太阳能电池基本原理光生伏特原理N结内建电场等效电路

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光生伏特效应及原理

光生伏特效应
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光生伏特效应
光生伏特效应：当阳光照射到PN结上，产生电子——空穴对，在半导体内部结附生成载流子没有被复合而达到空间电荷区，受内建电场的吸引（不加外电场），电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区存储了过剩的电子，P区有过剩的空穴。它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了抵消势垒电场作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之前就的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。
栅指形状（减少接触电阻，尽量少挡住阳光）
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Thanks
I：负载电流；
IL：光生电流； Is：P-N结反向饱和电流； V：P-N结两端电压；
光电池：利用半导体的光生伏特效应，而将光能转换成电能的装置。即将p-n结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流流过电路，p-n结起到了电源的作用。这类装置叫光电池。
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
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光生伏特效应
P-N结的能带图：
P型
N型
P型
N型
Ef
Efp
Efn
无光照能级弯曲的原因：在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级
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光生伏特效应
P-N结的能带图：
有光照
光照时n区产生少子空穴，p区产生少子电子；在内建电场的作用下，n区的空穴向p区运动，而p区的电子向

光伏发电的基本原理和应用

光伏发电的基本原理

太阳能是一种辐射能, 它必须借助于能量转换器件才能变换为电能.这种把辐射能变换成电能的能量转换器件,就是太阳能电池. 太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的器件,这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”太,阳能电池又称为“光伏电池”.当太阳光照射到由P、N 型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N 结上时，在一定条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收. 形成内建静电场.如果从内建静电场的两侧引出电极并接上适当负载,就会形成电流, 这就是太阳能电池的基本原理.单片太阳能电池就是一薄片半导体P-N 结.标准光照条件下, 额定输出电压为0.48V. 为了获得较高的输出电压和较大容量,往往把多片太阳能电池连接在一起,目前,太阳能电池的光电转换率一般在15% 左右，个别发达国家的实验室太阳能电池光电转换率已经可以达到30% 左右.

太阳能设计问答

问：根据输出功率，如何设计一套太阳能发电系统？答：太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成；太阳能直流发电系统则不包括逆变器。为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源，就要根据用电器的功率，合理选择各部件。下面以100W 输出功率，每天使用 6 个小时为例，介绍一下计算方法：

1. 首先应计算出每天消耗的瓦时数（包括逆变器的损耗）：若逆变器的转换效率为

90 ％，则当输出功率为100W 时，则实际需要输出功率应为100W/90 ％=111W ；若按每天使用 5 小时，则耗电量为111W*5 小时=555Wh 。

太阳能电池的结构和基本原理课件

玻璃衬底非晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。
玻璃衬底非
晶硅太阳能电池是先在玻璃衬底上淀积透明导电薄膜，然后依次用等离子体反应沉积p型、I 型和n型三层a-Si，接着再蒸涂金属电极铝，电池电流从透明导电薄膜和电极铝引出。
不锈钢衬底非晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。
不锈钢衬底型太阳能电池是在不锈钢衬底上沉积pin非晶硅层，其上再沉积透明导电薄膜，最后与单晶硅电池一样制备梳状的银收集电极。电池电流从下面的不锈钢和上面的梳状电极引出。
Voc＝
kT q
ln(
IL Is
+1)
2、短路电流Isc 如将pn结短路（V=0），因而IF=0，这时所得的
电流为短路电流Isc。显然，短路电流等于光生电流，即：
Isc = IL
３、填充因子FF
在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该
点所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最
显然短路电流等于光生电流20学习交流ppt3填充因子ff在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积其中只有一点是输出最大功率称为最佳工作点该点的电压和电流分别称为最佳工作电压vop佳工作电流iop填充因子定义为
太阳能电池的结构和基本原
理
本章以单晶硅pn结太阳能电池为例，介绍半导体太阳能电池的基本工作原理、结构及其特性分析。

