• 这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。 • 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。
7 7
光伏效应
• 早在1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光 照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现 象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。
CdTe
CIGS
GaAs 迭层
％ 25
18-19
产业化
22 16-18
17 13-16
产业化
13－15 5.5-9.5
部分产 业化
>15 实验室
16.8 ～10
产业 化
19.8 8-10
产业 化
～42 32.2
聚光 示范
电 光电化学 池 电池
染料敏化 电池
％ 11 5～6
其他
新概念电池（第三代电池？）
当入射太阳光能量大于吸收层半导体能隙时，入 射光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电 子-空穴对靠半导体内形成的内建电场分开到两极，正负 电荷分别被上下电极收集。由金属导连接正负电极对外提 供电能。
9 9
基本原理
10
太阳能电池发电原理图
11 11
12 12
13 13
14 14
15 15
• 流过负载的电流：
I= Iph – ID – ISh
22
串联电阻
串联电阻表达式：
R s r m f r c 1 r t r b r c 2 r m b
是r m f 正面电极金属栅线电阻，rc1、rc2 分别 是正面、背面金属半导体接触电阻， rt是 正面扩散层的电阻，rb是基区体电阻，rmb
• 短路电流
V=0时， 光生电流是Isc(短路电流）
• 开路电压
I=0时，电流的输出电压为开路电压 Voc=kTq-1ln(Isc+Isc/I01)
18
• 理想电池的输出功率： P=IV= IscV-I01(eqv/kBT-1)V
求上式的极值，就得到最大输出电压（Vmp)和最大 输出电流(Imp) ，最大输出功率(Pmp)等于最大输出 电流和最大输出电压的乘积。 填充因子 定义电池的填充因子FF（fill factor)=ImpVmp/(IscVoc),填充因子小于等于1 • 电池转换效率（η） η=最大输出功率除以入射功率=Pmp/Pin
19
20
实际的太阳电池等效电路
Rs
Iph
ID
Rsh
Ish
VR
I
21
(2)实际太阳电池等效电路：
• 由于漏电流等产生的旁路电阻Rsh
• 由于体电阻和电极的欧姆电阻产生的串联
电阻Rs • 在Rsh两端的电压为： Vj =(V+IRS)
• 因此流过旁路电阻Rsh的电流为：
ISh= (V+IRS) / Rsh
向偏置 • 暂不考虑串联电阻（Rs）和并联电阻（Rsh） • ID2是与耗尽区复合相关的二极管，ID1是与n,p区复合相关的二极管
ID1
ID2
V
R
I
Isc
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• I=Isc-ID1-ID2 ID2很小（因为耗尽区电阻很大）
→I=Isc-I01(eqv/kBT-1), I01是与n 和p中性区复合相关 的暗饱和电流
第三讲3 太阳电池原理及主要 太阳电池介绍
1 太阳电池分类 2 太阳电池工作原理 3 晶硅太阳电池 4 薄膜太阳电池 5 化合物太阳电池 6 染料敏化太阳电池 7 其类(材料分类)
晶体硅太阳电池
(Crystal Silicon Solar Cell)
单晶硅太阳电池 多晶硅太阳电池 带状硅太阳电池
太阳电池性能参数
太阳电池等效电路 (1)理想太阳电池等效电路：
• 相当于一个电流为Isc的恒流电源与一只正向二极管并联
。
• 流过二极管的正向电流称为暗电流ID. • 流过负载的电流为I • 负载两端的电压为V
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理想的太阳电池等效电路
• 一个理想的恒流源和2个二极管组成 • 恒流源的电流Isc与两个二极管电流方向相反，相当于二极管处于正
染料敏化太阳电池(Dye Sensitized Solar cell) 有机薄膜太阳电池 (Organic Solar Cell)
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✓太阳电池分类(应用分类)
用途分类 结构分类 使用状态分类
空间太阳电池 地面太阳电池 光伏传感器
刚性衬底 柔性衬底
刚性衬底 柔性衬底
同质结太阳电池 异质结太阳电池 肖特基结太阳电池 复合结太阳电池 分光太阳电池 液结太阳电池
• • 太阳电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应，
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。
• 即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，使PN结短路，就会产 生电流。
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太阳电池工作原理
太阳电池是利用pn结内建电场作用，分离入 射光产生的电子-空隙对，在正负电极形成电势。
平板太阳电池 聚光太阳电池 分光太阳电池
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太阳电池分类（按照技术成熟程度）
① 晶硅电池： 单晶硅，多晶硅，带硅等；
② 薄膜电池： a-Si，a-Si/ c-Si，CIGS，CdTe，
GaAs，poly-Si等；
③ 新型电池及新概念电池：染料敏化电池－光电化
学电池，有机电池，
多结(带隙递变)电池，
硅薄膜太阳电池
Silicon Thin Film
非晶硅太阳电 微晶硅薄膜太阳电池 多晶硅薄膜太阳电池 纳米晶硅薄膜太阳电池
按基体材料分类 Based on Materials
硒光电池
化合物太阳电池
Compound Solar cell
硫化镉太阳电池 硒铟铜太阳电池 碲化镉太阳电池 砷化镓太阳电池 磷化铟太阳电池
（如有机 电池等）
3
多结电池（太 阳光谱多级利 用）
2～3结
光子的分离（下 转换）和合并 （上转换）
概念证明阶段
中间带 或杂质带 电池
5 5
太阳电池组件分类
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太阳能电池发电原理
• 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。
中间带（杂质带）电池，量子点、量子阱电池，
上转换器（低能光子合并成高能光子）电池，
下转换器（高能光子分解成低能光子），
热载流子电池等。
4
4
电 晶硅电池 池
太阳级硅
薄膜电池（第二代电池？）
硅基
化合物
Wafer(切片) 单晶 多晶
Ribbo n(带硅) 多晶
a-Si， c-Si PECVD
多晶基 RTCVD 等