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太阳能电池的基本工作原理

2017-11-23

太阳能是一种辐射能,它必须借助予能量转换器才能变换成为电能。这个把太阳能(或其他光能)变换成电能的能量转换器,就叫做太阳能电池

太阳能电池工作原理的基础,是半导体p-n结的“光生伏打”效应。所谓光生伏打效应,简单地说,就是当物体受到光照时,其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应,但在固体尤其是在半导体中,光能转换为电能的效率特别高。因此半导体中的光电效应引起人们的格外关注,研究得最多,并发明制造出了半导体太阳能电池

可将半导体太阳能电池的发电过程概括成如下4点:

(1)首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。

(2)太阳能电池吸收具有一定能量的光子,激发出非平衡载流子(光生载流子)一电子一空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命,在它们被分离之前不会复合消失。

(3)这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池p-n结内建电场的作用下,电子一空穴对被分离,电子集中在一边,空穴集中在另一边,在p-n结两边产生异性电荷的积累,从而产生光生电动势,即光生电压。

(4)在太阳能电池p-n结的两侧引出电极,并接上负载,则在外电路中即有光生电流通过,从而获得功率输出,这样太阳能电池就把太阳能(或其他光能)直接转换成了电能。

下面以单晶硅太阳能电池为例,对太阳能电池的基本工作原理进行具体阐述。

众所周知,物质的原子是由原子核和电子组成的。

原子核带正电,电子带负电。电子就像行星围绕太阳转动一样,按照一定的轨道绕着原子核旋转。单晶硅的原子是按照一定的规律排列的。硅原子的外层电子壳层中有4个电子。每个原子的外壳电子都有固定的位置,并受原子核的约束。它们在外来能量的激发下,如在太阳光辐射时,就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子,并同时在原来的地方留出一个空位,即空穴。由于电子带负电,空穴就表现为带正电。电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。在纯净的硅晶体中,自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝、铟或镓等杂质元素,它就成了空穴型半导体,简称p型半导体。

如果在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素,它就成了电子型的半导体,简称n型半导体。若把这两种半导体结合在一起,由于电子和空穴的扩散,在交界面处便会形成p-n结,并在结的两边形成内建电场,又称势垒电场。由于此处的电阻特别高,所以也称为阻挡层。

当太阳光(或其他光)照射p-n结时,在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子,相应地便产生了电子一空穴对,并在势垒电场的作用下,电子被驱向n型区,空穴被驱向p型区,从而使n区有过剩的电子,p区有过剩的空穴;于是就在p-n结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场,其余部分使p型区带正电、n型区带负电;于是就使得n区与p区之间的薄层产生了电动势,即“光生伏打”电动势。当接通外电路时,便有电能输出。

这就是p-n结接触型硅太阳能电池发电的基本原理(见下图)。若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并联起来封装成为太阳能电池组件,在太阳光(或其他光)的照射下,便可获得具有一定功率输出的电能。

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