2.1 光伏电池的分类、结构和发电原理

在光伏发电系统中，实现光电转换的最小单元是光伏电池单体（solar cell）。光伏电池的基本特性和二极管类似，但它的单体一般不作为电源使用。通常，光伏电池串联（通常是36个单体串联）后组成光伏模块，然后再将模块进行串、并联组成光伏阵列进行发电。光伏电池单体的开路电压和短路电流都较小，但光伏模块和光伏阵列可以通过串、并联使输出达到较高值，并可输出较大功率的能量。

2.1.1 光伏电池的分类

光伏电池是由半导体材料制造的，图2-1中是对常见光伏电池种类的总结。

图2-1 常见光伏电池种类

2.1.2 光伏电池的结构

光伏电池是一种能直接把太阳的光照直接转化为电能的半导体器件，它受光照射后就会产生电流和电压。这个过程的发生需要两个条件：

1）太阳光的照射，把低能级的电子激发到了高能级。

2）处于高能级的电子，从电池内部移动到外部电路中，然后经过负载后又回到了电池内部中。图2-2展示了能实现这种功能的光伏电池封装结构图。

图2-2 光伏电池封装结构图

光伏电池工作的基本步骤是：①通过光照射后，产生光生载流子；②大量的光生载流子聚集成光生电流；③产生跨越光伏电池的高电压；④光生电流在电压的驱动下，穿过外电路然后再回到光伏电池中。

2.1.3 光生电流的产生过程

光伏电池在光照下产生的电流叫作“光生电流”，它的产生包括了两个主要的过程：

1.产生电子—空穴对的过程

电子—空穴对只能由能量大于光伏电池禁带宽度的光子激发而产生，由于P型材料中的电子和N型材料中的空穴是处在亚稳定状态的，在复合之前其平均生存时间等于少数载流子的寿命。如果载流子被复合了，光生电子—空穴对将消失，也产生不了电流。

2.PN结对光生载流子收集的过程

PN结对光生载流子收集的过程实际上就是把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合，PN结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光生少数载流子到达PN结，将会被内建电场移到另一个区，便成了多数载流子。如果用一根导线把P区跟N区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外部电路。

图2-3展示了外部连接方式。外接负载情况下电子和空穴在PN结中流动，少数载流子不能穿过半导体和金属之间的界限，如果要阻止复合并对电流有贡献的话，必须通过PN结收集。

图2-3 外部连接方式