太陽電池の理論は、光子が適切な半導体デバイスに当たるとき、光子中の光エネルギーが電流に変換されるプロセスを説明している。 理論的研究は、太陽電池の基本限界を予測し、損失および太陽電池効率に寄与する現象についての指針を与えるため、実用的な研究である。

簡単な説明
日光の中の光子は太陽電池パネルを襲い、半導体材料によって吸収される。

電子（負に荷電した）は、励起されるとその原子から緩められてノックされる。 彼らの特別な構造と太陽電池の材料のために、電子は単一の方向にのみ移動することが許される。 材料の電子構造は、プロセスが機能する上で非常に重要であり、しばしば少量のホウ素またはリンを含むシリコンが異なる層で使用される。

太陽電池のアレイは、太陽エネルギーを使用可能な量の直流（DC）電気に変換する。

電荷キャリアの光生成
光子がシリコンに衝突すると、次の3つのことが起こります。
光子はシリコンをまっすぐに通過することができます – これは（一般的に）低エネルギーの光子で起こります。

光子は表面から反射することができる。
光子エネルギーがシリコンバンドギャップ値よりも高い場合、光子はシリコンによって吸収され得る。 これは、電子 – 正孔対を生成し、時にはバンド構造に依存して加熱する。

光子が吸収されると、そのエネルギーは結晶格子内の電子に与えられる。 通常、この電子は価電子帯に存在する。 光子によって電子に与えられたエネルギーは、それを伝導帯内に「励起」し、そこで半導体内を自由に移動することができる。 電子が以前に存在していた共有結合のネットワークは、電子が1つ少なくなっています。 これは穴と呼ばれます。 欠損した共有結合が存在すると、隣接する原子の結合電子が「穴」内に移動し、別の穴が残って格子全体に穴が広がる。 半導体に吸収された光子は電子 – 正孔対を生成すると言える。

光子は、電子を価電子帯から伝導帯に励起するために、バンドギャップのエネルギーより大きなエネルギーしか持たない。 しかしながら、太陽周波数スペクトルは、約5,800Kで黒体スペクトルに近似しており、地球に到達する太陽​​放射の多くは、シリコンのバンドギャップよりも大きなエネルギーを有する光子からなる。 これらのより高いエネルギーの光子は、太陽電池によって吸収されるが、これらの光子とシリコンバンドギャップとの間のエネルギーの差は、使用可能な電気エネルギーではなく、熱に変換される（格子振動（フォノン）と呼ばれる）。 2つの光子が2光子光起電力効果と呼ばれるプロセスで同時に吸収される場合にも、光起電力効果が生じる可能性がある。 しかしながら、この非線形プロセスには高い光強度が必要である。

pn接合
最も一般的に知られている太陽電池は、シリコンで作られた大面積のpn接合として構成される。 簡略化として、n型シリコンの層をp型シリコンの層と直接接触させることを想像することができる。実際には、シリコン太陽電池のp-n接合は、このようにして行われるのではなく、むしろ、n型ドーパントをp型ウェハの一方の側に拡散する（またはその逆）。

一片のp型シリコンが一片のn型シリコンと密接して配置されると、電子の拡散が高電子濃度の領域（接合のn型側）から低領域電子濃度（接合部のp型側）。 電子がpn接合を横切って拡散すると、それらはp型側の正孔と再結合する。 しかし、（外部回路が存在しない場合）電荷が接合部のいずれかの側に蓄積して電場を生成するので、キャリアのこの拡散は無期​​限に進まない。 電場は、ドリフト電流として知られる電荷の流れを促進し、電子と正孔の拡散に対抗し、最終的にはバランスをとる。 電子と正孔が接合部を横切って拡散するこの領域は、実質的に移動可能な電荷キャリアを含まないため、空乏領域と呼ばれる。 空間電荷は空乏領域よりもさらに両方向に少し延びているが、空間電荷領域としても知られている。

