光伏專題-太陽(yáng)能電池原理

2018-01-24 12:49:45 電力知識(shí)課堂　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

　　太陽(yáng)向地球輻射巨大的能量，太陽(yáng)光輻射熱可發(fā)電，太陽(yáng)光也可以直接激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生電能，這就是太陽(yáng)能光伏發(fā)電，光伏發(fā)電早已應(yīng)用在日常

　　太陽(yáng)向地球輻射巨大的能量，太陽(yáng)光輻射熱可發(fā)電，太陽(yáng)光也可以直接激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生電能，這就是太陽(yáng)能光伏發(fā)電，光伏發(fā)電早已應(yīng)用在日常生活中，如計(jì)算器，太陽(yáng)能燈，太陽(yáng)能帽等等。

　　光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽(yáng)電池，太陽(yáng)電池由半導(dǎo)體材料制成，在一片半導(dǎo)體材料表面形成PN結(jié)，在兩面引出電極構(gòu)成太陽(yáng)電池，當(dāng)陽(yáng)光照射到太陽(yáng)電池時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)。

　　太陽(yáng)電池可由多種半導(dǎo)體材料制造，目前制造工藝最成熟、性價(jià)比高的太陽(yáng)電池采用硅半導(dǎo)體材料。這里介紹的太陽(yáng)電池均是硅太陽(yáng)電池。

　　本征半導(dǎo)體

　　原子最外層的電子為價(jià)電子，硅原子的外層電子殼層中有4個(gè)價(jià)電子，在硅晶體中每個(gè)原子有4個(gè)相鄰原子，硅原子和每一個(gè)相鄰硅原子共享2個(gè)價(jià)電子，從而形成穩(wěn)定的8原子結(jié)構(gòu)。見(jiàn)圖1左圖。

　　硅原子的外層的電子受原子核的束縛比較小，在光照或溫度作用下得到足夠的能量時(shí)，會(huì)擺脫原子核的束縛而成為自由電子，并同時(shí)在原來(lái)位置留出一個(gè)空穴。電子帶負(fù)電，空穴帶正電，在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。見(jiàn)圖1右圖。

　　在常溫下，純凈的硅晶體中電子和空穴的數(shù)目極少，導(dǎo)電性極差。稱這種純凈晶體為本征半導(dǎo)體。

　　N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體

　　在純凈的硅晶體中摻入少量的雜質(zhì)，即5價(jià)元素磷（或砷，銻等），由于磷原子具有5個(gè)價(jià)電子，所以1個(gè)磷原子同相鄰的4個(gè)硅原子結(jié)成共價(jià)鍵時(shí)，還多余1個(gè)價(jià) 電子，這個(gè)價(jià)電子很容易掙脫磷原子核的吸引而變成自由電子。摻入了5價(jià)元素的硅晶體變成了電子導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體，也稱為Ｎ型半導(dǎo)體，見(jiàn)圖２左。

　　在Ｎ型半導(dǎo)體中，除了由于摻入雜質(zhì)而產(chǎn)生大量的自由電子以外，還有由于熱激發(fā)而產(chǎn)生少量的電子-空穴對(duì)。然而空穴的數(shù)目相對(duì)于電子的數(shù)目是極少的，所以在Ｎ型半導(dǎo)體材料中，空穴數(shù)目很少，稱為少數(shù)載流子，而電子數(shù)目很多，稱為多數(shù)載流子。

　　同樣如果在純凈的硅晶體中摻入少量的雜質(zhì)，即3價(jià)元素，如硼（或鋁、鎵或銦等），這些3價(jià)原子的最外層只有3個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它與相鄰的硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，還缺少1個(gè)價(jià)電子，因而在一個(gè)共價(jià)鍵上要出現(xiàn)一個(gè)空穴，因此摻入3價(jià)雜質(zhì)的4價(jià)半導(dǎo)體，也稱為P型半導(dǎo)體，見(jiàn)圖2右。

　　對(duì)于P型半導(dǎo)體，空穴是多數(shù)載流子，而電子為少數(shù)載流子。

　　PN結(jié)

　　若將Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體兩者緊密結(jié)合，聯(lián)成一體時(shí)，由導(dǎo)電類型相反的兩塊半導(dǎo) 體之間的過(guò)渡區(qū)域，稱為 PN 結(jié)。在PN 結(jié)兩邊，由于在P型區(qū)內(nèi)，空穴很多，電子很少；而在N型區(qū)內(nèi)，則電子很多，空穴很少。由于交界面兩邊，電子和空穴的濃度不相等，因此會(huì)產(chǎn)生多數(shù)載流子的擴(kuò) 散運(yùn)動(dòng)。

　　擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是基于電子相互排斥和相互碰撞理論建立的，同層次軌道上的電子會(huì)自動(dòng)從電子相對(duì)集中的地方流向電子稀少的地方，這一流向不需要外界的電場(chǎng)作用。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力應(yīng)與同層次軌道中載流子濃度的變化率（也叫濃度梯度）成正比。

