3.1　太陽能光伏電池及其工作原理

太陽能光伏電池是一種依據半導體光電效應，亦即利用光電材料受光能照射后發生光電反應，進而實現能量轉換的器件（裝置）。能產生光電效應的材料有許多種，如單晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化鎵、硒銦銅等，這些半導體材料的光電轉換原理基本相同。本書中主要以硅基太陽能光伏電池為例講述太陽能光伏電池的工作機理。

3.1.1　半導體基礎知識

（1）半導體及其主要特性

固體材料按照它們導電能力的強弱，可分為導體、絕緣體和半導體三類。導電能力強的物體叫作導體，如金、銀、銅、鐵、鋁等，其電阻率通常在10-8～10-6Ω·m范圍內。導電能力弱或基本不導電的物體叫作絕緣體，如橡膠、塑料、木材、玻璃等，其電阻率通常在108～1020Ω·m范圍內。導電能力介于導體和絕緣體之間的物體叫作半導體，如硅、鍺、砷化鎵和硫化鎘等，其電阻率通常在10-5～107Ω·m。半導體材料與導體和絕緣體的不同，不僅僅表現在電阻率的數值上，而且還在于它在導電性能上具有如下一些特點。

① 摻雜特性　在純凈的半導體中摻入微量的雜質，其電阻率會發生很大變化，從而顯著地改變半導體的導電能力。例如，在純硅中摻入磷雜質的濃度在1019～1026m-3范圍內變化時，其電阻率就會從104Ω·m變到10-5Ω·m；室溫下在純硅中摻入百萬分之一的硼，硅的電阻率就會從2.14×103Ω·m 減小到0.004Ω·m左右。在同一種材料中摻入不同類型的雜質，可以得到不同導電類型的半導體材料。

② 溫度特性　溫度能顯著改變半導體材料的導電性能。一般來講，半導體的導電能力隨溫度升高而迅速增強，也就是說半導體的電阻率具有負的溫度系數。例如，鍺的溫度從200℃升高到300℃，其電阻率就會降低一半左右。

③ 環境特性　半導體的導電能力還會隨光照強度的變化而變化，即半導體具有光電導現象。另外，一些特殊的半導體，在電場和磁場的作用下其電阻率也會發生變化。

（2）半導體晶體結構

自然界的物質按其存在的形式可分為氣態、液態和固態。固態物質根據它們的質點（原子、離子、分子）排列規則的不同，可分為晶體和非晶體。具有確定熔點的固態物質稱為晶體；沒有確定的熔點，即加熱時在某一溫度范圍內逐漸軟化的固態物質稱為非晶體。所有晶體都是由原子、分子、離子或這些粒子集團在空間按一定規則排列而成的，這種對稱的、有規則的排列叫晶體的點陣或晶體格子，簡稱晶格。將晶格周期地重復排列就構成晶體。晶體又可分為單晶體和多晶體兩種，從頭到尾都按同一規則周期性排列的晶體是單晶體；整個晶體由多個同樣成分、同樣晶體結構的小晶體組成的晶體是多晶體。在多晶體中，每個小晶體中的質子排列順序的位向不同。非晶體質點的排列是無規則的，它具有“短程有序、長程無序”的排列特點，所以也被稱為無定形態。

目前，太陽能光伏電池的基材廣泛使用硅材料，已占全世界太陽能光伏電池基材的95%以上。在太陽能光伏電池工業中，硅材料按照其生產工藝的不同，可以是單晶硅、多晶硅或非晶硅。圖3-1所示是不同硅材料的結構示意圖。

（3）能級和能帶

原子的殼層模型認為原子的中心是一個帶正電荷的核，核外存在著一系列不連續的、由電子運動軌道構成的殼層，電子只能在殼層里繞核轉動。穩定狀態每個殼層里運動的電子具有一定的能量狀態，所以一個殼層相當于一個能量等級，稱為能級。通常用n、l、m、ms 4個量子數來描述電子運動的狀態。電子在殼層中的分布，需滿足如下兩個基本原理。