電荷キャリア分離
太陽電池の電荷キャリアの動きと分離の原因は2つあります。
電場によって駆動されるキャリアのドリフト。電子は一方向に、穴は逆に

より高いキャリア濃度のゾーンからより低いキャリア濃度のゾーンへのキャリアの拡散（電気化学ポテンシャルの勾配に従う）。

これらの2つの「力」は、細胞内の任意の点で互いに作用することができる。 例えば、p領域からn領域への接合部を通って移動する電子（この記事の冒頭の図のように）は、濃度勾配に対して電場によって押されている。 反対方向に動く穴に対しても同じことが言えます。

電流がどのように生成されるのかを理解することは、電界が強いところである空乏ゾーン内に生成される電子 – 正孔対を考慮することが最も容易である。 この電界によって、電子がn側に、ホールがp側に押し出される。 （これは、動作中の発光ダイオードのような順方向バイアスされたダイオードの電流の方向とは反対である。）電界がより小さい空間電荷ゾーンの外側に対が生成されると、拡散も移動するように作用するしかし、p側からn側に到達する電子を掃引し、n側からp側に到達する任意のホールを掃引することによって、接合部は依然として役割を果たす。空間電荷ゾーン。

厚い太陽電池では、空間電荷ゾーンの外側の活性領域にはほとんど電界がないので、支配的な電荷キャリア分離モードは拡散である。 これらのセルでは、少数キャリア（光生成キャリアが再結合する前に移動できる長さ）の拡散長は、セルの厚さに比べて大きくなければなりません。 薄膜セル（アモルファスシリコンなど）では、少数キャリアの拡散長は、通常、欠陥の存在により非常に短く、支配的な電荷分離は、接合部の静電界によって駆動されるため、ドリフトします。細胞の全体の厚さ。

少数キャリアがドリフト領域に入ると、それはジャンクションを横切って「掃引」され、ジャンクションの他の側で多数キャリアになる。 この逆電流は、光の吸収によって熱的に（存在する場合）供給される発生電流である。 一方、多数キャリアは、順方向電流につながる（濃度勾配の結果として）拡散によってドリフト領域に押し込まれ、 最も高いエネルギーを有する多数キャリア（いわゆるボルツマンテール; Maxwell-Boltzmann統計を参照）のみがドリフト領域を完全に横切ることができる。 したがって、デバイス全体のキャリア分布は、逆電流と順方向電流との間の動的平衡によって支配される。

外部負荷への接続
オーミック金属 – 半導体コンタクトは、太陽電池のn型およびp型の両側に形成され、電極は外部負荷に接続される。 n型側で生成されるか、またはp型側で生成され、接合によって「収集」され、n型側に掃引される電子は、ワイヤを通って移動し、負荷に電力を供給し、ワイヤを通って進むそれらがp型半導体 – 金属接触部に達するまで行う。 ここでは、それらは、太陽電池のp型側に電子 – 正孔対として形成された孔、またはそこに生成された後にn型側から接合部を横切って掃引された孔と再結合する。

測定された電圧は、2つの端子における多数キャリア（n型部分の電子とp型部分のホール）の準フェルミ準位の差に等しい。

太陽電池の等価回路
太陽電池の電子的挙動を理解するためには、電気的に同等のモデルを作成することが有用であり、挙動がよく定義された離散理想電気部品に基づいている。 理想的な太陽電池は、ダイオードと並列の電流源によってモデル化することができる。 実際には太陽電池は理想的ではないので、シャント抵抗と直列抵抗成分がモデルに追加されます。 太陽電池の等価回路を左に示す。 右側には、回路図に使用される太陽電池の概略図も示されている。

特性方程式
等価回路から、太陽電池によって生成される電流は、電流源によって生成される電流から、ダイオードを流れる電流を引いたものから、シャント抵抗を通って流れる電流を差し引いたものに等しいことが明らかである。

