太阳是一个巨大的能源，每年向地球辐射大量的光能，这种光能可以用光电变换器变换成电能。在正对太阳的每一平方米的地球表面上，能接收到1kW左右的太阳能。太阳辐射的大部分是光能（高能光子），这种光能可以用光-电转换器转换成电能。
一、太阳电池的种类
光-电转换器有两种：一种是光-伽伐尼电池，即光化学电池；另一种是光生伏特电池。常用的是光生伏特电池。对于光生伏特电池，目前，因材料、工艺等一系列问题，实际生产并应用的有硅太阳电池、砷化镓太阳电池和硫化镉太阳电池等。硅太阳电池应用较为普遍，这三种电池的特点详见下表1-1。
表1-1：太阳电池的种类及特点
二、硅太阳电池
1、硅太阳电池工作原理
硅太阳电池是一种pn结型半导体器件，其结构如图2-1-1所示。pn结位于和太阳电池受光表面平行的平面内，pn结越浅，复合损耗越小，输出电流越大。为了提高太阳电池的效率，上电极（负极）采用栅状结构，以缩短载流子经过n层的距离，减小n层电阻。一般说来，太阳电池采用栅状电极后，转换效率可提高1.5%~2%；另外，在受光面上，还蒸发或溅射了一层很薄的天蓝色的一氧化硅膜，该膜具有防反射作用，因此通常称为防反射膜。此外，一氧化硅膜还能增加光的透射率，所以称为增透射膜。增透射膜能使电池对有效入射光的吸收率达到90%以上，使太阳电池的短路电流增加25%~30%。
图2-1-1：硅太阳电池结构
硅太阳电池是根据光生伏特效应而制成，这种效应就是pn结在光照射下会产生电动势。如图2-1-2所示，当pn结处于平衡状态时，在pn结处有一个耗尽层，其中存在着势垒电场，该电场的方向由n区指向p区。当阳光照射到pn结区时，硅原子受激发而产生电子-空穴对，在势垒电场的作用下，空穴流向p型区，电子流向n型区，因此n区有过剩的电子，p区有过剩的空穴，结果在pn结附近形成与势垒电场方向相反的光生电动势。光生电动势的一部分抵消了势垒电场；另一部分使p区带正电，n区带负电，因此在p区与n区之间产生光生伏特电动势UOC。当外电路开路时，光生伏特电势UOC即为光照时的开路电压；当外电路短路时，太阳电池就会产生与入射光强成正比的短路电流。
图2-1-2：pn结光生伏特效应
2、硅太阳电池的等效电路和伏-安特性
硅太阳电池的理想等效电路由光产生的电流源和二极管组成，如图2-2-1(a)所示。在阳光照射下，当太阳电池接通负载并达到稳定状态后，流入负载的电流IR和负载两端的电压UR的关系为下式，式中符号的含义详见下表2-2。
IR = IL-I0（eQUR/KT-1）
图2-2-1：硅太阳电池的等效电路
表2-2：式中符号的含义
根据该公式可以做出太阳电池的伏-安特性曲线，如图2-2-2所示。在电阻负载时，负载线为一直线，其斜率由负载电阻的大小决定。负载线与伏-安特性曲线的交点M（UR，IR）称为负载工作点，负载电阻RL从电池获得的功率为：PR =IR UR。IR UR乘积相当于图中矩形阴影的面积，能使矩形面积为最大的负载电阻值称为最佳负载。最佳负载能够从太阳电池获得最大输出功率。
图2-2-2：硅太阳电池的伏-安特性
三、太阳电池的主要特性
1、入射光强响应特性
入射光强与开路电压UOC和短路电流ISC的关系如图3-1-1所示。从图中可以看出，路电流ISC和入射光强成正比，而开路电压UOC与入射光强的对数成正比。
图3-1-1：入射光强与开路电压及短路电流的关系
入射光强为不同数值时，太阳电池的输出电压与输出功率的关系曲线如图3-1-2所示，显然，获得最大输出功率时，太阳电池的输出电压明显地受入射光强的影响。入射光强为100mW/cm2时，太阳电池的电压、电流与输出功率的关系曲线如图3-1-3所示。当电压低于4V 时，输出功率减少，而电流基本上保持恒定。可见，太阳电池是比较理想浮充电源。
图3-1-2：不同入射光强时输出电压与输出功率的关系
图3-1-3：电压、电流与输出功率的关系
2、负载电阻特性
太阳电池的工作电压随负载电阻变化而变化。在入射光强为100mW/cm2时，输出功率、输出电压和输出电流与负载电阻的关系如图3-2所示。当负载电阻约为50Ω时太阳电池可输出最大功率。根据这一特性，可设计出各种用途的太阳电池供电系统。显然，获得最大输出功率时，太阳电池的输出电压明显地受入射光强的影响。入射光为100mW/cm2时，太阳电池的电压、电流与输出功率的关系曲线如图3-1-3所示。
图3-2：负载电阻与输出功率、电压及电流的关系
3、温度特性
最大输出功率Pmax、开路电压UOC以及短路电流ISC与温度的关系如图3-3所示。开路电压以-20mV/℃的速率变化（负温度系数），而短路电流则以2×10-3A/℃的速率变化（正温度系数）。当温度在0℃以上时，最大输出功率以0.3~0.4%/℃的速率递减。
图3-3：最大输出功率、开路电压及短路电流与温度的关系
4、光灵敏度
硅太阳电池组合板的光谱特性如图3-4所示，最高光谱灵敏度在0.7~0.9μm之间，即在近红外线至红外线的光谱范围内。
图3-4：硅太阳电池组合板的光谱特性
四、太阳电池的组装方式
太阳电池的组装方式有平板式和聚光式两种。
1、平板式
在使用中，为了满足负载要求的输出功率，首先要把各种规格的太阳电池串联组装成组合板，然后再将组合板组装成阵列。关于组合板和阵列的含义详见下表4-1。为了防止夜间蓄电池电流馈入太阳电池，需在阵列中架装设隔离二极管。当阵列最大输出电流时，阵列连线的电阻压降应小于0.3V，故在选择阵列间的连线时应采用截面较粗的电缆。
表4-1：组合板和阵列的含义
阵列结构架可用标准铝型材或钢型材制作，这些材料不仅价格较低，而且还具有足够的钢度。为了避免腐蚀，材料的表面必须经过热处理。结构架还应有调节支架，以便用户调节阵列的倾斜，以获得最大输出功率，或者在需要时，可按季节调节阵列的角度。
对于通信用太阳电池方阵容量的计算方法在GB 51194中给出了规定，欲详细了解的请进入。
2、聚光式
为了降低硅太阳电池供电系统的成本，除了采用成本较低的材料和简单的工艺制造太阳电池外，还可以采用聚光式太阳电池系统。聚光式太阳电池系统由聚光电池阵列、支承座和光电自动控制装置三大部分组成。聚光电池单元由菲涅耳透镜、太阳电池和散热器组成。菲涅耳透镜可采用有机玻璃、有机碳酸脂及聚氯乙烯等塑料制成。聚光电池在高光强下工作，输出电流较大，为了减少串联电阻引起的电压降，聚光电池的串联电阻应尽可能小，以保证电池有较高的输出功率。光电自动控制装置由传感器、控制箱和电动机组成，通过这种装置，太阳电池可以自动跟踪太阳光，以获得最大输出功率。
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