① 泡利不相容原理（Pauli’s exclusion principle）　原子中不可能有兩個或兩個以上的電子處于4個量子數都相等的同一運動狀態中。

② 能量最小原理　原子中每個電子都有優先占據能量最低的空能級的趨勢。電子在原子核周圍轉動時，每一層軌道上的電子都有確定的能量，最里層軌道的能量最低，第二層軌道具有較大的能量，越是外層的電子受原子核的束縛越弱，從而能量逐漸增大。

在一個孤立的原子中，電子只能在各個允許的軌道上運動，不同軌道的電子能量是不同的。在晶體中，原子之間的距離很近，相鄰原子的電子軌道相互重疊，重疊殼層的電子不再屬于原來的原子獨有，可通過量子數相同且又互相重疊的殼層轉移到相鄰的原子上去，屬于整個晶體所有，這就是晶體的共有化運動。共有化運動的結果就使得與軌道相對應的能級就不是如圖3-2所示的單一的電子能級，而是分裂成為能量非常接近但又大小不同的許多電子能級。這些由許多條能量相差很小的電子能級所組成的區域看上去像一條帶子，因而稱為能帶。每層軌道都有一個對應的能帶，圖3-2示意地畫出了原子共有化運動使能級分裂為能帶的情況。其中，圖3-2（a）為孤立原子及其對應殼層的能級圖，圖3-2（b）表示N個原子共有化后，能級分裂為2N個能態。

（4）允帶、禁帶、價帶和導帶

能帶中有很多分立的能級。電子不存在具有兩層軌道中間的能量狀態，即電子只能停留在所對應能帶的能級上，這些可為電子占據的能帶稱為允帶。在能帶與能帶間的區域是不允許電子停留的，稱為禁帶。被電子填滿的能帶，即能帶中每一個能級上都有兩個電子，這時電子即使受到外電場的作用，因為沒有空的能級，不可能從低能級跳躍到高能級去參加導電運動。這種已被電子填滿的能帶，稱為滿帶或價帶。有的能帶只有一部分能級上有電子，還有一部分沒有電子，能級是空的。這樣，在外界電場作用下，電子就會從下面的能級跳躍到上面的空能級參加導電運動。這種未被電子填滿的能帶或空帶，就稱為導帶。

（5）導體、半導體和絕緣體的能帶圖

圖3-3（a）、（b）、（c）分別為導體、半導體和絕緣體的能帶圖。如圖3-3（b）所示，價電子要從價帶越過禁帶跳躍到導帶去參加導電運動，必須從外界獲得一個至少等于Eg的附加能量，Eg的大小就是導帶底部與價帶頂部之間的能量差，稱為禁帶寬度或帶隙，其單位為電子伏（eV），1eV=1.6022×10-19J。例如，硅的禁帶寬度在室溫下為1.119eV，就是說由外界給予價帶里的電子1.119eV的能量，電子就有可能越過禁帶跳躍到導帶里，晶體就會導電。

導體與半導體的區別在于它在一切條件下都具有良好的導電性，其導帶和價帶重疊在一起，不存在禁帶，即使溫度接近0K，電子在外電場的作用下照樣可以參加導電。而半導體存在十分之幾電子伏到4eV的禁帶寬度。在0K時電子充滿價帶，導帶是空的，此時與絕緣體一樣不能導電。當溫度高于0K時，晶體內部產生熱運動，使價帶中少量電子獲得足夠的能量，跳躍到導帶，這個過程稱為激發，這時半導體就具有一定的導電能力。激發到導帶的電子數目是由溫度和晶體的禁帶寬度決定的。溫度越高，激發到導帶的電子數目越多，導電性越好；溫度相同，禁帶寬度小的晶體，激發到導帶的電子數目就越多，導電性就好。而半導體與絕緣體的區別則在于禁帶寬度不同。絕緣體的禁帶寬度比較大，一般為5～10eV，在室溫時激發到導帶上的電子數目非常少，因而其電導率很??；由于半導體的禁帶寬度比絕緣體小，所以在室溫時有相當數量的電子會跳躍到導帶上去。