どこで
I =出力電流（アンペア）
I _L =光生成電流（アンペア）
I _D =ダイオード電流（アンペア）
I _SH =シャント電流（アンペア）。

これらの要素を流れる電流は、それらの両端の電圧によって制御されます。

どこで
V _j =ダイオードと抵抗器の両端の電圧RSH（ボルト）
V =出力端子間の電圧（ボルト）
I =出力電流（アンペア）
R _S =直列抵抗（Ω）。

Shockleyダイオードの式によって、ダイオードを流れる電流は次のようになります。

どこで
I ₀ =逆飽和電流（アンペア）
n =ダイオード理想係数（理想ダイオードの場合は1）
q =基本料金
k =ボルツマン定数
T =絶対温度

 熱電圧。 25℃で、  ボルト。
オームの法則により、シャント抵抗を介して流れた電流は次のようになります。

どこで
R _SH =シャント抵抗（Ω）。

これらを第1の式に代入すると、太陽電池のパラメータを出力電流および電圧に関連付ける太陽電池の特性方程式が生成される。

別の導出では、見た目に似ているが、左側にVが付いた方程式が生成されます。 2つの選択肢はアイデンティティです。 すなわち、それらは正確に同じ結果をもたらす。

パラメータI ₀ 、n、R _S 、およびR _SHは直接測定することができないので、特性方程式の最も一般的な適用は、太陽電池の挙動に対するそれらの複合効果に基づいてこれらのパラメータの値を抽出する非線形回帰である。

R _Sがゼロでない場合、上記の式は電流Iを直接与えませんが、Lambert W関数を使用して解くことができます。

外部負荷がセルと共に使用されるとき、電流を見つけるために抵抗をRSに単に加え、Vをゼロに設定するだけでよい。

R _SHが無限大の場合、V  未満  ：

そうでなければ、Lambert W関数を使ってVを解くことができます：

しかし、 R _SHが大きいときは元の方程式を数値的に解く方がよい。
解の一般的な形は、Vが増加するにつれてIが減少する曲線です。 小さいまたは負のVの勾配（ W関数がゼロに近い）が近づく  、高Vにおける勾配は近づく  。

開回路電圧および短絡電流
セルが開回路で動作するとき、 I = 0であり、出力端子間の電圧は開回路電圧として定義される。 シャント抵抗が特性方程式の最終項を無視するのに十分高いと仮定すると、開回路電圧V _OCは次のようになります。

同様に、セルが短絡で動作する場合、V = 0であり、端子を流れる電流Iが短絡電流として定義される。 高品質の太陽電池（低R _SおよびI ₀ 、高R _SH ）の場合、短絡電流I _SCは次のようになります。

オープン回路または短絡状態のいずれかで動作しているときは、デバイスから電力を引き出すことはできません。

物理的サイズの影響
IL、I0、RS、およびRSHの値は、太陽電池の物理的サイズに依存する。 他の点では同一のセルを比較する場合、原理的に、光電流が発生する領域の2倍、ダイオード電流が流れる領域が2倍あるため、別のセルと比較すると、ILとI0が2倍になります。 同じ議論では、垂直電流の流れに関係する直列抵抗のRSの半分も持ちます。 しかし、大面積のシリコン太陽電池では、横方向の電流が遭遇する直列抵抗のスケーリングは、グリッド設計に決定的に依存するため、容易に予測できません。 シャントタイプによっては、シャントが発生する可能性がある領域の2倍の面積を持つため、大きなセルのRSHも半分になることがあります。 一方、シャントが主に周辺で発生する場合、面積ではなく円周の変化に従ってRSHが減少する。

電流の変化が支配的なものであり、お互いのバランスを取っているので、開回路電圧は実質的に同じである。 VOCはRSHが低すぎる場合にのみセルサイズに依存し始めます。 電流の優位性を説明するために、特性方程式は、電流密度、または単位セル面積あたりに生成される電流に関して書かれることが多い：

