“光生伏特”效应是光伏发电的原理，它的发现使人类利用太阳能发电成为可 能。1839年法国贝克勒尔做物理实验时，发现了“光生伏特效应”。1954年，贝尔 实验室研制成功第一个实用价值的硅太阳能电池，纽约时报把这一突破性的成果 称为“无限阳光为人类文明服务的一个新时代的开始”。
“光生伏特”效应指的是半导体在受到光照的条件下，光子能量激发价带内的 束缚电子穿过禁带到达导带成为自由电子，并在价带中留下空穴，形成为空穴电子对，从而改变了材料的载流子浓度。
在有外电路接入的情况下，电子和空穴 少数载流子在扩散作用和 PN 结内建电场的共同的作用下按照特定的方向移动， 从而产生电流。
半导体材料的选择是决定光伏电池效率的主要因素。半导体电池材料的禁 带宽度决定了其短路电流和开路电压，其中短路电流随着禁带宽度的减小而增加， 开路电压随着禁带宽度的减小而降低，因此适用于光伏发电材料的禁带宽度应当 有一个合适的范围，当电池材料的禁带宽度在 1.1-1.6eV 时，其理论光电转换效 率能够达到 29.43%。
目前可用做光伏电池的材料主要是元素周期表中 III-V 主族材料，包括硅材料、砷化镓、铜铟镓硒，碲化镉以及近年来发展比较快的有机化合物电池等。综合各种材料的电学性能，安全性，资源丰富性，无毒无害性等各 种因素，硅材料成为目前光伏行业中普遍使用的电池材料。
光学损失和电学损失是影响光伏电池效率的两大重要因素。尽管硅材料的 理论电池效率能够达到 29.43%，但是目前在实验室中硅电池的最高转化效率为 26.3%，主要是受光学损失和电学损失的影响。
光学损失产生的主要原因是材料表面的反射损失。包括组件玻璃的反射， 电池前表面和背表面的反射，电池栅线的遮挡等等。目前减少光学损失的主要方 法包括：
（1）使用超白高透的压延光伏玻璃。
（2）通过减反膜降低反射率，例 如玻璃减反膜，电池表面的氮化硅减反膜。
（3）利用化学药品对硅片表面进行 腐蚀，形成绒面，增加陷光作用。
电学损失产生的主要原因是半导体材料体内及表面的复合。光子激发的空 穴电子对只有在 PN 附近才会对光电转换作出贡献，在距离 PN 结太远处产生的 载流子，很有可能在移动到器件的电极之前就发生复合。
半导体中复合率越低， 开路电压 Voc 越高，光电转换效率就越高。随着硅片质量的不断提高，低成本薄 片化的进程使得晶硅电池表面复合损失成为制约电池效率上限提升的关键因素。
产生复合的主要原因首先跟材料本身的内部缺陷以及杂质等相关，例如单晶硅少 子寿命要优于多晶硅，N 型要优于 P 型；其次是由于高浓度的扩散在电池前表面 引入大量的复合中心，通过改变光伏电池的结构，退火氢钝化以及引入钝化膜， 隧穿膜等方式，可以有效延长半导体内光生载流子寿命，减少复合，从而提高光 电转化效率，因此使用 N 型硅片，改变电池结构（TOPcon, HJT）是降低电学损失的有效方式。
来源：兴业证券，王帅、余静文
END
原文始发于微信公众号（光伏产业通）：从光伏发电原理看新技术电池突破点