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PN結太陽能電池之“我為什么會放電”

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

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

具體來說。首先,我們知道,物質都是由原子組成的,原子由原子核和圍繞原子核旋轉的電子組成。半導體材料處于穩定狀態時,原子核和核外電子緊密結合。當有外界激勵,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、N區以及耗盡層(空間結構上等同于空間電荷區)中激發出光生電子-空穴對。通俗來講,就是原子核和電子的結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,我們分析這三個區域產生電子-空穴對后,分別會有什么樣的變化。

以下圖為例:

耗盡層:當電子-空穴對在耗盡層中產生后,由N區指向P區的內建電場會立即把光生電子送向N區,將光生空穴推向P區。

N區:當電子-空穴對在N區中產生后,以N區和PN結的交界面來看,由于內建電場的原因,交界面左側空穴濃度低,于是N區的光生空穴便向PN結邊界擴散,一旦達到PN結邊界,又會受到內建電場的作用,在電場力的牽引下做漂移運動,越過耗盡層進入P區。而光生電子則留在了N區。

P區:當電子-空穴對在P區中產生后,以P區和PN結的交界面來看,內建電場導致交界面右側電子濃度低,從而使得P區的光生電子向PN結邊界做擴散運動,到達PN結邊界后,在內建電場力的作用下做漂移運動,越過耗盡層,最終進入N區。同時,P區的光生空穴便留在了原地。

上述的三個運動,會在PN結兩側形成正、負電荷的積累,在N區儲存大量的電子,在P區儲存大量的空穴。進而形成了與內建電場方向相反的光生電場,如下圖:

光生電場使得P區帶正電,N區帶負電,從而N區和P區之間就會產生電動勢,這就是光生伏打效應。當電池接上負載R后,光電流就可以從P區經負載流至N區。負載據此效應就可以得到一定的功率輸出。

這里,我們可以解釋幾個常規的參數。

開路電壓(Uoc):將上面PN結兩端開路,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,各區中載流子的產生、復合、擴散和飄逸等運動非常復雜,光生載流子必須在復合前穿過耗盡層,才能對光電流產生貢獻。

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,該數值越大,電池性能越好、質量越高。

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責任編輯:蔣桂云

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