光电池的工作原理

光电池的工作原理

太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。

当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。

当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：

（1）价带电子；

（2）自由电子或空穴（Free Carrier）；

（3）存在于杂质能级上的电子。

太阳电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子得到光的能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为本征或固有吸收。

太阳电池能量转换的基础是结的光生伏特效应。当光照射到pn结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，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。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。此时，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，另一方面，若将PN结两端开路，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就产生了电位差VOC。可以测得这个值，并称为开路电压。由于此时结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定VOC的值。

太阳电池的能量转换过程

太阳电池是将太阳能直接转换成电能的器件。它的基本构造是由半导体的PN结组成。此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到较好的光电转换效率。本节以最普通的硅PN结太阳电池为例，详细地观察光能转换成电能的情况。

首先研究使太阳电池工作时，在外部观测到的特性。当太阳光照射到这个太阳电池上时，将有和暗电流方向相反的光电流Iph流过。

当给太阳电池连结负载R，并用太阳光照射时，则负载上的电流Im和电压Vm将由图中有光照时的电流一电压特性曲线与V=-IR表示的直线的交点来确定。此时负载上有

Pout=RI2m的*Gong*率消耗，它清楚地表明正在进行着光电能量的转换。通过调整负载的大小，可以在一个最佳的工作点上得到最大输出*Gong*率。输出*Gong*率（电能）与输入*Gong*率（光能）之比称为太阳电池的能量转换效率。

下面我们把目光转到太阳电池的内部，详细研究能量转换过程。太阳电池由硅pn结构成，在表面及背面形成无整流特性的欧姆接触。并假设除负载电阻R外，电路中无其它电阻成分。当具有hν（eV）（hν>Eg，Eg为硅的禁带宽度）能量的光子照射在太阳电池上时，产生电子―空穴对。由于光子的能量比硅的禁带宽度大，因此电子被激发到比导带底还高的能级处。对于p型硅来说，少数载流子浓度np极小（一般小于105/cm），导带的能级几乎都是空的，因此电子又马上落在导带底。这时电子及空穴将总的hν - Eg（ev）的多余能量以声子（晶格振动）的形式传给晶格。落到导带底的电子有的向表面或结扩散，有的在半导体内部或表面复合而消失了。但有一部分到达结的载流子，受结处的内建电场加速而流入n型硅中。在n型硅中，由于电子是多数载流子，流入的电子按介电驰豫时间的顺序传播，同时为满足n型硅内的载流子电中性条件，与流入的电子相同数目的电子从连接n型硅的电极流出。这时，电子失去相当于空间电荷区的电位高度及导带底和费米能级之间电位差的能量。设负载电阻上每秒每立方厘米流入N个电子，则加在负载电阻上的电压V=QNr=IR 表示。由于电路中无电源，电压V=IR实际加在太阳电池的结上，即结处于正向偏置。一旦结处于正向偏置时，二极管电流Id=I0[exp(qV/nkT)-1]朝着与光激发产生的载流子形成的光电流Iph相反的方向流动，因而流入负载电阻的电流值为

在负载电阻上，一个电子失去一个qV的能量，即等于光子能量hν转换成电能qV。流过负载电阻的电子到达p型硅表面电极处，在P型硅中成为过剩载流子，于是和被扫出来的空穴复合，形成光电流