光伏工程师必须掌握的电池理论基础

光伏电池生产制造可以说是光伏产业链中最重要，也是技术含量最高的环节，熟悉掌握太阳能电池相关的理论基础，对进一步理解电池生产工艺及高效电池的研发都是很有必要的，为此笔者对太阳能光伏电池理论做了一些基础总结。

        光学基础

　　晶体硅的禁带宽度为Eg=1.12ev，其随温度而变化，但一般在1.1—1.3ev之间。由hv=hc/λ=Eg推出：

　　λ=hc/Eg=1.24/1.12=1100nm（本征吸收的光波极限）

　　由光生伏特效应可知：只有波长小于1100nm的才能在硅中激发出出电子空穴对，即产生光生伏特效应。

　　而如下图所示，97%以上的太阳辐射能的波长位于290—3000nm，可见光波长为380（紫色）—780（红色）nm。故能产生光生伏特效应的光子占大部分的为可见光。

　　太阳光谱中波长大于1.1μm不能产生光生伏特效应，而是转变为热量，这部分占光能的25%；而当光子能量大于禁带宽度1.12ev时，只能激发产生一个电子空穴对，剩余的能量转化为热量，这部分损失的能量同样占总光能的25%。所以用于转化为电能的能量只占太阳能总能量的50%。

　　半导体材料的光吸收（包括热能和转换的电能等）

　　当一束光照射在物体上时，一部分入射光线在物体表面反射或散射，一部分被物体吸收，另一部分可能透过物体。也就是说，光能的一部分可以被物体吸收。随着物体厚度的增加，光吸收也增加。如果入射光的能量为I0，则在离表面距离x处，光的能量为

　　I = I0 e-ax

　　式中，a为物体的吸收系数，表示光在物体中传播1/a距离时，能量因吸收而衰减到原来的1/e。半导体材料的吸收系数较大，一般在105cm-1以上，能够强烈的吸收光的能量。被吸收的光能将使材料中能量低的电子跃迁到较高的能级。

　　硅材料是间接能带材料，在可见光范围内，硅的光吸收系数远低于其他太阳能光电材料，如吸收95%的太阳光，GaAs太阳电池只需要5—10μm的厚度，而硅太阳电池则需要150μm以上的厚度；因此在制备晶体硅太阳电池时，硅片的厚度在150—200μm以上，才能有效的吸收太阳能。直接带隙和间接带隙的区别主要体现在光的吸收系数，直接带隙半导体的吸收系数大于间接带隙，这样直接带隙的半导体可以做的更薄且能量损失也少。