图解：太阳能发电原理

太阳能发电原理

提到太阳能我们并不陌生,但通常想到的是太阳热能的利用,比如太阳能热水器,而对太阳能发电并不太熟悉。很多人其实还不明白太阳能发电原理，本文主要讲述的是太阳能发电原理,感兴趣的朋友们速速围观。

一、太阳能发电原理

光伏发电就是我们常说的太阳能发电，是根据光生伏特效应原理，利用太阳能光伏电池把太阳辐射能直接转变成电能的发电方式。光子照在P-N结内形成电子——空穴对，电子在内建电场的作用下向电池负极移动，经过外电路达到正极形成电流。它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，太阳能发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，太阳能发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。通常民间所说的太阳能发电往往指的就是太阳能光伏发电，简称光电。

太阳能电池板结构图

太阳能发电的工作原理图

二、太阳能发电系统构成

太阳能发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，

太阳跟踪控制系统等设备组成。其部分设备的作用是：

电池方阵：在有光照的情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。

蓄电池组：其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。

控制器：是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。

逆变器：是将直流电转换成交流电的设备。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。

三、太阳能发电的优势

太阳能作为一种能源，与煤炭、石油、天然气、核能等矿物燃料相比，具有以下明显的优点: 普遍，可直接开发和利用

太阳能电池基本工作原理

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。

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。

N型半导体是指自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体，P 型半导体是指空穴浓度远大于电子浓度的杂质半导体。当N型半导体和P型半导体接触时，在它们的交界处就出现电子和空穴的浓度差。此时，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。当N型半导体中的电子扩散到P型一边，N型半导体由于失去电子

而带正电，P型半导体一边带负电。这样，就在接触界面处建立起了一个电场，被称为内建电场，其内电场方向由N区指向P区。

内建电场使N型半导体中的少数载流子会沿着与电子扩散方向相反的方向进行漂移运动。由于电子和空穴的电荷相反，所以多子扩散电流与少子漂移电流的方向正好相反。随着多数载流子的扩散运动不断进行，相应一边失去的电荷也就越多；同时内建电场也因此不断增强，因此反向少子漂移电流被不断增加；最终空间电荷区内载流子的扩散电流与漂移电流将达到动态平衡。

光生伏特效应与原理

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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
2.开路电压 ➢ 负载电流I=0,即IL=IF： 3.短路电流
Voc kT ln( I L 1) q IS
I I ➢ 将p-n短路V=0,则IF=0，所得电流为短路电流ISC：
SC
L
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
4.特性曲线
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e P e e n e 浅结
太阳光
在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，
而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数载流子的运动.
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光生伏特效应
P-N结的内建电场：
p
n
e eபைடு நூலகம்
e e
空穴
电子
p 耗尽层 n
---- ---- ++++ ++++
x0
U0
x
x0
动平衡时 p 型与 n 型接触区域的电势变化
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光生伏特效应
P-N结的能带图：
P型
N型
P型
N型
Ef
Efp
Efn
无光照能级弯曲的原因：在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级
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光生伏特效应
P-N结的能带图：

太阳电池原理及基本特性

第一章太阳电池原理
第二节太阳电池原理及基本特性
太阳电池原理及基本特性
目录
p-n结的光生伏特效应结的光生伏特效应太阳电池的电流电压特性太阳电池的电流电压特性太阳电池的基本参数如何提高电池的光电转换效率太阳辐射基本知识
太阳电池原理及基本特性
1. p-n结的光生伏特效应
当用适当波长的光照射非均匀半导体（当用适当波长的光照射非均匀半导体（p-n结等）时，适当波长的光照射非均匀半导体结等）由于内建场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势由于内建场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势），（光生电压）；如将p-n结短路，则会出现电流（光生电流光生电压）；如将p 结短路，则会出现电流（）；如将）。这种由内建场引起的光电效应称为光生伏特效应。）。这种由内建场引起的光电效应称为光生伏特效应。这种由内建场引起的光电效应称为光生伏特效应
太阳电池原理及基本特性
3. 太阳电池的基本参数
（2）温度温度随温度的增加，效率η下降。 ISC对温度T很敏感，温度还对VOC 起主要作用。对于Si，温度每增加1℃， VOC下降室温值的0.4%，也因 η
而降低约同样的百分数。例如，一个硅电池在20℃时的效率为 20%，当温度升到120℃时，效率仅为12％。又如GaAs电池，温度每升高1℃ ， VOC 降低1.7mV 或降低0.2%。