どこで
J =電流密度（アンペア/ cm ² ）
J _L =光生成電流密度（アンペア/ cm ² ）
J ₀ =逆飽和電流密度（アンペア/ cm ² ）
r _S =比直列抵抗（Ω-cm ² ）
r _SH =比例シャント抵抗（Ω-cm ² ）。

この製剤にはいくつかの利点がある。 一つは、細胞特性が共通の断面積に参照されているため、それらは異なる物理的次元の細胞に対して比較され得ることである。 これは、すべてのセルが同じサイズになる傾向がある製造環境では限定的な利点ですが、研究や製造業者間のセルの比較に役立ちます。 もう1つの利点は、密度式が自然にパラメータ値を同様の大きさにスケールすることで、純粋な解法であっても簡単で正確な数値抽出が可能になることです。

この処方には実用上の限界がある。 例えば、セルサイズが縮小し、抽出されたパラメータ値に影響を及ぼす可能性があるので、特定の寄生効果が重要になる。 接合部の再結合および汚染は、細胞の周囲で最大となる傾向があるので、非常に小さい細胞は、他の点では同一のより大きい細胞よりも高い値のJ0またはそれ以下のRSHを示す可能性がある。 そのような場合、細胞間の比較は、これらの影響を念頭に置いて慎重に行う必要があります。
このアプローチは、太陽電池と同等のレイアウトを比較する場合にのみ使用してください。 例えば、典型的な結晶シリコン太陽電池のような主に二次太陽電池と、典型的な薄膜太陽電池のような狭いが長い太陽電池との比較は、異なる種類の電流経路によって引き起こされる間違った仮定につながり、 rSに対する分散直列抵抗の寄与。 太陽電池のマクロ構造は、特に、薄膜太陽電池および非常に畳み込まれた折りたたみ構造を可能にする可撓性のある太陽電池のために、任意の固定体積内に配置される異なる表面積をもたらす可能性がある。 体積が拘束条件である場合、表面積に基づく効率密度はあまり関連性がない可能性があります。

透明導電性電極
透明な導電性電極は、太陽電池の必須構成要素である。 これは、インジウムスズ酸化物の連続膜か、電線が電荷コレクタであり、ワイヤ間の空隙が光に対して透明である導電ワイヤネットワークのいずれかである。 より高いワイヤ密度が光の透過を妨げるので、ワイヤーネットワークの最適密度は、太陽電池の性能を最大限にするために不可欠であるが、ワイヤー密度が低いほど、電荷キャリアにより多くの距離移動するため、高い再結合損失が生じる。

セル温度
温度は特性方程式に直接的に、指数関数的にTを介して、間接的にI0に影響を及ぼします（厳密に言えば、温度はすべての項に影響しますが、これらの2つは他のものよりはるかに顕著です）。 Tを増加させると特性方程式の指数の大きさが減少しますが、I0の値はTで指数関数的に増加します。正味の効果は温度上昇に伴ってVOC（開回路電圧）を直線的に減少させることです。 この減少の大きさはVOCに反比例する。 すなわち、VOCの値が高いセルは、温度が上昇するにつれて電圧の低下が小さくなります。 ほとんどの結晶シリコン太陽電池では、VOCの温度変化は約-0.50％/℃ですが、最高効率の結晶シリコンセルの割合は約-0.35％/℃です。 比較のために、アモルファスシリコン太陽電池のレートは、セルの作成方法に応じて-0.20％/℃〜-0.30％/℃です。

光生成電流ILの量は、セル内の熱生成キャリアの数の増加のために、温度が上昇するにつれてわずかに増加する。 この効果はわずかであるが、結晶シリコンセルでは約0.065％/℃、アモルファスシリコンセルでは0.09％である。