（6）本征半導體與雜質半導體

① 本征半導體　將晶格完整且不含雜質的半導體稱為本征半導體。圖3-4所示為純凈硅本征半導體的晶體結構，圖中正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。在正常情況下，每一個帶正電荷的硅原子旁邊都圍繞著四個帶負電荷的價電子，半導體處于相對穩定的狀態。

半導體在0K時電子填滿價帶，導帶是空的，不能導電。但是半導體處于0K是一個特例。在一般情況下，由于溫度的影響，價電子在熱激發下有可能克服原子的束縛而跳躍出來，使其價鍵斷裂，這個電子離開原來位置在整個晶體中活動。與此同時，在價鍵中留下一個空位，稱為空穴，如圖3-5所示?？昭梢员幌噜彎M鍵上的電子填充而出現新的空穴。這樣，空穴不斷被電子填充，又不斷產生新的空穴，結果形成空穴在晶體內的移動?？昭梢员豢闯墒且粋€帶正電的粒子，其所帶的電荷與電子相等，但符號相反。這時自由電子和空穴在晶體內的運動都是無規則的，因而并不產生電流。如果存在電場，自由電子將沿著與電場方向相反的方向運動而產生電流。

② 雜質半導體　為了獲得所需要特殊性能的材料，人為地將某種雜質加到半導體材料中去的過程，叫作摻雜。如可以向純凈硅晶體中摻入硼、磷等來改變其特性，半導體材料的性能在很大程度上取決于其所含有的雜質的種類和數量。

這里所指的雜質是有選擇的，其數量也一定。例如，在純凈的硅中摻入少量的5價元素磷，這些磷原子在晶格中取代硅原子，并用它的4個價電子與相鄰硅原子進行共價結合。磷有5個價電子，用去4個，還剩1個，這個多余的價電子雖然沒有被束縛在價鍵里，但仍受到磷原子核正電荷的吸引。但這種吸引力很弱，只要用約0.04eV這樣少的能量，就可使其脫離磷原子到晶體內成為自由電子，從而產生電子導電運動（如圖3-6所示）；同時，磷原子由于缺少1個電子而變成帶正電的磷離子。由于磷原子在晶體中起施放電子的作用，所以把磷等5價元素稱為施主型雜質，也叫作N型（negative）雜質。摻有5價元素，電子數目遠遠大于空穴數目，所以導電主要由自由電子決定，其導電方向與電場方向相反的半導體，叫作電子型或N型半導體。

如果在純凈的硅中摻入少量3價元素硼，其原子只有3個價電子，當硼和相鄰的4個硅原子作共價鍵結合時，還缺少1個電子，所以要從其中1個硅原子的價鍵中獲取1個電子來填補。這樣，就在硅中產生了1個空穴，而硼原子則由于接受了1個電子而成為帶負電的硼離子（如圖3-7所示）。硼原子在晶體中起接受電子而產生空穴的作用，所以叫作受主型雜質，也叫作P型（positive）雜質。摻有3價元素，空穴數目遠遠超過電子數目，導電主要由空穴決定，導電方向與電場方向相同的半導體，叫作空穴型或P型半導體。

（7）載流子的產生與復合

導體、半導體中電流的載體稱為載流子。在半導體中，載流子包括導帶中的電子和價帶中的空穴。半導體的導電性能與載流子的數目有關，單位體積的載流子數目叫作載流子的濃度。半導體載流子濃度隨其中雜質的含量和外界條件（如加熱、光照等）而顯著變化。

由于晶格的熱運動，電子不斷從價帶被激發到導帶，形成一對電子和空穴，這就是載流子產生的過程。在不存在外電場時，由于電子和空穴在晶格中的運動是沒有規則的，所以在運動中電子和空穴常常碰在一起，即電子跳到空穴的位置上把空穴填補掉，這時電子和空穴就隨之消失。這種半導體中的電子和空穴在運動中相遇而造成的消失并釋放出多余的能量的現象，稱為載流子復合。

