太阳能电池主要分为以下三类：

(1)  第一代太阳能电池：主要包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池以及其与非晶硅复合的太阳能电池。第一代太阳能电池因其制备工艺发展完善、转换效率较高被广泛应用于人类的日常生活中，占据着光伏市场绝大部分的份额。同时，硅基太阳能电池组件的寿命可以确保在 25 年后其效率依然能保持在原始效率的 80  %，因此到目前为止晶硅太阳电池是目前光伏市场的主流产品。

(2)  第二代太阳能电池：主要以铜铟稼硒(CIGS)、锑化镉(CdTe)和砷化镓(GaAs)等材料为代表。与第一代相比，第二代太阳能电池因吸光层较薄使得所需成本显著降低，在晶体硅价格昂贵的时候被认为是非常具有潜力的光伏发电的材料。

(3)  第三代太阳能电池：主要包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池等。上述电池因其高效，先进，已成为该领域的重点研究方向。其中，钙钛矿太阳能电池的最高转换效率己经高达 25.2 %。

综合来看，晶硅太阳电池仍是目前光伏市场上应用最广、商业价值最高的主流产品，其中，多晶硅电池价格优势和市场优势明显，但其光电转换效率不佳，单晶硅电池造价较高，但其效率显著优于多晶硅电池。不过，伴随着新一代技术革新，单晶硅片的成本正在不断降低，且目前市场对于高转换效率的高端光伏产品的需求量只增不减，因此，对单晶硅电池的研究和改进成为光伏研究领域的重要方向。

 

晶硅太阳能电池

晶硅太阳能电池结构

晶硅太阳能电池的基本结构如图 1.3 所示，其通常采用 P 型硅作为衬底，通过磷扩散将上表面的 p 型硅转变为 n 型硅，从而形成一个简单的 p-n 结，随后利用化学气相沉 积法(Chemical  vapor deposition,  CVD)在扩散层的上方沉积一层 SiN _x 减反射膜， 除了可以有效实现表面钝化，增长少子寿命，其还能够降低入射光的反射率。最后，由丝网印刷将浆料分别印刷在硅片的上下表面，作用为有效收集和导出电流。

 

 

晶硅太阳能电池工作机理 

晶硅太阳能电池的核心是 p-n 结。当通过扩散形成 p-n 结后，由于 p-n 结两边的电子和空穴浓度不同，载流子会自发地在有浓度梯度的地方移动。电子离开 n 区后，不能运动的掺杂离子依然停留在原地，在 n 区形成正电荷区域。同理，空穴离开后，p 区形成负电荷区域。如图 1.4(a)所示，形成了 p-n 结附近的空间电荷区。由于耗尽区两边电荷的极性差异较大，p-n 结之间会形成一个势垒电场。由于势垒电场的方向与载流子扩散方向不同，所以在此电场的驱动下，电子和空穴将向原本扩散方向的反方向移动。最终这两种运动会达到平衡。如图 1.4(b)所示为 p-n 结在动态平衡下的能带结构图。

 

太阳能电池依赖于光伏效应进行发电。当光子击中太阳能电池表面时，所携带的能量大于或等于硅的禁带宽度的光子会引发电子跃迁，产生光生载流子对。在内建电场的作用下，电子向正极(n 区)运动，而空穴向反方向运动。  

 

 

晶硅太阳能电池表征参数 

如图 1.6 所示为晶硅太阳能电池的等效电路。太阳能电池可用一个电流大小为 I_L 恒流源与二极管并联来等效表示。流经负载 R_L的电流为 I，流经二极管的暗电流为 I_D，此外，考虑到实际电池中基底材料的缺陷以及材料的电阻率，通常还存在一个串联电阻R _s，而因为电池表面漏电等原因还存在一个并联电阻 R _sh 。

 

由等效电路可得到以下计算公式：  

 

将公式 1.2 带入 1.1 可得流经负载的电流为：

 

其中，q 为电子电量，k 为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度， V 为负载两端的电压。当负载被短路时，V = 0，可得短路电流 I_sc ：

 

当电路处于开路时，I = 0，此时开路电压 U_oc ：

 

常用的太阳能电池性能表征参数基本都可从伏安特性曲线得到，如图 1.7 所示。

(1)  短路电流 I_sc  

短路电流是指在输出端短路时的电流，短路电流源于光照下电池中光生载流子的产生和收集。在理想情况下，串联电阻 R_s =0，R_sh趋向于无穷，此时，I _sc =I_L。I_sc 的主要影响因素为可影响光生载流子产生和收集的因素，包括入射光的光谱和强度，太阳能电池实际可接受光的表面积以及电极接触等。

 

(2)  开路电压 U_oc 

开路电压是指外电路处于开路状态时电路两端的电压。由式 1.4 可得，U_oc 的大小取决于太阳能电池光生电流的大小和饱和电流的大小。而实际情况中 U_oc主要由饱和电流来影响，即主要和电池的复合效应有关。

(3)  填充因子 FF

填充因子是表征太阳能电池的关键参数之一，填充因子 FF 被定义为 P_m 与 U_oc和 I _sc乘积的比值，最大输出功率为  P_m   =  V_m   ×  I_m  ，即：

 

填充因子 FF 的数值越大表明太阳能电池的输出特性越好，但是由于能量转换过程中会存在一定的损失，所以填充因子总是小于 1，填充因子的大小受 R_s 和 R_sh以及电荷的迁移率等因素影响。

 

(4)  转换效率 E_ta 

转换效率是太阳能电池质量好坏最直观的表征参数，是太阳能电池最大的能量转换情况：

 

由式子 1.6 可知，转换效率与 I _sc ，U _oc ，FF 均成正比，所以要想提升电池的转换效率，就要改进这三个参数。提高I _sc 需要增强光谱响应，提高 U _oc 需要减小 I ₀ ，提高 FF 则需要减小串联电阻，提高并联电阻，即想要获得高的 E _ta 需要对电池进行全面且系统的优化。