セル効率に対する温度の全体的な影響は、これらの係数を特性式と組み合わせて計算することができます。 しかし、電圧の変化が電流の変化よりもはるかに強いので、効率に対する全体的な影響は、電圧の変化と同様の傾向にある。 ほとんどの結晶シリコン太陽電池は、効率が0.50％/℃低下し、ほとんどの非晶質電池は0.15-0.25％/℃低下します。 上記の図は、様々な温度で結晶シリコン太陽電池に典型的に見られるIV曲線を示しています。

直列抵抗
直列抵抗が増加するにつれて、接合電圧と端子電圧との間の電圧降下は、同じ電流に対してより大きくなる。 その結果、IV曲線の電流制御部分が起点に向かって垂れ下がり始め、端子電圧が大幅に低下します  短絡電流であるISCがわずかに減少します。 RSの値が非常に高いと、ISCが大幅に減少します。 これらのレジームでは、直列抵抗が支配的であり、太陽電池の挙動は抵抗のそれと似ている。 これらの効果は、図の右側に示すIV曲線の結晶シリコン太陽電池で示されている。

直列抵抗に起因する損失は、P _loss = V _Rs I = I ² R _Sによって与えられる第1近似であり、（光電流）で2次的に増加する。 従って、直列抵抗損失は、高い照明強度で最も重要である。

シャント抵抗
シャント抵抗が減少するにつれて、シャント抵抗を介して迂回される電流は、所与のレベルの接合電圧に対して増加する。 その結果、IV曲線の電圧制御部分が原点から遠ざかり始め、終端電流Iが大幅に減少し、VOCがわずかに減少します。 RSHの値が非常に低いと、VOCが大幅に減少します。高い直列抵抗の場合のように、ひどくシャントされた太陽電池は、抵抗の動作特性と同様の動作特性をとることになる。 これらの効果は、図の右側に示すIV曲線の結晶シリコン太陽電池で示されている。

逆飽和電流
無限シャント抵抗を仮定すると、特性方程式はV _OCについて解くことができます。

したがって、I0が増加すると、増加の対数の逆数に比例してVOCが減少する。 これは、上述の温度上昇を伴うVOCの減少の理由を数学的に説明する。 結晶シリコン太陽電池のI-V曲線に対する逆飽和電流の影響を右の図に示します。 物理的には、逆方向飽和電流は、逆バイアスにおいてpn接合を横切るキャリアの「漏れ」の尺度である。 この漏れは、接合部のいずれかの側の中性領域におけるキャリア再結合の結果である。

理想係数
理想係数（輻射率とも呼ばれる）は、ダイオードの動作が理論によって予測されたものとどれほど密接に関係しているかを表すフィッティングパラメータです。ダイオードのpn接合が無限面であり、空間電荷領域内で再結合が起こらないと仮定します。 空間電荷領域における再結合が他の再結合を支配する場合、n = 2である。他のすべてのパラメータとは独立に理想係数を変化させる効果が、結晶シリコン太陽電池の場合に示されている。図の右側にIVカーブが表示されます。

従来のダイオードに比べてかなり大きい太陽電池は、無限大の平面によく似ており、通常は標準試験条件（n≒1）でほぼ理想的な挙動を示します。 しかしながら、特定の動作条件下では、デバイス動作は空間電荷領域における再結合によって支配されることがある。 これは、I0の著しい増加、および理想係数のn≒2への増加を特徴とする。後者は、太陽電池の出力電圧を増加させる傾向があり、前者は、それを侵食する傾向がある。 したがって、正味の効果は、図の右にnを増加させた場合に示される電圧の増加と、上の図でI 0が増加する場合に示される電圧の減少との組み合わせである。 通常、I 0はより重要な要素であり、その結果、電圧が低下します。

時には、理想係数は2よりも大きいことが観察され、これは一般に、太陽電池におけるショットキーダイオードまたはヘテロ接合の存在に起因する。 ヘテロ接合オフセットの存在は、太陽電池の収集効率を低下させ、低い充填率に寄与し得る。