太阳能电池工作原理

太阳能电池是一种利用光能转化为电能的设备。它是一种半导体材料制成的电子器件，具有将太阳光能直接转化为电能的能力。以下是太阳能电池的工作原理。

一、光电效应

光电效应是太阳能电池工作的基础，也是太阳能电池能够将光能转化为电能的关键过程。当光线照射到太阳能电池上时，光子（光的粒子能量）被半导体材料吸收。光子的能量传递给材料中的电子，使它们跃迁到导带中，生成自由电子和空穴。

二、pn结

太阳能电池通常是由p型半导体和n型半导体组成的pn结。P型半导体材料中掺杂有电子亏损的杂质（如硼），n型半导体材料中掺杂有电子过剩的杂质（如磷）。当p型半导体和n型半导体通过pn结相连后，形成了电荷分布不均匀的区域。

三、电势差

在pn结中，p型半导体与n型半导体之间形成了一个电势差，称为内建电势差。内建电势差的存在导致了p区和n区之间的电场，从而阻止自由电子和空穴的扩散。这种电势差在静止状态下保持着。

四、光生电子-空穴对的分离

当光线照射到太阳能电池上时，光子的能量将导致p-n结区域内的

电子和空穴分离。光生电子和空穴被电场分离，电子向n区移动，空

穴向p区移动。这样就产生了电流，将光能转化为电能。

五、导电回路

为了利用太阳能电池产生的电流，需要将其与外部回路连接。一个

外部回路将太阳能电池与负载（如电灯、电器等）连接起来。通过导线，电流从n区通过负载再回到p区，从而形成了一个完整的电路。

通过以上几个步骤，太阳能电池便可以将光能有效地转化为电能。

太阳能电池的工作原理基于光电效应，通过pn结的形成和内建电势差

太阳能电池原理及应用图文详解-精

➢在太阳能PN结产生过程中，实际上就是依据补偿作用，通过掺杂而获得我们所需要的导电类型来组成所要生产的器件。
11 11
PN结的形成
PN结的形成
➢当P型半导体和N型半导体接触后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。 ➢由于扩散运动，在P区和N区的接触面就产生正负离子层。N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子。通常称这个正、负离子层为PN结。 ➢在PN结的P区一侧带负电，N区一侧带正电。PN结便产生了内电场，内电场的方向是从N区指向P区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至达到平衡，在界面处形成稳定的空间电荷区。如下图：
6Hale Waihona Puke Baidu
6
太阳能电池工作原理
太阳能电池基本原理
➢如图所示,当处于开路的情况下,当光生电流和正向电流相等的时候,则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间,P-N结两端将建立起稳定的电势差Voc(P区为正,N区为负)。
➢如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流,只要光生电流不停止,就会有源源不断的电流通过电路,P-N结起到了一个电源的作用. 这就是太阳能电池的工作原理。

太阳能电池的工作原理

太阳能电池是一种利用光能直接转换为电能的器件，它是利用光生电压效应将太阳光转化为电能的装置。太阳能电池的工作原理主要是通过光生电压效应和PN结的作用来实现的。

首先，让我们来了解一下光生电压效应。当光线照射到半导体材料上时，光子会激发半导体中的自由电子，使其跃迁到导带中，同时在价带中留下一个空穴。这样就形成了电子-空穴对。当这些电子-空穴对被电场分离时，就会产生电压，这就是光生电压效应。这个电压就是太阳能电池的输出电压。

