PN结太阳能电池之“我为什么会放电”

太阳能电池中发生光伏能量转换，将光能转化为电能有两个必要的条件。其一，光源的照射，电池吸收光，从而产生电子-空穴对;其二，由半导体的器件结构将电子-空穴对分开，并使电子流向负极、空穴流向正极，从而产生电流。以上两点的发生，可以称作光生伏打效应。

具体来说。首先，我们知道，物质都是由原子组成的，原子由原子核和围绕原子核旋转的电子组成。半导体材料处于稳定状态时，原子核和核外电子紧密结合。当有外界激励，例如光照射到器件上时，能量大于硅禁带宽度的光子进入硅中后，会在P区、N区以及耗尽层(空间结构上等同于空间电荷区)中激发出光生电子-空穴对。通俗来讲，就是原子核和电子的结合力因光的刺激而降低，电子摆脱了原子核的束缚，成为自由电子。如下图：

接下来，我们分析这三个区域产生电子-空穴对后，分别会有什么样的变化。

以下图为例：

耗尽层：当电子-空穴对在耗尽层中产生后，由N区指向P区的内建电场会立即把光生电子送向N区，将光生空穴推向P区。

N区:当电子-空穴对在N区中产生后，以N区和PN结的交界面来看，由于内建电场的原因，交界面左侧空穴浓度低，于是N区的光生空穴便向PN结边界扩散，一旦达到PN结边界，又会受到内建电场的作用，在电场力的牵引下做漂移运动，越过耗尽层进入P区。而光生电子则留在了N区。

P区：当电子-空穴对在P区中产生后，以P区和PN结的交界面来看，内建电场导致交界面右侧电子浓度低，从而使得P区的光生电子向PN结边界做扩散运动，到达PN结边界后，在内建电场力的作用下做漂移运动，越过耗尽层，最终进入N区。同时，P区的光生空穴便留在了原地。

上述的三个运动，会在PN结两侧形成正、负电荷的积累，在N区储存大量的电子，在P区储存大量的空穴。进而形成了与内建电场方向相反的光生电场，如下图：

光生电场使得P区带正电，N区带负电，从而N区和P区之间就会产生电动势，这就是光生伏打效应。当电池接上负载R后，光电流就可以从P区经负载流至N区。负载据此效应就可以得到一定的功率输出。

这里，我们可以解释几个常规的参数。

开路电压(Uoc)：将上面PN结两端开路，可以得到一个电动势，我们称之为开路电压。晶体硅电池开路电压的典型值为0.5-0.6V。

短路电流(Isc)：将外电路短路，则外电路中会有与入射光能量成正比的光电流流过，我们称之为短路电流。通常来说，照射光的能量越大，电池表面积越大，产生的光生电子-空穴对越多，形成的电流就越大。实际情况中，各区中载流子的产生、复合、扩散和飘逸等运动非常复杂，光生载流子必须在复合前穿过耗尽层，才能对光电流产生贡献。

填充因子(FF)：填充因子为太阳能电池的最大输出功率/(Uoc*Isc)计算得来。FF的典型值为0.60-0.85，不会大于1。一般来说，该数值越大，电池性能越好、质量越高。