简述半导体太阳能电池的基本原理、结构

太阳能电池
是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。

以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。

太阳能（Solar Energy）
一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。

自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。

但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。

太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。

太阳能发电一种新兴的可再生能源。

广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。

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，光生空穴由n区流向p区，光生电子由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。

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
光—热—电转换
（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，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。

因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

光—电直接转换
（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.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的
1.2太阳电池工作原理
1.2.1半导体的内光电效应
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V OC。

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V OC的值。

1.2.2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。

图2.14表示了无光照时典型的电流电压特性（暗电流）。

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I ph流过。

图2.14 无光照及光照时电流－电压特性
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I m和电压V m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P out=RI2m 的功率消耗，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功率。

输出功率（电能）与输入功率（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 E g，E g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n p 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h ν - 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I d =I 0[exp(qV/nkT)-1]朝着与光激发产生的载流子形成的光电流I ph 相反的方向流动，因而流入负载电阻的电流值为
()[]1ex p 0--=-=nkT qV I I I I I ph d ph (2.39)
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h ν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。