太陽能電池結(jié)構(gòu)及工作原理

時間：2023-03-06作者：北京德勝金軒科技有限公司瀏覽：241

太陽能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理太陽能電池的外形及基本結(jié)構(gòu)如圖1?；静牧蠟镻型單晶硅，厚度為0.3—0.5mm左右。上表面為N+型區(qū)，構(gòu)成一個PN＋結(jié)。**區(qū)表面有柵狀金屬電極，硅片背面為金屬底電極。上下電極分別與N＋區(qū)和P區(qū)形成歐姆接觸，整個上表面還均勻覆蓋著減反射膜。當(dāng)入**光照在電池表面時，光子穿過減反射膜進(jìn)入硅中，能量大于硅禁帶寬度的光子在N+區(qū)，PN＋結(jié)空間電荷區(qū)和P區(qū)中激發(fā)出光生電子——空穴對。各區(qū)中的光生載流子如果在復(fù)合前能越過耗盡區(qū)，就對發(fā)光電壓作出貢獻(xiàn)。光生電子留于N＋區(qū)，光生空穴留于P區(qū)，在PN＋結(jié)的兩側(cè)形成正負(fù)電荷的積累，產(chǎn)生光生電壓，此為光生伏打效應(yīng)。當(dāng)光伏電池兩端接一負(fù)載后，光電池就從P區(qū)經(jīng)負(fù)載流至N＋區(qū)，負(fù)載中就有功率輸出。太陽能電池各區(qū)對不同波長光的敏感型是不同的。靠近**區(qū)濕產(chǎn)生陽光電流對短波長的紫光（或紫外光）敏感，約占總光源電流的5－10％（隨N＋區(qū)厚度而變），PN＋結(jié)空間電荷的光生電流對可見光敏感，約占5％左右。電池基體區(qū)域產(chǎn)生的光電流對紅外光敏感，占80－90％，是光生電流的主要組成部分。




將光子轉(zhuǎn)換為電子

計(jì)算器和人造衛(wèi)星上使用的太陽能電池都是光伏電池或者模塊（模塊就是一組通過電路連接并封裝在一個框架內(nèi)的電池）。光伏電池（Photovoltaics），顧名思義（photo=光，voltaic=電），是指將太陽光轉(zhuǎn)換為電能的電池。光伏電池之前只用在太空中，而現(xiàn)在卻越來越普及，且使用方式也越來越普通。它們甚至可以為您的住宅供電。這些裝置是如何工作的呢？光伏（PV）電池由半導(dǎo)體材料制成，比如硅就是目前較常用的一種半導(dǎo)體。當(dāng)光照射電池時，有一部分光會被半導(dǎo)體材料吸收。這意味著吸收的光能將傳給半導(dǎo)體。能量會導(dǎo)致電子逸出，使它們可以自由流動。光伏電池中還有一個或多個電場，可以迫使由光吸收并釋放的電子以一定方向流動。電子的流動形成電流，通過在光伏電池的**部和底部安放金屬觸點(diǎn)，我們可以將電流引出來，以供使用。例如，電流可以為計(jì)算器供電。此電流以及電池電壓（由內(nèi)部電場產(chǎn)生）決定了太陽能電池的功率（或者瓦特數(shù)）。在將N型硅與P型硅放到一起時，有趣的情形發(fā)生了。切記，每塊光伏電池至少有一個電場。沒有電場，電池就無法工作，而此電場是在N型硅和P型硅接觸的時候形成的。突然，N側(cè)的自由電子（它們一直在尋找空穴來安身）看到了P側(cè)的所有空穴，然后便瘋狂地奔向空穴，將空穴填滿。以前，從電的角度來看，我們所用的硅都是中性的。多余的電子被磷中多余的質(zhì)子所中和。缺失電子（空穴）由硼中缺失質(zhì)子所中和。當(dāng)空穴和電子在N型硅和P型硅的交界處混合時，中性就被破壞了。所有自由電子會填充所有空穴嗎？不會。如果是這樣，那么整個準(zhǔn)備工作就沒有什么意義了。不過，在交界處，它們確實(shí)會混合形成一道屏障，使得N側(cè)的電子越來越難以抵達(dá)P側(cè)。較終會達(dá)到平衡狀態(tài)，這樣我們就有了一個將兩側(cè)分開的電場。這個電場相當(dāng)于一個二極管，允許（甚至推動）電子從P側(cè)流向N側(cè)，而不是相反。它就像一座山——電子可以輕松地滑下山頭（到達(dá)N側(cè)），卻不能向上攀升（到達(dá)P側(cè)）。這樣，我們就得到了一個作用相當(dāng)于二極管的電場，其中的電子只能向一個方向運(yùn)動。讓我們來看一下在太陽光照射電池時會發(fā)生什么。當(dāng)光以光子的形式撞擊太陽能電池時，其能量會使電子空穴對釋放出來。

每個攜帶足夠能量的光子通常會正好釋放一個電子，從而產(chǎn)生一個自由的空穴。如果這發(fā)生在離電場足夠近的位置，或者自由電子和自由空穴正好在它的影響范圍之內(nèi)，則電場會將電子送到N側(cè)，將空穴送到P側(cè)。這會導(dǎo)致電中性進(jìn)一步被破壞，如果我們提供一個外部電流通路，則電子會經(jīng)過該通路，流向它們的原始側(cè)（P側(cè)），在那里與電場發(fā)送的空穴合并，并在流動的過程中做功。電子流動提供電流，電池的電場產(chǎn)生電壓。有了電流和電壓，我們就有了功率，它是二者的乘積。


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