光伏电池的工作原理

 

我们的光伏电池可以吸收多少太阳光的能量？遗憾的是，此处介绍的简易电池
对太阳光能量的吸收率至多为

25%左右，通常的吸收率是 15%或更低。为什么

吸收率会这么低？

 

可见光只是电磁频谱的一部分。电磁辐射不是单频的

——它由一系列不同波长

（进而产生的一系列能级）组成。（有关电磁频谱的详细介绍，请参阅狭义相对
论基本原理。）

 

光可分为不同波长，我们可以通过彩虹看出这一点。由于射到电池的光的光子能
量范围很广，因此有些光子没有足够的能量来形成电子空穴对。它们只是穿过电
池，就像电池是透明的一样。但其他一些光子的能量却很强。只有达到一定的能
量

——单位为电子伏特（eV），由电池材料（对于晶体硅，约为 1.1eV）决定

——才能使电子逸出。我们将这个能量值称为材料的带隙能量。如果光子的能量
比所需的能量多，则多余的能量会损失掉（除非光子的能量是所需能量的两倍，
并且可以创建多组电子空穴对，但这种效应并不重要）。仅这两种效应就会造成
电池中

70%左右的辐射能损失。 

为何我们不选择一种带隙很低的材料，以便利用更多的光子？遗憾的是，带隙
还决定了电场强度（电压），如果带隙过低，那么在增大电流（通过吸收更多
电子）的同时，也会损失一定的电压。请记住，功率是电压和电流的乘积。最优
带隙能量必须能平衡这两种效应，对于由单一材料制成的电池，这个值约为
1.4 电子伏特。 

我们还有其他能量损失。电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。我们
可以在电池底部镀上一层金属，以保证良好的导电性。但如果我们将电池顶部完
全镀上金属，光子将无法穿过不透光导体，这样就会丧失所有电流（在某些电
池中，只有上表面而非所有位置使用了透明导体）。如果我们只在电池的两侧设
置触点，则电子需要经过很长一段距离（对于电子而言）才能抵达接触点。要知
道，硅是半导体，它传输电流的性能没有金属那么好。它的内部电阻（称为串联
电阻）相当高，而高电阻意味着高损耗。为了最大限度地降低这些损耗，电池上
覆有金属接触网，它可缩短电子移动的距离，同时只覆盖电池表面的一小部分。