光伏发电的基本原理及影响效率的核心要素
思瀚产业研究院 拉普拉斯    2023-09-29

光生伏特效应（即“光伏效应”）是指当物体受到光照时，因光能被吸收，电子发生跃迁，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

根据半导体的特性，半导体中有电子和空穴两种电流载体（指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，简称“载流子”），其中电子带负电、空穴带正电，半导体材料中某种载流子占大多数，则称它为多子，占小部分的即为少子。

硅片最基本的材料是“硅”，纯净的硅不导电，但可以通过在硅中掺杂来改变特性：在硅晶体中掺入硼元素，即可做成 P 型硅片；掺入磷元素，即可做成 N 型硅片。因硼元素和磷元素价位特点不同，P 型硅片中空穴作为多子主要参与导电，电子是少数载流子（少子）；N 型硅片中电子作为多子主要参与导电，空穴是少子，上述 P（Positive，正电）和 N（Negative，负电）即根据硅片多子的正负电情况进行的命名。PN 结（结是指交叉，译自英文“PN junction”）是光伏电池片的

基本结构单元，其通常形成于同一块硅片中 P 型区域和 N 型区域的交界处，可以通过向 P 型硅片表面扩散磷元素或者向 N 型硅片表面扩散硼元素制得。光伏电池片发电即是利用 PN 结位置产生的自由电子的电位差来产生电流，当太阳光照射在电池片表面时，电子吸收能量变为移动的自由电子，同时在原来的位置形成空穴，自由电子受到内电场的作用会向 N 区移动，同时对应空穴向 P 区移动，当连接电池正负极形成闭合回路时，自由电子受到内电场的力从 N 区经过导线向 P 区移动，在外电路产生电流。

（2）影响光伏发电效率的核心要素

光伏发电的本质是将光能转化为电能，因此减少光学损失和电学损失是提升光伏电池片转换效率的两个关键方向。

光学损失产生的主要原因是材料表面的反射及遮挡损失，包括电池片前表面和背表面的反射以及组件玻璃的反射、电池栅线的遮挡等。目前减少光学损失的主要方法包括：

①利用化学方法对硅片表面进行腐蚀，形成绒面，增加陷光作用；

②制备减反膜降低反射率，例如玻璃减反膜、电池表面的氮化硅减反膜；

③优化电池栅线，减少栅线遮挡损失，例如使用多主栅及新型高效的 XBC 电池技术。目前，制绒、减反膜、多主栅等技术目前应用已较为广泛，发展较为成熟，XBC电池技术正在进入快速发展阶段，XBC 电池的 PN 结和金属接触都处于电池的背面，正面没有金属电极遮挡的影响，同时背面可以容许较宽的金属栅线来降低串联电阻从而提高填充因子。

电学损失产生的主要原因是光伏电池片体内及表面电子和空穴的复合，复合率越低，光电转换效率就越高。电池片表面的表面态（悬挂键、杂质、晶格失配和损伤层等）以及电池片内部存在的杂质，它们都会成为载流子的复合中心。

对于解决材料本身的内部缺陷及杂质等引起的问题，单晶硅要优于多晶硅，N 型电池要优于 P 型电池；对于电池表面的复合中心，通过改变光伏电池的结构，如引入钝化膜（主要为 Al2O3、SiNx）、隧穿氧化及掺杂多晶硅层等方式，可以有效延长电池片内部少子寿命，减少复合导致的电学损失。

随着单晶硅片已基本取代多晶硅片以及以 Al2O3、SiNx为代表的钝化膜技术在此前的 PERC 技术也已经得到普遍应用，在材料方面引入 N 型硅片衬底及电池片结构方面进一步加强钝化效果（如引入隧穿氧化及掺杂多晶硅层）是目前进一步降低电学损失的成熟有效方式，应用该等改善材料和进行结构改变的包括了 TOPCon、XBC 及 HJT 等新型高效光伏电池片技术。