太阳能电池技术文献综述
王胤
东南大学机械学院
摘要: 资源和环境一直都是制约许多国家持续发展的两大瓶颈,因而在环境愈加恶化、资源日益紧缺、科技日新月异的今天，对于清洁的可再生能源的研究成为了热点。太阳能作为一种可再生能源，不仅来源较为广泛（光照），并且几乎不会产生污染，因而倍受研究人员的青睐，也是前景比较广阔的研究方向。本文主要介绍与太阳能电池相关的技术背景、研究方向和发展前景。
关键词: 太阳能，太阳能电池，研究现状，发展前景。
太阳能可以说是 “取之不尽，用之不蝎”的能源，与矿物燃料相比，太阳能具有清洁和可在生等独特优点。将太阳能直接转换为热能和电能，解决能源危机，造福于全人类一直是广大科学家的奋斗目标。太阳能的利用分为光电转换和集热两种，前者主要有太阳能电池，后者主要有太阳能热水器、太阳能温室等。利用半导体材料的光伏效应原理把太阳光能转换成电能称太阳能光伏技术，这也是太阳能电池的主要原理。
对光生伏特效应的研究最早可追溯到1839年，到上世纪五十年代，太阳能利用领域出现了两项重大突破:一是1954年美国贝尔实验室研制出效率为6%的实用型单晶硅电池;是1955年以色列科学家提出了选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项突破既是太阳能利用进入现代发展时期的划时代标志，也是人类能源技术又一次变革的技术基础。
1．太阳辐射[1]
太阳发出的辐射能来自核聚变反应。每秒钟约有6×10kg的H2转变为He，净质量损失约为4×103kg，这一质量损失通过爱因斯坦关系（E=mc2）转变为4×1012J的能量。此能量主要作为从紫外到红外和无线电频段（0.2至3μm）的电磁辐射发射出去。太阳
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的总质量目前约为2×10kg，估计有近乎恒定辐射能输出的相当稳定的寿命要超过100亿年。
在日—地平均距离的自由空间内的同样辐射强度定义为太阳常数，其值为
1353W/m2。当阳光到达地表时，大气层要使阳光减弱，主要原因是在红外波段的水汽吸收，紫外波段的臭氧层吸收，以及受飞尘和悬浮微粒的散射。大气层对地表处接收到的阳光的影响程度定义为“大气质量”（AM）。太阳与天顶夹角的正割（secθ）称为大气质量，用以度量大气层路程与太阳正当顶时最短路程的相对值。
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图1 阳光的光谱分布
图1中示出了AM1和AM1.5时的光谱分布，同时假设了太阳是6000K的黑体时所预期的太阳辐射的光谱分布。[2]
大气质量1.5的状态（太阳与地平线成45°角）代表地面应用的满意的加权能量平均值。AM1.5情形单位时间单位面积的单位能量光子数[3]示于图6.，图中还一并示出AM0的情形。为了将波长转变成光子能量，我们应用了下述关系
??C?1.24h?(eV)?m?
图2. 在AM0和AM1.5状态的太阳光谱与光子能量的关系及相关半 导体材料的带隙、理论光电转换效率（引自Henry的参考文献[3]）
2.1 太阳能电池的原理
太阳能是一种辐射能，在人类还没有发明热能存储器之前，最常用的方法是用能量转换器将其转换成为电能然后存储。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是太阳能电池。
太阳能电池工作原理的基础是半导体 PN 结的光电效应。所谓光电效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的 PN 结时，就会在 PN 结的两边出现电压，叫做光生电压。这种现象，就是著名的光电效应。使 PN 结短路，产生电流，该电流流过外部电路就会产生一定的输出功率。如图3所示。[4]
图3太阳能电池的工作原理
2.2太阳能电池I-V特性[4]
在太阳能电池外部开路的状态下，因为有载子流入，结果使 N 层带负电 P层带正电，而在PN两端则会产生电位差Voc（此Voc 是太阳光照射时产生的开路电压）。当外部负载变为短路时，就会有与入射电量成正比的短路电流通过，太阳能电池相当于具有与受光面平行的极薄 PN截面的大面积的等效二极管。我们可以假设太阳能电池为有一个二极管与太阳能电流的发生源所并联的等效电路，所以我们得到太阳能电池等效电路的理想形式如图4(a)和实际形式如图4(b)所示。
图4太阳能电池等效电路
根据等效电路，可以写出p—n结太阳电池的I—V特性方程如下：
IL?I?ID?V?IRRshse （22）
将p-n结二极管电流方程
ID??I0?e??qVnkT??1??? （23）
?V?IRse?1???Rsh?代入方程（22）可以得到输出电流为：
I?IL??I0?e??q(V?IRse)nkT （24）
式中q为电子电量， k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，n为二极管质量因子。对
于实际的太阳电池，二极管正向电流的数值由中性区的扩散电流和耗尽区内的复合电流组成。
当复合电流占优势时，因子n=2，当扩散电流占优势时，n=1，当两种电流可以比拟时，n介于1到2之间。
当Rsh足够大，并联电阻引起的旁路电流可以忽略不记时。输出功率可以表示为：
?nkT??IL?I?P?IV?I?ln??1??IRse????I0??q? （25）
图5所示为丝网印刷电极晶体硅太阳电池典型的I—V曲线和P—V曲线。短路电流
Isc表示太阳电池输出端短路情况下能够输出的电流，开路电压Voc表示输出端负载电阻无穷大—即输出端开路状况下的输出电压，最大功率Pm表示输出的最大功率，Vpm和Ipm分别表示与最大功率点对应的输出电压和输出电流。填充因子FF定义为
FF?IpmVpmIscVoc （26）
光电转换效率定义为
Eff?PmPin?FF?IscVocPin （27）
式中Pin为输入太阳电池的光功率。要获得最高的转换效率，应使FF、Isc和Voc都最
大。提高FF和Voc的途径是减小复合电流；改善电极欧姆接触，减小串联电阻Rse；提高并联电阻，减小旁路漏电流。提高Isc的途径是提高太阳电池对阳光的吸收效率，提高非平衡少数载流子寿命，减小复合电流损失。