　　Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體兩者剛靠在一起的瞬間，由于N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子自由電子濃度遠(yuǎn)大于P型半導(dǎo)體內(nèi)自由電子濃度，這些電子將向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散。同樣由于P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子空穴濃度遠(yuǎn)大于N型半導(dǎo)體內(nèi)空穴濃度，這些空穴將向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散。

　　擴(kuò)散的過(guò)程為：在靠近交界面附近的N區(qū)中，電子越過(guò)交界面與P區(qū)的空穴復(fù)合，使P區(qū)出現(xiàn)一批帶負(fù)電荷的硼元素的離子。同時(shí)在N型區(qū)內(nèi)，由于跑掉了一批電子而呈現(xiàn)帶正電荷的磷元素離子。

　　同樣可解釋為：在靠近交界面附近的P區(qū)中，多數(shù)載流子空穴越過(guò)交界面與N區(qū)的電子復(fù)合，從而使N區(qū)出現(xiàn)一批帶正電荷的磷元素離子。同時(shí)在P型區(qū)內(nèi)，由于跑掉了一批空穴而呈現(xiàn)帶負(fù)電荷的硼元素的離子。

　　擴(kuò)散的結(jié)果是在交界面的一邊形成帶正電荷的正離子區(qū)，而交界面另一邊形成帶負(fù)電荷的負(fù)離子區(qū)，稱為空間電荷區(qū)，這就是PN 結(jié)，是一層很薄的區(qū)域。

　　在PN 結(jié)內(nèi)，由于兩邊分別積聚了負(fù)電荷和正電荷，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由正電荷指向負(fù)電荷的電場(chǎng)，即由N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng)，稱為內(nèi)建電場(chǎng)（或稱勢(shì)壘電場(chǎng))。

　　光生伏打效應(yīng)

　　室溫下從硅的原子的價(jià)電子層中分離出一個(gè)電子需要1.12eV的能量，該能量稱為硅的禁帶寬度。分離過(guò)程稱為激發(fā)，被分離出來(lái)的電子是自由電子，能夠自由移動(dòng)并傳送電流。半導(dǎo)體在太陽(yáng)光照耀下，能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子，使半導(dǎo)體中原子的價(jià)電子受到激發(fā)而成為自由電子，形成光生電子-空穴對(duì)，也稱光生載流子。

　　太陽(yáng)能電池由PN結(jié)構(gòu)成，在P區(qū)、空間電荷區(qū)和N區(qū)都會(huì)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，這些電子-空穴對(duì)由于熱運(yùn)動(dòng)，會(huì)向各個(gè)方向遷移。

　　在空間電荷區(qū)產(chǎn)生的與遷移進(jìn)來(lái)的光生電子-空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離，光生電子被推進(jìn)N區(qū)，光生空穴被推進(jìn)P區(qū)。在空間電荷區(qū)邊界處總的載流子濃度近似為0。

　　在N區(qū)，光生電子-空穴產(chǎn)生后，光生空穴便向PN 結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá) PN結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場(chǎng)的作用，在電場(chǎng)力作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，越過(guò)空間電荷區(qū)進(jìn)入P區(qū)，而光生電子（多數(shù)載流子）則被留在N區(qū)。

　　同樣，P區(qū)中的光生電子也會(huì)向PN結(jié)邊界擴(kuò)散，并在到達(dá)PN結(jié)邊界后，同樣由于受到內(nèi)建電場(chǎng)的作用而在電場(chǎng)力作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入N區(qū)，而光生空穴（多數(shù)載流子）則被留在P區(qū)。

　　因此在PN結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)除了一部分抵消內(nèi)建電場(chǎng)以外，還使P型層帶正電，N型層帶負(fù)電，因此產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)。這就是“光生伏打效應(yīng)”（簡(jiǎn)稱光伏）。

　　太陽(yáng)能電池與主要特性

　　太陽(yáng)能電池發(fā)電原理是光生伏打效應(yīng)，故太陽(yáng)能電池也叫光伏電池。

　　太陽(yáng)能電池由PN結(jié)構(gòu)成，將負(fù)載電阻RL連接到PN結(jié)兩端，構(gòu)成一個(gè)回路，圖5是這個(gè)回路的示意圖。

　　當(dāng)太陽(yáng)光照在太陽(yáng)電池上產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，就有電路流過(guò)負(fù)載電阻RL，被PN結(jié)分開(kāi)的過(guò)剩載流子中就有一部分把能量消耗于降低PN結(jié)勢(shì)壘，用于建立工作電壓U，而剩余部分的光生載流子則用來(lái)產(chǎn)生光生電流I。

　　常用的太陽(yáng)電池的主要特性是伏安特性，圖6的左圖是硅太陽(yáng)電池的伏安特性，圖中曲線是在一定強(qiáng)度陽(yáng)光照射下的伏安特性曲線。

　　當(dāng)把太陽(yáng)電池短路，即RL = 0，輸出電壓為0，則所有可以到達(dá)PN結(jié)的過(guò)剩載流子都可以穿過(guò)PN結(jié)，并因外電路閉合而產(chǎn)生了最大可能的電流，該電流稱為短路電流Isc。

