太阳能电池的工作原理 太阳能电池的构造介绍

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摘要: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?

太阳能电池的工作原理 太阳能电池的构造介绍

以前,从电的角度来看,我们所用的硅都是中性的。多余的电子被磷中多余的质子所中和。缺失电子(空穴)由硼中缺失质子所中和。当空穴和电子在N型硅和P型硅的交界处混合时,中性就被破坏了。所有自由电子会填充所有空穴吗?不会。如果是这样,那么整个准备工作就没有什么意义了。不过,在交界处,它们确实会混合形成一道屏障,使得N侧的电子越来越难以抵达P侧。最终会达到平衡状态,这样我们就有了一个将两侧分开的电场。

这个电场相当于一个二极管,允许(甚至推动)电子从P侧流向N侧,而不是相反。它就像一座山——电子可以轻松地滑下山头(到达N侧),却不能向上攀升(到达P侧)。

这样,我们就得到了一个作用相当于二极管的电场,其中的电子只能向一个方向运动。让我们来看一下在太阳光照射电池时会发生什么。

当光以光子的形式撞击太阳能电池时,其能量会使电子空穴对释放出来。

每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子,从而产生一个自由的空穴。如果这发生在离电场足够近的位置,或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内,则电场会将电子送到N侧,将空穴送到P侧。这会导致电中性进一步被破坏,如果我们提供一个外部电流通路,则电子会经过该通路,流向它们的原始侧(P侧),在那里与电场发送的空穴合并,并在流动的过程中做功。电子流动提供电流,电池的电场产生电压。有了电流和电压,我们就有了功率,它是二者的乘积。

我们的光伏电池可以吸收多少太阳光的能量?遗憾的是,此处介绍的简易电池对太阳光能量的吸收率至多为25%左右,通常的吸收率是15%或更低。为什么吸收率会这么低?

可见光只是电磁频谱的一部分。电磁辐射不是单频的——它由一系列不同波长(进而产生的一系列能级)组成。(有关电磁频谱的详细介绍,请参阅狭义相对论基本原理。)

光可分为不同波长,我们可以通过彩虹看出这一点。由于射到电池的光的光子能量范围很广,因此有些光子没有足够的能量来形成电子空穴对。它们只是穿过电池,就像电池是透明的一样。但其他一些光子的能量却很强。只有达到一定的能量 -- 单位为电子伏特(eV),由电池材料(对于晶体硅,约为1.1eV)决定——才能使电子逸出。我们将这个能量值称为材料的带隙能量。如果光子的能量比所需的能量多,则多余的能量会损失掉(除非光子的能量是所需能量的两倍,并且可以创建多组电子空穴对,但这种效应并不重要)。仅这两种效应就会造成电池中70%左右的辐射能损失。

为何我们不选择一种带隙很低的材料,以便利用更多的光子?遗憾的是,带隙还决定了电场强度(电压),如果带隙过低,那么在增大电流(通过吸收更多电子)的同时,也会损失一定的电压。请记住,功率是电压和电流的乘积。最优带隙能量必须能平衡这两种效应,对于由单一材料制成的电池,这个值约为1.4电子伏特。

我们还有其他能量损失。电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。我们可以在电池底部镀上一层金属,以保证良好的导电性。但如果我们将电池顶部完全镀上金属,光子将无法穿过不透光导体,这样就会丧失所有电流(在某些电池中,只有上表面而非所有位置使用了透明导体)。如果我们只在电池的两侧设置触点,则电子需要经过很长一段距离(对于电子而言)才能抵达接触点。要知道,硅是半导体,它传输电流的性能没有金属那么好。它的内部电阻(称为串联电阻)相当高,而高电阻意味着高损耗。为了最大限度地降低这些损耗,电池上覆有金属接触网,它可缩短电子移动的距离,同时只覆盖电池表面的一小部分。即使是这样,有些光子也会被网格阻止,网格不能太小,否则它自身的电阻就会过高。

在实际使用电池之前,还要执行其他几个步骤。硅是一种有光泽的材料,这意味着它的反射性能很好。被反射的光子不能被电池利用。出于这个原因,在电池顶部采用抗反射涂层,可将反射损失降低到5%以下。

最后一步是安装玻璃盖板,用来将电池与元件分开,以保护电池。光伏模块由多块电池(通常是36块)串联和并联而成,以提供可用的电压和电流等级,这些电池放在一个坚固的框架中,后部分别引出正极端子和负极端子,并用玻璃盖板封上。

单晶硅并非光伏电池中使用的唯一材料。电池材料中还采用了多晶硅,尽管这样生产出来的电池不如单晶硅电池的效率高,但可以降低成本。此外,还采用了没有晶体结构的非晶硅,这样做同样是为了降低成本。使用的其他材料还包括砷化镓、硒化铟铜和碲化镉。由于不同材料的带隙不同,因此它们似乎针对不同的波长或不同能量的光子进行了“调谐”。一种提高效率的方法是使用两层或者多层具有不同带隙的不同材料。带隙较高的材料放在表面,吸收较高能量的光子;而带隙较低的材料放在下方,吸收较低能量的光子。这项技术可大大提高效率。这样的电池称为多接面电池,它们可以有多个电场。

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