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PN結(jié)太陽能電池之“我為什么會放電”

2018-04-08 16:11:15 大云網(wǎng)  點擊量: 評論 (0)
太陽能電池中發(fā)生光伏能量轉(zhuǎn)換,將光能轉(zhuǎn)化為電能有兩個必要的條件。其一,光源的照射,電池吸收光,從而產(chǎn)生電子-空穴對;其二,由半導(dǎo)體的...

太陽能電池中發(fā)生光伏能量轉(zhuǎn)換,將光能轉(zhuǎn)化為電能有兩個必要的條件。其一,光源的照射,電池吸收光,從而產(chǎn)生電子-空穴對;其二,由半導(dǎo)體的器件結(jié)構(gòu)將電子-空穴對分開,并使電子流向負極、空穴流向正極,從而產(chǎn)生電流。以上兩點的發(fā)生,可以稱作光生伏打效應(yīng)。

具體來說。首先,我們知道,物質(zhì)都是由原子組成的,原子由原子核和圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子組成。半導(dǎo)體材料處于穩(wěn)定狀態(tài)時,原子核和核外電子緊密結(jié)合。當(dāng)有外界激勵,例如光照射到器件上時,能量大于硅禁帶寬度的光子進入硅中后,會在P區(qū)、N區(qū)以及耗盡層(空間結(jié)構(gòu)上等同于空間電荷區(qū))中激發(fā)出光生電子-空穴對。通俗來講,就是原子核和電子的結(jié)合力因光的刺激而降低,電子擺脫了原子核的束縛,成為自由電子。如下圖:

接下來,我們分析這三個區(qū)域產(chǎn)生電子-空穴對后,分別會有什么樣的變化。

以下圖為例:

耗盡層:當(dāng)電子-空穴對在耗盡層中產(chǎn)生后,由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場會立即把光生電子送向N區(qū),將光生空穴推向P區(qū)。

N區(qū):當(dāng)電子-空穴對在N區(qū)中產(chǎn)生后,以N區(qū)和PN結(jié)的交界面來看,由于內(nèi)建電場的原因,交界面左側(cè)空穴濃度低,于是N區(qū)的光生空穴便向PN結(jié)邊界擴散,一旦達到PN結(jié)邊界,又會受到內(nèi)建電場的作用,在電場力的牽引下做漂移運動,越過耗盡層進入P區(qū)。而光生電子則留在了N區(qū)。

P區(qū):當(dāng)電子-空穴對在P區(qū)中產(chǎn)生后,以P區(qū)和PN結(jié)的交界面來看,內(nèi)建電場導(dǎo)致交界面右側(cè)電子濃度低,從而使得P區(qū)的光生電子向PN結(jié)邊界做擴散運動,到達PN結(jié)邊界后,在內(nèi)建電場力的作用下做漂移運動,越過耗盡層,最終進入N區(qū)。同時,P區(qū)的光生空穴便留在了原地。

上述的三個運動,會在PN結(jié)兩側(cè)形成正、負電荷的積累,在N區(qū)儲存大量的電子,在P區(qū)儲存大量的空穴。進而形成了與內(nèi)建電場方向相反的光生電場,如下圖:

光生電場使得P區(qū)帶正電,N區(qū)帶負電,從而N區(qū)和P區(qū)之間就會產(chǎn)生電動勢,這就是光生伏打效應(yīng)。當(dāng)電池接上負載R后,光電流就可以從P區(qū)經(jīng)負載流至N區(qū)。負載據(jù)此效應(yīng)就可以得到一定的功率輸出。

這里,我們可以解釋幾個常規(guī)的參數(shù)。

開路電壓(Uoc):將上面PN結(jié)兩端開路,可以得到一個電動勢,我們稱之為開路電壓。晶體硅電池開路電壓的典型值為0.5-0.6V。

短路電流(Isc):將外電路短路,則外電路中會有與入射光能量成正比的光電流流過,我們稱之為短路電流。通常來說,照射光的能量越大,電池表面積越大,產(chǎn)生的光生電子-空穴對越多,形成的電流就越大。實際情況中,各區(qū)中載流子的產(chǎn)生、復(fù)合、擴散和飄逸等運動非常復(fù)雜,光生載流子必須在復(fù)合前穿過耗盡層,才能對光電流產(chǎn)生貢獻。

填充因子(FF):填充因子為太陽能電池的最大輸出功率/(Uoc*Isc)計算得來。FF的典型值為0.60-0.85,不會大于1。一般來說,該數(shù)值越大,電池性能越好、質(zhì)量越高。

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責(zé)任編輯:蔣桂云

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