1、太阳能电池的极性
硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构，P+和N+，表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型;N和P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。
2、太阳电池的性能参数
太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。
3、太阳能电池的伏安特性
P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。当电池暴露于太阳光谱时，能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg，小于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此，在太阳能电池的设计和制造过程中，必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。
【基本概念】
太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏，简称光伏。
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。以光电效应工作的晶硅太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的薄膜电池实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。
【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结内建电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就产生电流。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。
太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、
太阳电池的性能参数、
太阳能
电池的伏安特性三个基本特性。具体解释如下
1
、太阳能电池的极性
硅太阳能电池的一般制成
P+/N
型结构或
N+/P
型结构，
P+
和
N+,
表示太阳能
电池正面光照层半导体材料的导电类型；
N
和
P
，表示太阳能电池背面衬底半导
体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有
关。
2
、太阳电池的性能参数
太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转
换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。
3
太阳能电池的伏安特性
P-N
结太阳能电池包含一个形成于表面的浅
P-N
结、
一个条状及指状的正面
欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。
当电池暴露于太阳光谱时
,
能量小于禁带宽度
Eg
的光子对电池输出并无贡献。
能
量大于禁带宽度
Eg
的光子才会对电池输出贡献能量
Eg,
大于
Eg
的能量则会以热
的形式消耗掉。
因此
,
在太阳能电池的设计和制造过程中
,
必须考虑这部分热量对
电池稳定性、寿命等的影响。
太阳能电池是利用半导体光生伏特效应( ( Photovol2taic Effect) 做成的半导体器件,也是一种电离辐射效应的应用。太阳能电池( solar cell) 在太空中及地球上的应用均非常广泛,他提供了人造卫星长时期的动力供应,并且是地球能量来源的一个重要选择,因为他能以高转换效率将日光直接转换成电能,能提供低成本而近乎永恒的动力,且几乎没有污染[ 1 ,2 ] 。1 太阳能电池的极性硅太阳能电池的一般制成P + / N 型结构或N + / P 型结构,如图1 所示。图1 太阳能电池构形图其中,第一个符号,即P + 和N + ,表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型;第二个符号,即N 和P ,表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。在太阳光或其他照射时,太阳能电池输出电压的极性,P 型一侧电极为正,N 型一侧电极为负。当太阳能电池作为电源与外电路连接时,太阳能电池在正向状态下工作。当太阳能电池与其他电源联合使用时,如果外电路的正极与电池的P 电极连接,负极与电池的N 电极连接,则外电源向太阳能电池提供正向偏压;如果外电源的正极与电池的N 电极连接,负极与P 电极连接,则外电源向太阳能电池提供反向偏压。2 太阳电池的性能参数(1) 开路电压开路电压UOC ,即将太阳能电池置于100 mW/ cm2 的光源照射下,在两端开路时,太阳能电池的输出电压值。可用高内阻的直流毫伏计测量电池的开路电压。(2) 短路电流短路电流ISC ,就是将太阳能电池置于标准光源的照射下,在输出端短路时,流过太阳能电池两端的电流。测量短路电流的方法,是用内阻小于1 Ω的电流表接在太阳能电池的两端。(3) 最大输出功率太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的,将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得163《现代电子技术》2007 年第16 期总第255 期 集成电路 �0�8 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net到太阳能电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大,即可获得最大输出功率,用符号Pm 表示。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流,分别用符号Um 和Im 表示,Pm = Um Im 。(4) 填充因子太阳能电池的另一个重要参数是填充因子FF ,他是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比:FF =PmUOC ISC=Um ImUOC ISC(1) FF 是衡量太阳能电池输出特性的重要指标, 是代表太阳能电池在带最佳负载时, 能输出的最大功率的特性,其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。FF 的值始终小于l 。FF 可由下列经验公式给出:FF =V OC - ln(V OC + 0. 72)V OC + 1(2) 式(2) 中V OC是归一化的开路电压,即UOC/ ( n KT/ q) 。当V OC > 15 时,该公式的精度可达4 位有效数字[3 ] 。实际上,由于受串联电阻和并联电阻的影响,实际太阳能电池填充因子的值要低于上式所给出的理想值。串、并联电阻对填充因子有较大影响,如图2 所示。串联电阻越大,短路电流下降越多,填充因子也随之减少的越多;并联电阻越小,这部分电流就越大,开路电压就下降的越多,填充因子随之也下降的越多。图2 串并联电阻对填充因子的影响(5) 转换效率太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率,等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比:η=PmPin·FF ·UOC ·ISCPin(3)地面用太阳能电池的测试标准为:大气质量为AM 1. 5 时的光谱分布(具体规定可参见有关我国国家标准和国际标准) ,入射的太阳辐照度为1 000 W/ m2 ,温度为25 ℃。在此条件下太阳能电池的输出功率定义为太阳能电池的峰瓦数,用符号表示为W P (peak watt) 。太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数,他与电池的结构、结特性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。其中与制造电池半导体材料禁带宽度的关系最为直接。首先,禁带宽度直接影响最大光生电流即短路电流的大小。由于太阳光中光子能量有大有小,只有那些能量比禁带宽度大的光子才能在半导体中产生光生电子空穴对,从而形成光生电流。所以,材料禁带宽度小,小于他的光子数量就多,获得的短路电流就大;反之,禁带宽度大,大于他的光子数量就少,获得的短路电流就小。但禁带宽度太小也不合适,因为能量大于禁带宽度的光子在激发出电子- 空穴对后剩余的能量转变为热能,从而降低了光子能量的利用率。