在一定的溫度下，半導體內不斷產生電子和空穴，電子和空穴不斷復合，如果沒有外表的光和電的影響，那么單位時間內產生和復合的電子與空穴即達到相對平衡，稱為平衡載流子。這種半導體的總載流子濃度保持不變的狀態，稱為熱平衡狀態。在這種情況下，電子濃度和空穴濃度的乘積等于本征半導體載流子濃度。對于每種材料，本征半導體載流子濃度取決于溫度，只要溫度一定，則電子濃度和空穴濃度的乘積即是一個與摻雜無關的常數。

在外界因素的作用下，例如N型硅受到光照時，價帶中的電子吸收光子能量跳入導帶（這種電子稱為光生電子），在價帶中留下等量空穴（這一現象稱為光激發），電子和空穴的產生率就大于復合率。這些多于平衡濃度的光生電子和空穴稱為非平衡載流子或過剩載流子。這種由于外界條件改變而使半導體產生非平衡載流子的過程，稱為載流子注入。載流子的注入方法有多種，用適當波長的光照射半導體使之產生非平衡載流子，叫光注入。

（8）載流子的輸運

載流子的輸運就是指通過載流子的運動來傳輸電荷、能量、熱量等的過程。其輸運模式有兩種：漂移運動和擴散運動。漂移是電場的牽引作用，擴散是濃度梯度的驅動作用。

① 漂移運動　半導體在外加電場的作用下，在載流子的熱運動上將疊加一個附加的速度，稱為漂移速度。對于電子，漂移速度與電場反向；對于空穴，漂移速度與電場同向。這樣，電子和空穴就有一個凈位移，而形成電流。

② 擴散運動　由微粒的熱運動而產生的物質遷移現象稱擴散。擴散在氣相、液相和固相物質內部均可發生，也可發生在不同相的物質之間。在同一相物質內的擴散主要是由密度差引起的，粒子從濃度高處往濃度低處擴散，直到各部分相同為止。濃度差越大、微粒質量越小、溫度越高，其擴散速度越快。半導體中的載流子因濃度不均勻而引起的從濃度高處向濃度低處的遷移運動，稱為擴散運動。擴散運動和漂移運動不同，它不是由電場力的作用產生的，而是在半導體載流子濃度不均勻的情況下載流子無規則的熱運動的自然結果。

（9）P-N結

在一塊半導體晶體上，通過某些工藝過程使一部分呈N型，一部分呈P型，則該P型和N型半導體界面附近的區域就叫作P-N結，如圖3-8所示。此時，由于交界面處存在電子和空穴的濃度差，N型區中的多數載流子電子要向P型區擴散，P型區中的多數載流子空穴要向N型區擴散。擴散后，在交界面的N區一側留下帶正電荷的離子施主，形成一個正電荷區域；同理，在交界面的P區一側留下帶負電荷的離子受主，形成一個負電荷區，這樣，就在N型區和P型區交界面的兩側形成一側帶正電荷而另一側帶負電荷的一層很薄的區域，稱為空間電荷區，即通常所說的P-N結。由濃度差形成的擴散電子流組成電子擴散電流，由濃度差形成的擴散的空穴流組成空穴擴散電流。擴散電流包括電子擴散電流和空穴擴散電流兩部分。在P-N結內有一個從N區指向P區的電場，由于它是由P-N結內部電荷產生的，因而稱其為內建電場。由于存在內建電場，在空間電荷區內將產生載流子的漂移運動，使電子由P區拉回N區，空穴由N區拉向P區，其方向與擴散運動的方向相反。這樣，開始時擴散運動占優勢，空間電荷區兩側的正負離子和正負電荷逐漸增加，空間電荷區逐漸加寬，內建電場逐漸增強。但隨著內建電場的增強，漂移運動也逐漸增強，擴散運動開始減弱，最后擴散運動和漂移運動趨向平衡，擴散運動不再發展，空間電荷區的厚度不再增加，內建電場不再增強，這時擴散和漂移的載流子數目相等而運動方向相反，達到動態平衡。在動態平衡狀態時，內建電場兩邊的電勢不等，N區比P區高，存在著電勢差，稱為P-N結勢壘，也稱為內建電勢差或接觸電勢差，用符號U表示。由電子從N區流向P區可知，P區對于N區的電勢差為負值。由于P區相對于N區具有電勢-U（取N區電勢為0），所以P區中所有電子都具有一個附加電勢能，其值為

