一、太陽能電池工作原理

太陽能電池工作原理是光生伏特效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)簡稱為光伏效應(yīng)，光伏效應(yīng)指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。

太陽能電池的具體工作原理（光生伏特效應(yīng)具體過程）如下：

當(dāng)太陽光照射至半導(dǎo)體表面時，半導(dǎo)體內(nèi)部N區(qū)和P區(qū)中原子的價電子通過光輻射獲取超過禁帶寬度的能量（電子能級從價帶增加至導(dǎo)帶），脫離共價鍵的束縛。由此，半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡狀態(tài)的電子空穴對。若非平衡電子空穴對在半導(dǎo)體內(nèi)復(fù)合，并恢復(fù)至平衡狀態(tài)，則該半導(dǎo)體不能將吸收的光能轉(zhuǎn)化為電能，其吸收的光能被自身損耗，不能對外發(fā)電。

圖片來源：中國慕課大學(xué)《光伏發(fā)電工程技術(shù)》

因此，要實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的目的，需在半導(dǎo)體中電子空穴對復(fù)合以前，將電子與空穴分離，使二者不能在半導(dǎo)體內(nèi)直接復(fù)合。

半導(dǎo)體電子與空穴分離可依靠PN結(jié)空間電荷區(qū)的“勢壘”電場實現(xiàn)。半導(dǎo)體內(nèi)電子空穴對被光激發(fā)產(chǎn)生后，立即被PN結(jié)內(nèi)電場分離，電子被推向N區(qū)，空穴被推向P區(qū)，即N區(qū)具有過剩的電子，P區(qū)具有過剩的空穴，由此，PN結(jié)兩側(cè)產(chǎn)產(chǎn)生與“勢壘”電場方向相反的光生電動勢。

由此類具有PN結(jié)的半導(dǎo)體制作成太陽能電池并外接負(fù)載后，光生電流從P區(qū)經(jīng)過負(fù)載流至N區(qū)，負(fù)載即可輸出功率。

圖片來源：中國慕課大學(xué)《光伏發(fā)電工程技術(shù)》

太陽能電池的核心是PN結(jié)，PN結(jié)類似一堵阻礙電子與空穴復(fù)合的墻壁，當(dāng)太陽能電池被陽光照射時，電子吸收光能向N區(qū)移動，使N型區(qū)帶負(fù)電，同時空穴向P型區(qū)移動，使P型區(qū)帶正電。由此使PN結(jié)兩端產(chǎn)生電勢差，即電壓。

單晶硅太陽能電池的開路電壓一般為0.6V左右，工作電壓約為0.5V左右。

二、太陽能電池等效電路

太陽能電池等效電路包括：理想形式、實際形式。如圖一所示。

圖一，圖片來源：根據(jù)中國慕課大學(xué)《光伏發(fā)電工程技術(shù)》資料制作

（1）圖中量的含義

1）電壓

UOC是太陽能電池的開路電壓；是將太陽能電池置于100mW/cm^2^的光照射下，且太陽能電池輸出兩端開路時，所測得的輸出電壓值（UOC值可用高內(nèi)阻直流毫伏計測量）。太陽能電池的開路電壓與入射光輻照度的對數(shù)成正比，與環(huán)境溫度成反比（溫度升高1℃，UOC值約下降2~3mV），與電池面積的大小無關(guān)（個人理解：被光照射的面積大小）。

2）電流

①Iph是電池內(nèi)部的光生電流，此光生電流與受光面積、入射光的輻照強度成正比，同時，環(huán)境溫度升高，Iph值略有上升。1平方厘米的太陽能電池的Iph值約為16~30mA。

②ID是光伏電池內(nèi)部暗電流（根據(jù)百度百科：無光照射時，太陽電池內(nèi)流動的電流被稱為暗電流），反映光伏電池PN結(jié)流過的單向電流。

③IL是光伏電池輸出負(fù)載電流。

④Ish是PN結(jié)的漏電流（個人理解：此處的漏電流可理解為少數(shù)載流子在PN結(jié)內(nèi)漂移形成的電流。少數(shù)載流子在PN結(jié)內(nèi)漂移包括N型半導(dǎo)體內(nèi)的空穴向P型半導(dǎo)體漂移，P型半導(dǎo)體的電子向N型半導(dǎo)體漂移）。

3）電阻

①RL是電池的外負(fù)載電阻。

②RS是串聯(lián)電阻，一般其電阻值小于1Ω，主要由半導(dǎo)體材料的體電阻、金屬電極與半導(dǎo)體材料的接觸電阻、擴散層橫向電阻（根據(jù)百度百科理解：擴散層橫向電阻可能是因利用擴散工藝在硅片表面摻入三價或五價元素而改變硅片的電阻率所形成的電阻）、金屬電極電阻四部分組成，其中，擴散層橫向電阻為串聯(lián)電阻的主要形式。

③Rsh是旁路電阻，一般其電阻值為幾千歐姆，主要由電池表面污染、半導(dǎo)體晶體缺陷等原因產(chǎn)生。

（2）理想形式與實際形式的關(guān)系

R S 、Rsh均為硅型太陽能電池本身的固有電阻，相當(dāng)于電池的內(nèi)阻。因為串聯(lián)電阻RS電阻值小，并聯(lián)的Rsh電阻值大，所以太陽能電池的理想形式可將R S 、Rsh去除。太陽能電路等效電路的理想形式為一個電流為Iph的恒流源與一個二極管并聯(lián)。