1. 引言

太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上的能源，每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天所消耗的能源。在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为最具前景的未来能源，有无尽的潜力。目前太阳能利用的方式有:太阳能光伏发电；太阳能热利用；太阳能动力利用；太阳能光化学利用；太阳能生物利用。其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展，被认为是当前世界上最具发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨资竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用^[1]-[3]。

2. 太阳能电池原理及基本结构

2.1 太阳能电池原理^[4]-[5]

如图2.1所示为典型太阳能电池的简单示意图。该电池受光面为高浓度掺杂的狭窄N区。耗尽层(宽度W)一直延伸到P区，并在耗尽层形成一内建电场E₀。把连接N区的电极做成栅形或指形以提高光的吸收率和减小电池的表面电阻，在电池表面镀一层减反射膜以提高太阳光的利用率。

当光照射在电池上时，由于N区(宽度L_n)比较狭窄，能量大于禁带宽度E_g的大部分光子在耗尽层和P区(宽度L_p)被吸收，产生光生电子一空穴对 (EHP_s)。在耗尽层的光生EHP_s立即被内建电场所分离，电子漂移到达N区形成负极性区域，同时空穴漂移到达P区形成正极性区域，于是通过接线在PN结两端形成了开路电压V_oc。。如果连接了负载，那么N区的大量电子经过外电路工作，然后到达P区与大量空穴复合。其中，内建电场对分离光生EHP_s，在N区积累大量电子，在P区积累大量空穴起了关键作用^[6]-[10]。

因为没有电场的缘故，在P区被吸收的长波长光子激发的EHPs只能扩散到一定的区域。则电子的平均扩散长度L_e可由( 2.1)表示，其中D_e为电子在P区的扩散系数。

（2.1）

离耗尽层的距离在L_e范围内的那些电子能扩散到内建电场，并在内建电场的作用下漂移到N区，因此在P区产生的光生EHPs中，只有那些离耗尽层距离在L_e范围内的的少数

图2.1 太阳能电池工作原理

载流子(电子)才对光伏效应起作用。一旦电子被扩散到耗尽区域，它将被E_o扫到N区，增加该区的负电荷，空穴留在P区增加该区的正电荷。而那些离耗尽层的长度大于L_e的光生EHPs都被复合损失掉了。正因为此，少数载流子的扩散长度L_e要尽可能的长，又由于在半导体硅中电子的扩散长度要比空穴长，所以这里选择了以P区产生的电子为少数载流子的硅PN结。同样，在N区由短波长光子激发产生的EHPS中只有那些离耗尽层距离小于扩散长度L_h的少数载流子(空穴)能到达耗尽层并被内建电场分离到P区。因此，对光伏效应起作用的EHPs的产生发生在这样一个区域: L_h W十L_e。如图2.2所示，在N区大量的电子通过外电路流到P区与空穴中和，这种由光生载流子的流动产生的电流叫光电流I_ph。要注意的是，在PN两端形成光生电动势后，相当于在PN结两端加上了正向电压V，具有普通PN结的二极管特性，正向电流为I_d，因此通过电池的总电流：