　　如果使太陽(yáng)電池開(kāi)路，即負(fù)載電阻 RL 無(wú)窮大，通過(guò)電流為0，則被PN結(jié)分開(kāi)的全部過(guò)剩載流子就會(huì)積累在PN結(jié)附近，于是產(chǎn)生了最大光生電動(dòng)勢(shì)的開(kāi)路電壓Voc。

　　太陽(yáng)電池在光照不同時(shí)的伏安特性曲線也不同，在圖6右圖中有三根在不同光照強(qiáng)度（輻照度）下的伏安特性曲線，顯示了太陽(yáng)電池的光照特性。在三種不同的光照強(qiáng)度下，太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓V1、V2、V3相差不大，單片硅太陽(yáng)電池在常溫下的開(kāi)路電壓約為0.45V至 0.6V。主要特性是短路電流Isc與照射光的輻照度成正比，顯然輻照度越強(qiáng)，輸出電流越大，且輸出電流有一定的恒流性。

　　太陽(yáng)電池的等效電路可以用一個(gè)恒流電源與一個(gè)二極管并聯(lián)表示，恒流電源決定著太陽(yáng)電池的輸出電流，二極管則影響開(kāi)路電壓。恒流電源輸出電流為Iph，流過(guò)二極管的正向電流稱為暗電流ID。實(shí)際上由于器件存在漏電，就要并上旁路電阻Rsh；由于器件體電阻和電極的歐姆電阻要加上串聯(lián)電阻Rs。圖7就是一個(gè)完整的等效電路，圖中R是負(fù)載電阻，V是負(fù)載電阻上的電壓，I是通過(guò)負(fù)載電阻的電流。

　　當(dāng)太陽(yáng)電池的負(fù)載電阻RL值變化時(shí)，通過(guò)電流與電壓的關(guān)系按其伏安曲線變化，見(jiàn)圖8，RL較小時(shí)，通過(guò)電流為I3，電壓為V3；RL較大時(shí)，通過(guò)電流為I1，電壓為V1。

　　太陽(yáng)電池的輸出功率是RL上電流與電壓乘積，不同的RL值有不同的輸出功率，圖8中藍(lán)色虛線是電池的輸出功率對(duì)應(yīng)輸出電壓的變化曲線，RL在某個(gè)值時(shí)，可得到最大輸出功率，此時(shí)電流為Im，電壓為Vm時(shí)，在曲線上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)M稱為該太陽(yáng)電池的最佳工作點(diǎn)，功率電壓曲線在該點(diǎn)為最大值Pm，硅太陽(yáng)電池的Vm約為0.5伏。

　　太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為電池的最大輸出功率與該電池接收的全部輻射功率的百分比。測(cè)試使用的陽(yáng)光輻射強(qiáng)度為800W/m2至1000W/m2。

　　太陽(yáng)電池還有一些特性，如開(kāi)路電壓Uoc隨溫度升高而降低等。需了解其他特性請(qǐng)另找參考資料。

　　太陽(yáng)電池的分類

　　太陽(yáng)電池主要分為晶體硅太陽(yáng)電池與薄膜太陽(yáng)電池，晶體硅太陽(yáng)電池又分為單晶硅太陽(yáng)電池與多晶硅太陽(yáng)電池，薄膜太陽(yáng)電池種類較多，主要是非晶硅太陽(yáng)電池。

　　單晶硅太陽(yáng)電池

　　單晶硅太陽(yáng)電池由單晶硅片制造，在單晶硅材料中，硅原子在空間呈有序的周期性排列，具有長(zhǎng)程有序性。這種有序性有利于太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率的提高，目前單晶硅太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率為14%-17%，最高達(dá)24%。單晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝成熟，廣泛應(yīng)用在航天，高科技產(chǎn)品中。但單晶硅太陽(yáng)電池制造過(guò)程復(fù)雜，制造需要的能耗大，成本高。

　　多晶硅太陽(yáng)電池

　　多晶硅材料則是由許多單晶顆粒（顆粒直徑為數(shù)微米至數(shù)毫米）的集合體。各個(gè)單晶顆粒的大小，晶體取向彼此各不相同，其轉(zhuǎn)換效率約13%至15%，最高達(dá)20%。多晶硅太陽(yáng)電池比單晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)時(shí)間短，制造成本低，在市場(chǎng)上有重要地位。

　　非晶硅太陽(yáng)電池

　　非晶硅太陽(yáng)電池采用很薄的非晶硅薄膜（約1 mm厚）制造，硅材料消耗很少，可直接在大面積的玻璃板上淀積生成硅半導(dǎo)體薄膜，制備非晶硅的工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，制造時(shí)間短，能耗少，適于大批生產(chǎn)。

　　非晶硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率5%-8%，最高達(dá)13%，特點(diǎn)是在弱光下也能發(fā)電。非晶硅太陽(yáng)電池的主要缺點(diǎn)是穩(wěn)定性稍差。但價(jià)廉與弱光發(fā)電使它廣泛用在民用產(chǎn)品中。

責(zé)任編輯：lixin

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