電勢能=電荷×電勢=（-q）×（-U）=qU

qU通常稱為勢壘高度。勢壘高度取決于N區和P區的摻雜濃度，摻雜濃度越高，勢壘高度就越高。

① I-U特性　實驗表明，P-N結中的電壓和電流滿足式（3-1）所示的函數關系：

ID=I0（eqU/KT-1）

（3-1）

式中　q——電子電荷，1.6×10-19C；

K——波爾茲曼常數，1.38×10-23J/K；

T——熱力學溫度，K；

I0——P-N結的反向飽和電流，A。這是個和外加電壓無關的量，其值大小只與載流子的濃度、擴散情況等因素有關。當P-N結制成后基本上就是一個只與溫度有關的一個系數。

顯然，q/KT在某一溫度下是一個具體的數值。如溫度為25℃時，q/KT≈26mV，若在此溫度下二極管的外施電壓U滿足U>>26mV，則有

eqU/KT>>1

（3-2）

故

ID≈I0eqU/KT

（3-3）

即P-N結中的電壓和電流為指數關系，表現為在正向電壓作用下，二極管端壓略為增加，電流就會增加很多。

若此時二極管反接，U為負數，且其絕對值較26mV大得多時，則有

e-qU/KT<<1

（3-4）

故

ID≈-I0

（3-5）

表明此時流過P-N結的電流基本為一個常數，即反向飽和漏電流，其值大小與外施反向電壓數值大小無關。

② 能帶模型　P-N結的形成情況可以用能帶圖表示。能帶圖是一種理論模型，用它來討論半導體導電過程及有關特性非常方便。通常用EC表示導帶底，EV表示價帶頂，Eg表示禁帶的寬度。對硅基半導體而言，每個硅原子都有價電子，通常情況下這些價電子被原子核吸引而不能隨意離去。若給予某個價電子的能量等于或大于Eg，價電子便可脫離原子核的束縛成為自由電子，可以在整個晶體中起傳導電流的作用，則稱這個價電子進入了導帶。如圖3-9所示為三種類型半導體的能帶圖，容易想到，在導帶和價帶中間不會存在電子，因為能量小于Eg時電子不會脫離束縛，所以這一區域稱為禁帶。電子吸收了Eg的能量后被激發到導帶中，在價帶區域則留下了一個空穴。當然空穴也能傳輸電流，由于其所帶電荷為正電荷，所以空穴電流的方向與電子電流的方向相反。

半導體能帶模型中還有一個很重要的物理概念叫費米能級，用Ef表示，它表征的是電子和空穴在導帶和價帶中的填充水平。對本征半導體而言，一個電子從價帶激發到導帶，在價帶中留下一個空穴，所以半導體中電子數與空穴數整體相當，Ef處于禁帶中央。而在摻雜半導體中，如N型半導體中的載流多子為電子，這些電子進入導帶所需的能量遠遠小于Eg，并且不會在價帶中產生空穴，所以在導帶中有很多自由電子，因此其費米能級Efn向導帶附近靠近，說明N型半導體中電子填充水平很高。而對P型半導體，費米能級Efp則向價帶附近靠近，說明P型半導體中空穴填充水平很高。

當兩種半導體緊密接觸時，電子將從費米能級高處向低處流動，空穴則正相反。在由N區指向P區的電場影響下，Efn連同整個N區能帶下移，Efp連同整個P區能帶上移，價帶和導帶彎曲形成勢壘，直到Efn=Efp時停止移動，達到平衡。

在形成平衡P-N結的半導體中有統一的費米能級Ef，如圖3-10所示。P-N結的勢壘高度qUD=Efn-Efp，其中UD為P區和N區之間的接觸電位差。

3.1.2　光生伏打效應

當P-N結處于平衡狀態時，在P-N結處有一個耗盡區，其中存在著勢壘電場，該電場的方向由N區指向P區，如圖3-11（a）所示為硅基P-N結的平衡狀態。它對兩邊的多數載流子是勢壘，阻擋其繼續向對方擴散；但它對兩邊的少數載流子（如N區中的空穴和P區中的電子）卻有牽引作用，能把它們迅速拉拽到對方區域。只是在平衡穩定狀態時，由于少數載流子極少，難以構成電流，輸出電能。

