《涨知识啦30》-太阳能电池基本工作原理

当光照射到PN结上时，PN结区会产生电子-空穴对，结区中的部分非平衡载流子将以复合的形式湮灭，没有参与复合的非平衡载流子则在PN结区电场的作用下进行输运：电子进入N区，空穴进入P区，因此N区中过剩的电子和P区中过剩的空穴在PN结附近形成与内建电场相反的光生电场。光生电场除了部分抵消内建电场外，还在在N区和P区之间产生额外电势，即光生伏特效应(Photovoltaic effect)，光生伏特效应是太阳能电池工作的基本原理。

PN结型光电二极管是一种最常见的太阳能电池结构。光电二极管的设计通常可以达到特定的光谱响应或快速响应，而太阳能电池的设计主要是最大限度地减少能量损失。尽管在设计上有所差别，但是太阳能电池的电流-电压特性与光电二极管的电流电压特性较为类似（如图1所示）。如果工作区间位于第四象限，则光能转换成电能，并贮存于器件内部。

图1光电二极管电流-电压关系图

为了有助于分析太阳能电池的工作工程，可将图2第四象限中的电流-电压特性进行如图1所示的处理，相关电池参数的定义如下：

V_oc：开路电压，即太阳能电池可提供的最大输入电压；

I_sc：短路电流，即太阳能电池的可提供的最大电流；

V_m，I_m：产生最大输出功率时对应的电压和电流值；

P_max:太阳能电池最大输出功率，且P_max=I_mΧV_m，并小于I_{sc Χ}V_oc；

FF：占空因子(filling factor)，且FF=P_max/I_scΧV_oc=I_mΧV_m/I_scΧV_oc<1,

η：能量转换效率(power conversion efficiency)，且η= P_max/P_in=I_{m Χ}V_m/P_in=FF _Χ I_scΧV_oc/P_in,其中P_in是单位时间内的入射光子能量或输入功率。

图2太阳能电池的电流-电压关系图

参考文献：S. M.Sze and Kwok K. Ng. Physicsof Semiconductor Device, 3rd Edition.