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1 原 理

1．1 太 阳 光 谱

太 阳辐 射 能来 源 于其 内部 的热 核反 应 ，每 s转 换 的

能 量 约为 4×10 J，基本 上 都是 以电磁 辐射 的形 式 发 射

出来 ．辐射 波 长分 布 在 紫外 到 红 外 区 (0．2～0．3“m)．

所消 耗 的 氢 只不 过 是 太 阳总 质 量 的 2．6×10I1 ，是 微

不足 道 的 ．为 了定量 描述 太 阳能 ，将 在 太 阳 一地球 平

均距 离 处 的 自由空 间 中太 阳 的辐 射 强 度 定 义 为 太 阳 能

常数 (数值 为 1 353 w／m2)，将 大 气 对 地 球 表 面 接 收 太

阳 光 的 影 响 程 度 定 义 为 大 气 质 量 (AM )．AM 数 值 不

同 ，太 阳光谱 会 产生 不 同的 变化 ．当太 阳辐 射 强度 为 太

阳能 常数 时 ，大气 质 量 记 作 AM0．AM0光 谱 适 合 于人

造卫 星 和宇 宙飞 船 上的情 况 ．大气 质量 AM1的光谱 对

应 于直射 到 地球 表 面的 太 阳光谱 (其 入 射光 功 率 为 925

w／m )．图 1是 AM 0和 AM1两 种条 件 下 的太 阳光 谱 ，

收稿 日期 ：2002—03—11；修 回 日期 ：2002—08—12

作 者简 介 ：李 海雁 (1964一 )，男 ，云南 临沧人 ，昆 明师范 高 等专科 学校 物理 系副教 授 ，主要从 事太 阳能 的研究 和 开发 工作

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第 9期 李 海 雁 等 ：太 阳 能 电 池 3"I

它们 之 间 的 差 别 是 由大 气 对 太 阳 光 的 吸 收 引 起 的 衰

减造 成 的 ，主 要 来 自 臭 氧 层 对 紫 外 光 的 吸 收 和 水

蒸 气对 红 外光 的吸 收 ，以 及 空 气 中尘 埃 和 悬 浮 物 的 散

射 ．太 阳光谱 对 太 阳 电池 材 料 的 选 择 是 一 个 很 重 要 的

因 素 ．

图 1 AM0和 AM 1太 阳 光 谱

1．2 光 伏 效 应 和 光 电 池 的 主 要 性 能 参 数

图 2为 P—n结 太 阳能 电 池示 意 图 ．它 由在 表面 形

成 的 浅 P—n结 、正 面 的 梳 状 电 极 、覆 盖 整 个 背 面 的 欧

姆 接触 和正 面 的 抗 反 射 涂 层 四部 分 构 成 ．P区 的 空 穴

向 n区扩 散 ，n区的 电子 向 P区扩 散 ，引起 P区 荷 负 电 ，

n区荷 正 电 ，在 P— n交 界 面 附 近 的 一 个 区 域 (结 区 ，或

称耗尽 区)内形 成 一 电 场 ，称 为 内建 电 场 ，如 图 3(a)所

示 ．图 中左侧 为 n区 ，右侧 为 P区 ，纵 坐标 为 电子 能 量 ．

电子能量 越 高 ，电 势 越 低 ．n区 电势 比 P区 电 势 高 ，电

场方 向 由 n区指 向 P区 ．当光 电池 受到 太 阳光 照 时 ，能

量 大于构 成 P—n结 的半 导体 材料 的禁 带 宽度 E 的光

正面指状 条形接 触

图 2 硅 P—n结 太 阳能电池 示意 图

子将 价 带 电子激 发 到导 带 ，同 时 在 价 带 中 产 生 空穴 ．它

们 都称 为 光 生载 流子 ．在 P—n结 的结 区 ，光 生 电子 和

空穴 被 内建 电场 分 别 推 到 势 垒 的 n、P区边 沿 ，然 后 向

各 自的 内部 扩 散 ，在 两 端 形 成 电 压 ，这 就 是 光 伏 效 应 ．

若在 P—n结两 端 接入 外 电 路 。该 光 生 电压 就 可 形 成 电