其次，我们来看一下太阳能电池的结构。太阳能电池的主要结构是PN结。PN结是由N型半导体和P型半导体组成的，它们之间形成了一个电场。当太阳能电池受到光照时，光子激发了半导体中的电子-空穴对，这些电子-空穴对会被电场分离，形成电压，从而产生电流。

最后，让我们来看一下太阳能电池的工作过程。当太阳能电池受到光照时，光子激发了半导体中的电子-空穴对，这些电子-空穴对被电场分离，形成电压和电流。这样就实现了将太阳能转化为电

能的过程。

总的来说，太阳能电池的工作原理是利用光生电压效应和PN结的作用来将太阳能转化为电能。通过光子激发产生的电子-空穴对在电场的作用下形成电压和电流，从而实现了太阳能电池的工作。这种利用光能转化为电能的技术不仅具有环保、可再生的特点，而且在未来的能源领域有着广阔的应用前景。

太阳能电池工作原理

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴

由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能

电池的工作原理。

一、太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光―热―电转换方式，另一种是光―电直接转换方式。

（1）光―热―电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热

器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光―热转换过程；后一个过程是热―电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低

而成本很高。

（2）光―电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光―电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光

能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光

电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成

为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具

有永久性、清洁性和灵活性三大优点.

光生伏特效应简称为光伏效应，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。

太阳能电池是一种近年发展起来的新型的电池。太阳能电池是利用光电转换原理使太

阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏

特效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”，用于太阳能电池的半导体材料是一种介

于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的

太阳能电池的结构和基本原理

显然短路电流等于光生电流3填充因子ff在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积其中只有一点是输出最大功率称为最佳工作点该点的电压和电流分别称为最佳工作电压vop佳工作电流iop填充因子定义为
第三章太阳能电池的基本原理
本章以单晶硅pn结太阳能电池为例，介绍半导体太阳能电池的基本工作原理、结构及其特性分析。
负载
I
其中：V是光生电压，Is是反向饱和电流。
如光电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流应该是：
I = IF-IL = Is[exp(qV/kT)-1]-IL 这就是负载电阻上电流与电压的关系，也就是光电池的伏安特性方程。
左图分别是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线。
２、描述太阳能电池的参数
佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vop和最
佳工作电流Iop。填充因子定义为：
FF =
VopIop VocIsc
= Pmax VocIsc
它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积在 Voc 和Isc所组成的矩形面积中所占的百分比。特性好的
太阳能电池就是能获得较
大功率输出的太阳能电池，也就是 Voc ， Isc 和 FF 乘积较大的电池。对于有合适
S是指电池中的有效发电面积时，叫本征转换效率。
不论是一般的化学电池还是太阳能电池，其输出特性一般都是用如下图所示的电流－电压曲线来表示。由光电池的伏安特性曲线，可以得到描述太阳能电池的四个输出参数。

太阳能电池基本原理光生伏特原理N结内建电场等效电路

太阳能电池基本原理

基本原理——光生伏特效应

太阳能光伏发电是利用太阳电池的光伏效应原理，直接把太阳辐射能转变为电能的发电方式。典型太阳电池是一个 p-n 结半导体二极管。

光子把电子从价带（束缚）激发到导带（自由），并在价带内留下一个空穴（自由）——产生了自由电子-空穴对（光生载流子），p型材料中的电子与n型材料中的空穴将在与少子寿命相当的时间内，以相对稳定的状态存在，直到复合。当载流子复合后，光生电子空穴对将消失，没有电流和功率产生。光生电子-空穴对在耗尽层中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被送进n区，光生空穴则被送进p区。光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能。

内建电场

当把N型和P型材料放在一起的时候，在N型材料中，费米能级靠近导带底，在P型材料中，费米能级靠近价带顶，当P型材料和N型材料连接在一起时，费米能级在热平衡时必定恒等，由于在P型材料中有多得多的空穴，它们将向N