當具有一定能量的光照射到半導體上時，能量大于硅禁帶寬度的光子，穿過減反射膜進入硅基半導體，在N區、空間電荷區、P區中將激發出大量處于非平衡狀態的光生電子-空穴對（即光生載流子）。一個光子可在半導體中產生一個電子-空穴對，一定溫度下的電子-空穴對數取決于該溫度下的自由電子數目。激發產生的電子-空穴有一個重新復合的自發傾向，即把吸收的能量釋放出來，重新恢復平衡位置。所以要達到實現光電轉換的目的，就必須在電子和空穴復合之前，把它們分開，使它們不再聚合。這種分離作用主要依靠P-N結空間電荷區的“勢壘”來實現。

光生電子-空穴對在耗盡區產生后，立即被內建電場分離，光生電子被推向N區，光生空穴被推向P區。在N區中光生電子-空穴對向P-N結的邊界擴散，一旦到達耗盡區的邊界，便立即受到內建電場的作用，推進P區，而光生電子則被留在N區。P區中的光生電子（少子）則同樣先擴散，后在電場力的作用下被推入N區，光生空穴則留在P區。

因此N區有過剩的電子，P區有過剩的空穴，如此便在P-N結兩側形成了正負電荷的積累，產生與勢壘電場方向相反的光生電動勢，如圖3-11（b）所示，這就是硅基P-N結的“光生伏打效應（photovoltaic effect）”。

當以硅基半導體做成的光電池外接負載后，光電流從P區經負載流至N區，負載即得到功率輸出。這樣，太陽的光能就直接變成了使用便捷的電能。如圖3-12所示。

當外電路開路時，光生伏打電動勢Uoc即為光照射時的開路電壓，其大小往往等于半導體禁帶寬度的1/2左右。例如使用禁帶寬度為1.1eV的硅基材料制成的太陽能光伏電池的開路電壓大約為0.45～0.6V。太陽能光伏電池接上負載RL后，被P-N結勢壘分開的光生載流子中，有一部分把能量消耗于降低P-N結的勢壘上，也即用于建立工作電壓，而剩余光生載流子則用于產生光生電流。

3.1.3　太陽能光伏電池工作過程

（1）太陽能光伏電池工作的前提條件

從上述硅基半導體光生伏打效應過程的分析可以看出，太陽能光伏電池的工作至少應具有以下幾個前提條件。

① 必須有光的照射。

② 入射光子必須具有足夠的能量，注入半導體后要能激發出電子-空穴對，這些電子-空穴必須具有足夠長的壽命，確保在它們被分離前不會自行復合消失。

③ 必須有一個勢壘電場存在。在勢壘電場作用下電子-空穴對被分離，電子集中在一邊，空穴集中在另一邊。絕大部分太陽能光伏電池利用P-N結勢壘區的靜電場達到實現分離電子-空穴對的目的，所以P-N結可以稱為是太陽能光伏電池的“心臟”。

④ 被分離的電子和空穴，經電極收集輸出到電池體外形成電流。

為此，可把太陽能光伏電池將光能轉換成電能的工作過程用圖3-13來示意，而且可以利用前面提到的能帶模型進一步分析太陽能光伏電池不同的工作狀態。

（2）太陽能光伏電池四種典型工作狀態

① 無外部光照，處于平衡狀態　此時，太陽能光伏電池的P-N結能帶圖如圖3-14（a）所示，因為有統一的費米能級Ef，勢壘高度為qUD=Ef n-Ef p。

② 穩定光照，輸出開路　此時，太陽能光伏電池的P-N結處于非平衡狀態，光生載流子積累形成的光電壓使P-N結正偏，費米能級發生分裂，如圖3-14（b）所示。因為電池輸出處于開路狀態，故費米能級分裂的寬度等于qUoc，剩余的結勢壘高度為q（UD-Uoc）。