其次,禁带宽度又直接影响开路电压的大小。开路电压的大小和P - N 结反向饱和电流的大小成反比。禁带宽度越大,反向饱和电流越小,开路电压越高。3 太阳能电池的伏安特性图3 是P - N 结太阳能电池的示意图。他包含一个形成于表面的浅P - N 结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。图3 硅P - N 结太阳能电池的示意图当电池暴露于太阳光谱时,能量小于禁带宽度Eg 的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg 的光子才会对电池输出贡献能量Eg , 大于Eg 的能量则会以热的形式消耗掉。因此,在太阳能电池的设计和制造过程中, 必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。太阳能电池的能带、电路及等效电路如图4 所示。其中, RL 为电池的外负载电阻。把太阳能电池接上负载, 负载中便有电流流过, 该电流称为太阳能电池的工作电流,也称负载电流或输出电流。负载两端的电压称为太阳能电池的工作电压。一个理想的太阳能电池,串联电阻RS 很小,而并联电阻Rsh 很大。由于RS 和Rsh 是分别串联和并联在电路中的,所以在进行理想的电路计算时,他们可以忽略不计。此时,流过负载的电流为IL 为:IL = I SC - I D (4) 采用单二极管模型,理想情况下太阳电池的电压- 电流特性(伏- 安特性) 可以写为[ 4 ] :164微电子技术袁 镇等:太阳能电池的基本特性�0�8 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.netIL = I SC - I0 eqU/ A KT - 1 (5)式(4) , (5) 中: ID 为太阳电池的暗电流或漏电流,单位A ;I0 为P - N 结的反向饱和暗电流,单位A ; q 为电子电荷,单位C; K 为玻尔兹曼常数; T 为热力学温度, 单位K;A 为常数因子(正偏电压大时A 值为1 ,正偏电压小时A值为2) ; e 为自然对数的底。图4 太阳能电池的能带图、电路及等效带路研究表明,决定I0 大小的关键参数是半导体材料的禁带宽度Eg ,以下的经验公式给出了I0 的低限[5 ] :I0 ≥1. 5 ×105exp ( - Eg/ KT) (6) 在短路状态下,U = 0 ,由式(5) 可得到:IL = ISC (7) 在开路状态下,且IL = 0 时, 电压U 即为UOC , 用式(8)表示:UOC =A K TqlnISCI0+ 1 (8) 式(8) 是开路电压的表达式,表明要提高太阳电池的开路电压,必须提高短路电流和反向饱和电流的比值。根据式(5) 和式(8) 做图,可得到太阳能电池的伏- 安关系曲线,如图5 所示。这个曲线,可简称为I - U 曲线。图5 中,曲线1 ,是二极管的暗伏安关系曲线,即无光照时太阳能电池的I - U 曲线;曲线2 ,是电池接受光照后的I - U 曲线,他可由无光照时I - U 曲线向第4 象限位移ISC量得到。经过坐标变换,最后可得到常用的光照太阳能电池的伏安特性曲线,如图6 所示。太阳能电池的伏安特性曲线显示了通过太阳能电池(组件) 传送的电流与电压在特定的太阳辐照度下的关系。对于实际的太阳电池来说,必须考虑P - N 结的品质和实际存在的串联电阻RS ,并联电阻R sh 。串联电阻包括扩散层的薄层电阻、基区材料本身的电阻、电极与半导体的接触电阻、电极的电阻等;并联电阻包括P - N 结的漏电阻及电池边缘的漏电阻等,他是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的。因此考虑串并联电阻的影响后太阳电池的伏- 安特性为:IL = ISC - I0 eq(U+ IL RS / nKT - 1 -U + IL RSRsh(9)式中, n 称为P - N 结的品质因子。 图5 太阳能电池的 图6 常用的太阳能电池伏安关系曲线伏安特性曲线在一定的光照下,太阳电池产生一定的电流ISC ,其中一部分是流过P - N 结的暗电流,另一部分是供给负载的电流。故可把光照P - N 结看作是一个恒流源与理想二极管的并联组合,恒流源的电流就是最大的光生电流ISC ,流过理想二极管的电流即暗电流ID , IL 为流过负载电阻R的电流。如图4 (c) 所示。4 结 语本文从太阳能电池的结构、工作原理出发,论述了表征太阳能电池特性的短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率等参数以及外界条件对他们的影响。对于了解太阳能电池的基本特性有很大的帮助,同时,对太阳能电池的设计和测试也有一定的指导作用。
太阳能电池的基本特性：
太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电环保电池的伏安特性三个基本特性。具体解释如下：
1、太阳能电池的极性
硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构，P+和N+，表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型;N和P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。
2、太阳电池的性能参数
太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。
3 太阳能电池的伏安特性
P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。当电池暴露于太阳光谱时，能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg，小于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此，在太阳能电池的设计和制造过程中，必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。
太阳能电池又称为“ 太阳能芯片”或 “ 光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生 电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，缩写为 PV），简称光伏。
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。以光电效应工作的晶硅太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的薄膜电池实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。
性能参数：
1、开路电压
开路电压UOC：即将太阳能电池置于AM1.5光谱条件、100 mW/cm2的光源强度照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。
2、短路电流
短路电流ISC：就是将太阳能电池置于AM1.5光谱条件、100 mW/cm2的光源强度照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流值。
3、最大输出功率
太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号Pm表示。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号Um和Im表示。
4、 填充因子
太阳能电池的另一个重要参数是填充因子FF（fill factor），它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。
FF： 是衡量太阳能电池输出特性的重要指标， 是代表太阳能电池在带最佳负载时， 能输出的最大功率的特性，其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。FF 的值始终小于1。串、并联电阻对填充因子有较大影响。串联电阻越大，短路电流下降越多，填充因子也随之减少的越多；并联电阻越小，其分电流就越大，导致开路电压就下降的越多，填充因子随之也下降的越多。
5、转换效率
太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构、结特性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。
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