流 ．从 外 电 路 来 看 ，发 生 光 伏 效 应 的 那 个 P～n结 就 是

一 个 电 源 ．即 光 电 池 ．

(a)太 阳 光 辐 照 下 的 硅 P—n结 太 阳 能 电 池 能 带 图 ；

(b)太 阳能 电池的 理想 等效 电路

图 3

从 能量 转换 的 角度 来 看 ，光 伏效 应 是 能 量 大 于 E

的光子 将其 一部 分 能 量 转 变 为 电 能 ．为 了 导 出转 换 效

率 ，考 虑 P一13结 被 太 阳光 照 射 时 的等 效 电路 图 3(b)．

其 中左 图为实 际接 线线 路 图 ；右 图 为 等 效 电路 ，其 中有

一 恒 流源 和 结并 联 ，恒 流 源 电流 J． 是 由太 阳 光照 激 发

出 来 的过 剩 载 流 子 产 生 的 ．流 过 二 极 管 的 电 流 为 f=

J (e 一1)，J 是 二 极 管饱 和 电流 ，R 是 负 载 电 阻 ．

流 过 二极管 的电流 等于 j 与 j之 和 ，故 这 种 太 阳 能 电

池 的理想 卜一V 特 性 由下式 给 出 ：

j= js(e 一1)一 jL (1)

按此 式 和具 体器 件有 关 参数 可算 出该 器 件 的 J—V 特

性 曲线 ，如图 4中 R =0的曲线 (有 关 参 数 为 ：j =100

mA，J =1 nA，器件 截 面 积 A =4 cTI12和 T=300 K)．

写出 输 出 功 率 P = JV 的 具 体 形 式 ，对 之 求 导 数 ，当

dP／dV=0时 ，输 出 功率 *大 ．将 此时 的输 出 电压 和 电

流分 别记 为 V 和 J ，可 证 明太 阳能 电池 的功 率 转 换

效 率 由下式 给 出 ：

71=

Im

广

V m ： —FF IL Voc (2)

式 中 P 是入 射功 率 ，V0c为 开路 电 压 (电 池两 端 开路 时

的路 端 电压 )，占空 因子 FF定义 为

， V

FF；； (3)

向

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大 学 物 理 第 22卷

为使 效 率达 到* 大 ，应 使 式 (2)分 子 中的 三个 量 FF、j．．

和 V 都 增加 到* 大 ．

有许 多 因素可 以使 太 阳能 电池 的效 率 降 低 ．其 中

主要 因素 之 一是 欧姆 接触 的串联 电 阻 R 引 起 的损 耗 ．

计入 R 的等 效 电 路 如 图 4所 示 ，

图 4画 出 了 R =5 Q情 形 的 曲线 ．可 以看 出 ：仅仅

5 Q 的 串联 电阻 就使 有 用功 率 相 对 于 R =0时 的 *大

输 出功 率减 小 了 70％ 以上 ．而 串联 电阻 与 P—n结 的结

深 、P区 和 n区 的掺杂 浓度 及 正面 欧姆 接 触 的形 状 等 因

素有关 ．具 有 图 2所 示 几何 形状 的典 型 硅太 阳能 电池 ，

n 一P结 (n区掺 杂浓 度 比 P区掺 杂浓 度 高 的 P—n结 )

和 P 一n结 (P区掺 杂 浓 度 比 n区掺 杂 浓 度 高 的 P—n

结 )光 电池 的串联 电 阻分 别约 为 0．7 Q和 0．4 Q．

使效 率 降 低 的另 一 个 原 因是 耗 尽 区 内 的 复 合 电

流 ，即光 生 电子 和 光 生 空 穴 在 结 区扩 散 过 程 中进 行 复

合 而形 成 的 电流 ．它 消 耗 了部分 光 生载 流子 ，使 它 们 不

能被 用来 对外 电路提 供 电 流 ，故 使 光 电池 的 效 率 降低 ．

有 复 合 电流情 况 下 的效 率 比理 想 情 况 下 低 得 多 ，300 K

时可 使硅 太 阳能 电池 的效率 下 降 25％．

   

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