿性腐蝕液中進行表面腐蝕，去除表面的切片機械損傷，每面大約腐蝕掉30-50μm。

再用王水或其他其它清洗液進行化學清洗。

每道工序后都要用高純的去離子水沖洗。

⑷擴散制結（是制造太陽電池的關鍵工序）方法有熱擴散；離子注入；外延；激光或高頻電注入等。一般常用熱擴散方法。涂布源擴散：又分簡單涂布源擴散和二氧化硅乳膠源涂布擴散；

液態(tài)源擴散；

固態(tài)源擴散。

熱擴散方法⑸去背結在高溫擴散過程中，硅片的背面也形成了p-n結，所以要把背結去除。常用的方法有化學腐蝕法；磨砂法和蒸鋁燒結法。

⑹制作上、下電極上電極通常是柵線狀，以收集光生電流。下電極布滿在電池的背面，以減少電池的串聯(lián)電阻。