2021太阳能电池板原理太阳能电池板原理随着全球能源日趋紧张太阳能成为新型能源得到了大力的开发其中我们在生活中使用最多的就是太阳能电池了太阳能电池是以半导体材料为主利用光电材料吸收光能后发生光电转换使它产生电流那么太阳能电池的工作原理是怎么样的呢太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置当太阳光照射到半导体上时其中一部分被表面反射掉其余部分被半导体吸收或透过被吸收的光当然有一些变成热另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞于是产生电子空穴对这样光能就以产生电子空穴对的形式转变为电能一太阳能电池的物

　　太阳能电池板原理 随着全球能源日趋紧张， 太阳能成为新型能源得 到了大力的开发， 其中我们在生活中使用最多的 就是太阳能电池了。 太阳能电池是以半导体材料 为主，利用光电材料吸收光能后发生光电转换， 使它产生电流，那么太阳能电池的工作原理是怎 么样的呢？太阳能电池是通过光电效应或者光 化学效应直接把光能转化成电能的装置。 当太阳 光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射 掉，其余部分被半导体吸收或透过。 被吸收的光， 当然有一些变成热， 另一些光子则同组成半导体 的原子价电子碰撞， 于是产生电子—空穴对。 这 样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电 能。 一、太阳能电池的物理基础 当太阳光照射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——空穴对， 并在势垒电场的作用下， 电子被 驱向型区， 空穴被驱向Ｐ型区， 从而使凡区有过 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。 如果半导体内存在 P—N结，则在 P 型和 N型交 界面两边形成势垒电场， 能将电子驱向 N区，空 穴驱向 P 区，从而使得 N区有过剩的电子， P区 有过剩的空穴，在 P—N 结附近形成与势垒电场 方向相反光的生电场。 制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种， 因 此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟， 并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。 下 面我们以硅太阳能电池为例， 详细介绍太阳能电 池的工作原理。 1、本征半导体 物质的导电性能决定于原子结构。 导体一般为低 价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束 缚成为自由电子， 在外电场的作用下产生定向移 动，形成电流。高价元素（如惰性气体）或高分 子物质（如橡胶） ，它们的最外层电子受原子核 束缚力很强， 很难成为自由电子， 所以导电性极 差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅（ Si ）和 锗（Ge）均为四价元素，它们的最外层电子既不 像导体那么容易挣脱原子核的束缚， 也不像绝缘 体那样被原子核束缚的那么紧， 因而其导电性介 于二者之间。 将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶 体， 即为本征半导体。晶体中的原子在空间形 成排列整齐的点阵，相邻的原子 形成共价键。 图1.1.1本征机气伸CP构耶噫畔 晶体中的共价 键具有极强的结合力，因此，在常温下，仅有极一 少数的价电子由于热运动（热激发）获得足够的 能量，从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 与此同时，在共价键中留下一个空穴。原子因失 掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。在 本征半导体中，自由电子与空穴是成对出现的， 即自由电子与空穴数目相等。 自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会 填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合 在一定的温度下， 本征激发所产生的自由电子与 空穴对，与复合的自由电子和空穴对数目相等， 故达到动态平衡。 能带理论： 1、单个原子中的电子在绕核运动时，在各个轨 道上的电子都各自具有特定的能量； 2、越靠近核的轨道，电子能量越低； 3、根据能量最小原理电子总是优先占有最低能 级； 4、价电子所占据的能带称为价带； 5、价带的上面有一个禁带，禁带中不存在为电 子所占据的能级； 6、禁带之上则为导带，导带中的能级就是价电 子挣脱共价键束缚而成为自由电子所能占据的 能级； 7、禁带宽度用 Eg 表示，其值与半导体的材料及 其所处的温度等因素有关。 T=300K 时，硅的 Eg=1.1eV；锗的 Eg=0.72eV。 2、杂质半导体 杂质半导体： 通过扩散工艺， 在本征半导体中掺 入少量杂质元素，便可得到杂质半导体。 按掺入的杂质元素不用，可形成 N型半导体和 P 型半导体； 控制掺入杂质元素的浓度， 就可控制 杂质半导体的导电性能。 N 型半导体： 在纯净的硅晶体中掺入五价元素 （如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形 成了 N 型半导体。 子的最外层有五个价电子， 所以除了与其周围硅 原子形成共价键外， 还多出一个电子。 多出的电 子不受共价键的束缚，成为自由电子。 N型半导 体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度， 故称自 由电子为多数载流子， 空穴为少数载流子。 由于 杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子。 P 型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素 （如 硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了 P型半导体。 由于杂质原子的最外层有三个价电子， 所以当它 们与其周围硅原子形成共价键时， 就产生了一个 “空位”，当硅原子的最外层电子填补此空位 时，其共价键中便产生一个空穴。 