型一边扩散。与此同时，在N型一边的电子将沿着相反的方向向P型区扩散。由于电子和空穴的扩散，在p-n结区产生了耗尽层，即空间电荷区电场，又称为内建电场。

（1）光子吸收：在大部分有机太阳能电池中，因为材料的带隙过高，只有一小部分入射光被吸收，吸收只能达到30%左右。

（2）激子扩散：激子的扩散长度应该至少等于薄膜的厚度，否则激子就会发生复合，造成吸收光子的浪费。

（3）电荷分离：对于单层器件，激子在电极与有机半导体界面处离化，对于双层器件，激子在施主－受主界面形成的p-n结处离化。

（4）电荷传输：在有机材料中，电荷的传输是定域态间的跳跃，而不是能带内的传输，这意味着有机材料和聚合物材料中载流子的迁移率通常都比无机半导体材料的低。

太阳能电池的结构和基本原理

太阳能电池发电的原理是全新的，与传统方法是完全不同，既没有马达旋转部分，也不会排出气体，是清洁无污染的发电方式。
太阳能电池的构造
单晶硅太阳能电池的典型构造如下图。
单晶硅太阳能电池通常是以 p 型 Si 为衬底，扩散n型杂质，形成如图 (a) 所示构造。为取出电流， p型衬底的整个下外表涂银并烧结，以形成银电极，接通两电极即能得到电流。
负载
I
其中：V是光生电压，Is是反向饱和电流。
如光电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流应该是：
I = IF-IL = Is[exp(qV/kT)-1]-IL 这就是负载电阻上电流与电压的关系，也就是光电池的伏安特性方程。
左图分别是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线。
２、描绘太阳能电池的参数
不管是一般的化学电池还是太阳能电池，其输出特性一般都是用如以下图所示的电流－电压曲线来表示。由光电池的伏安特性曲线，可以得到描绘太阳能电池的四个输出参数。
１、开路电压Voc
在p-n结开路情况下〔R= 压即为开路电压Voc。
〕，此时pn结两端的电
这时，I=0，即：IL=IF。将I=0代入光电池的电流电压方程，得开路电压为：
太阳能电池的结构和基本原理
本章以单晶硅pn结太阳能电池为例，介绍半导体太阳能电池的根本工作原理、构造及其特性分析。

太阳能电池等效电路

图1.1是利用P/N 结光生伏特效应做成的理想光电池的等效电路图，图中把光照下的p-n 结看作一个理想二极管和恒流源并联，恒流源的电流即为光生电流I L ，R L 为外负载。I L 的能力通过p-n 结的结电流I j 用二极管表示。这个等效电路的物理意义是：太阳能电池光照后产生一定的光电流I L ，其中一部分用来抵消结电流I j ，另一部分即为供给负载的电流I R 。其端电压V 、结电流I 以及工作电流I 的大小都与负载电阻R 有关，但负载电阻并不是唯一的决定因素。如上所述，I 的大小为

j L I I I -= （1-1）

根据扩散理论，二极管结电流I j 可以表示为

)1(0-=kT qV j j

e I I （1-2）将式（2-2）代入（2-1），得

)1(0--=kT qV L j

e I I I （2-3）

实际的太阳能电池，由于前面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。流经负载的电流，经过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻R S 来表示。由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻R SH 来等效。则实际的光电池的等效电路如图1.2所示[17-20] 。p-n 结光生伏特效应最主要的应用是作为太阳能电池。太阳辐射的光能有一个光谱分布，禁带宽度越窄的半导体，可以利用的光谱越广。但是，禁带宽度E g 太小的话相应能产生的光电动势又会比较小。反之，E g 大的半导体，虽然V OC 可以提高，但可以利用的太阳光谱范围就会比较小[35]。也就是说，开路电压V oc 随E g 的增大而增大，但另一方面，短路电流密度J SC 随E g 的增大而减小。结果是可期望在某一个确定的E g 处出现太阳能电池效率的峰值。因此如何充分合理的利用太阳能资源，是一个太阳能电池生产商面临的关键技术问