③ 穩定光照，輸出短路　原來在太陽能光伏電池P-N結兩端積累的光生載流子通過外電路復合，光電壓消去，勢壘高度為qUD，如圖3-14（c）所示。各區中的光生載流子被內建電場分離，源源不斷流進外電路，形成短路電流Isc。

④ 穩定光照，外接負載　此時，一部分光電流在負載上建立的電壓為U，而另一部分光電流與P-N結電壓在電壓U的正向偏壓下形成的正向電流相抵消，如圖3-14（d）所示。費米能級分離的寬度正好等于qU，而這時剩余的結勢壘高度為q（UD-U）。

3.1.4　太陽能光伏電池的基本結構

不同基體材料和生產工藝的太陽能光伏電池，盡管基本原理相同，但結構差異很大。下文以硅太陽能光伏電池為例介紹太陽能光伏電池的基本結構。

（1）基本結構

硅太陽能光伏電池外形有圓形和方形兩種，如圖3-15所示為一個以P型硅材料為基底制成的N+/P型太陽能光伏電池結構示意圖。P層為基體材料，稱為基區層，簡稱基區，厚度為0.2～0.5mm。P層上面是N層，又稱為頂區層，簡稱頂層。它是在基體材料的表面層用高溫摻雜擴散的方法制成的，因此也稱其為擴散層。由于它通常是重度摻雜的，常標記為N+，N+層的厚度為0.2～0.5μm。擴散層處于電池的正面，也就是光照面，P層和N層的交界面處是P-N結。擴散層上分布有與其形成良好電氣接觸的上電極，上電極由母線和若干條柵線組成，柵線的寬度一般為0.2mm左右，柵線通過母線連接起來，母線寬為0.5mm左右，具體尺寸視單體電池的面積而定。上電極采用柵狀電極后，轉換效率可以提高1.5%～2%。基體下有與其形成歐姆接觸的下電極，上下電極均由金屬材料制成，并焊接有銀絲作為引線，其功能是引出光生電流。為了減少對入射光的反射，在電池表面上一般還蒸鍍一層天藍色的二氧化硅或其他材料的減反射膜，其功能是減少光的反射，使電池接受更多的光。減反射膜能使電池對有效入射光的吸收率達到90%以上，并使太陽能光伏電池的短路電流增加25%～30%。

就具體產品而言，太陽能光伏電池一般可以制成P+/N型或N+/P型兩種結構，如圖3-16所示。其中，第一個符號，即P+和N+，表示光伏電池正面光照層導體材料的導電類型；第二個符號，即N和P，表示光伏電池背面襯底，即基體半導體材料的導電類型。

（2）太陽能光伏電池的極性

太陽能光伏電池的電性能與制造電池所用半導體材料的特性有關。在太陽光照射時，太陽能光伏電池輸出電壓的極性規律是P型一側電極為正，N型一側電極為負。

當太陽能光伏電池作為電源與外電路連接時，它必須處于正向狀態下工作。當太陽能光伏電池與其他電源聯合使用時，如果外電源的正極與太陽能光伏電池的P電極連接，負極與太陽能光伏電池的N電極連接，則外電源向太陽能光伏電池提供正向偏壓；如果外電源的正極與太陽能光伏電池的N電極連接，負極與太陽能光伏電池的P電極連接，則外電源向太陽能光伏電池提供反向偏壓。

通過對太陽能光伏電池工作原理的介紹可以看出，太陽能光伏電池直接把日照能量變成電能。這一過程只涉及到半導體器件的靜止運用，沒有宏觀運動的粒子，也不涉及到熱運動工質，因此不存在傳統發電設備由于透平、旋轉等機械運動所引起的噪聲問題，也不存在由于使用工質而引起的銹蝕和泄漏問題?？梢赃@么講，就其原理而言，太陽能光伏電池是迄今為止最美妙、最長壽和最可靠的發電裝置，隨著其制造成本的不斷降低，太陽能的光電轉換必將會得到更為廣泛的應用。