因而 P 型半导 体中，空穴为多子，自由电子为少子。因杂质原 子中的空位吸收电子，故称之为受主原子。 3、PN结 PN结：采用不同的掺杂工艺， 将 P 型半导体与 N 型半导体制作在同一块硅片上， 在它们的交界面 就形成 PN结。 扩散运 动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运 动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运 动。 当把 P 型半导体和 N型半导体制作在一起时， 在 它们的交界面， 两种载流子的浓度差很大， 因而 P 区的空穴必然向 N区扩散，与此同时， N 区的 自由电子也必然向 P 区扩散，如图示。 由于扩散到 P区的自由电子与空穴复合， 而扩散 到 N 区的空穴与自由电子复合， 所以在交界面附 近多子的浓度下降， P 区出现负离子区， N区出 现正离子区， 它们是不能移动的， 称为空间电荷 区，从而形成内建电场 ε。 随着扩散运动的进行， 空间电荷区加宽， 内建电 场增强， 其方向由 N区指向 P区，正好阻止扩散 运动的进行168体育app下载。 漂移运动： 在电场力作用下， 载流子的运动称为 漂移运动。 当空间电荷区形成后， 在内建电场作用下， 少子 产生飘移运动， 空穴从 N区向 P 区运动，而自由 电子从 P 区向 N区运动。 在无外电场和激 发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂 移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成 PN结，如图示。 此时，空间电荷区具有一定 的宽度，电位差为 ε =Uho，电流为零。 二、太阳能电池工作原理 1、光生伏打效应 : 太阳能电池能量转换的基础是半导体 PN结的光 生伏打效应。 如前所述， 当光照射到半导体光伏 器件上时，能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反 射膜进入硅中， 在 N区、耗尽区和 P 区中激发出 光生电子 -- 空穴对。 耗尽区：光生电子 -- 空穴对在耗尽区中产生后， 立即被内建电场分离， 光生电子被送进 N 区，光 生空穴则被推进 P 区。根据耗尽近似条件， 耗尽 区边界处的载流子浓度近似为 0，即 p=n=0。 在 N 区中：光生电子 -- 空穴对产生以后， 光生空 穴便向 P-N结边界扩散，一旦到达 P-N 结边界， 便立即受到内建电场作用， 被电场力牵引作漂移 运动，越过耗尽区进入 P 区，光生电子（多子） 则被留在 N区。 在 P 区中：的光生电子（少子）同样的先因为扩 散、后因为漂移而进入 N区，光生空穴（多子） 留在 P区。如此便在 P-N 结两侧形成了正、 负电 荷的积累，使 N区储存了过剩的电子， P 区有过 剩的空穴。从而形成与内建电场方向相反的光生 电场。 光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外， 还 使 P 区带正电， N区带负电，在 N区和 P 区之间 的薄层就产生电动势， 这就是光生伏打效应。 当 电池接上一负载后， 光电流就从 P 区经负载流至 N区，负载中即得到功率输出。 如果将 P-N 结两端开路，可以测得这个电动 势，称之为开路电压 Uoc。对晶体硅电池来说， 开路电压的典型值为 0.5 ～0.6V。 如果将外电路短路， 则外电路中就有与入射光 能量成正比的光电流流过， 这个电流称为短路电 流 Isc 。 影响光电流的因素： 通过光照在界面层产生的电子 - 空穴对愈多， 电流愈大。 界面层吸收的光能愈多， 界面层即电池面积愈 大，在太阳电池中形成的电流也愈大。 太阳能电池的 N区、耗尽区和 P区均能产生光 生载流子； 各区中的光生载流子必须在复合之前越过耗 尽区，才能对光电流有贡献， 所以求解实际的光 生电流必须考虑到各区中的产生和复合、 扩散和 漂移等各种因素。 2、太阳能电池材料的光学性质 太阳能电池的光学性质， 常常决定着太阳能电池 的极限效率，而且也是工艺设计的依据。 ⑴ 吸收定律 当一束光谱辐照度为 I0 的光正交入射到半导体 表面上时，扣除反射后， 进入半导体的光谱辐照 度为 I0(1-R) ，在半导体内离前表面距离为 x 处 的光谱辐照度 Ix 由吸收定律决定： 当薄片厚度为 d 时，我们可以得到关于透射率更 完整的近似表达式。 单晶硅、砷化镓和一些重要太阳能电池材料的吸 收系数与波长的关系如图所示。 ⑵ 本征吸收 在原子图像中，硅的本征吸收可以理解为一个硅 原子吸收一个光子后受到激发， 使得一个共价电 子变成了自由电子， 同时在共价键断裂处留下一 个空穴。实验发现，只有那些 hu 大于禁带宽度 Eg的光子，才能产生本征吸收。 显然入射光子必须满足或 式中 Vo-- 刚好能产生本征吸收的光的频率（频 率吸限）；λo-- 刚好能产生本征吸收的光的波长 （波长吸收限）。 可以认为，硅对于波长大于 1.15 μm的红外光是 透明的。 3、太阳能电池等效电路、输出功率和 填充因数 ⑴ 等效电路 为了描述电池的工作状态， 往往将电池及负载系 统用一个等效电路来模拟。 1. 恒流源: 在恒定光照下， 一个处于工作状态 的太阳电池， 其光电流不随工作状态而变化， 在 等效电路中可把它看做是恒流源。 2. 暗电流 Ibk : 光电流一部分流经负载 RL，在 负载两端建立起端电压 U，反过来，它又正向偏 置于 PN结，引起一股与光电流方向相反的暗电 流 Ibk 。 这样，一个理想的 PN同质结太阳能电池的等 效电路就被绘制成如图所示。 串联电阻 RS:由于前面和背面的电极接触，以 及材料本身具有一定的电阻率， 基区和顶层都不 可避免地要引入附加电阻。 流经负载的电流经过 它们时，必然引起损耗。在等效电路中，可将它 们的总效果用一个串联电阻 RS来表示。 并联电阻 RSh:由于电池边沿的漏电和制作金 属化电极时在微裂纹、 划痕等处形成的金属桥漏 电等，使一部分本应通过负载的电流短路， 这种 作用的大小可用一个并联电阻 RSh来等效。 当流进负载 RL的电流为 I ，负载 RL 的端电压为 U时，可得： 式中的 P 就是太阳能电池被照射时在负载 RL上 得到的输出功率 ⑵ 输出功率 当流进负载 RL的电流为 I ，负载 RL的端电压 为 U 时，可得： 式中的 P 就是太阳能电池被照射时在负载 RL上 得到的输出功率。 当负载 RL从0变到无穷大时，输出电压 U则从 0 变到 U0C，同时输出电流便从 ISC 变到 0，由此 即可画出太阳

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