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光伏專題-太陽能電池原理

2018-01-24 12:49:45 電力知識課堂　點擊量：評論 (0)

　　太陽向地球輻射巨大的能量，太陽光輻射熱可發電，太陽光也可以直接激發半導體產生電能，這就是太陽能光伏發電，光伏發電早已應用在日常

　　太陽向地球輻射巨大的能量，太陽光輻射熱可發電，太陽光也可以直接激發半導體產生電能，這就是太陽能光伏發電，光伏發電早已應用在日常生活中，如計算器，太陽能燈，太陽能帽等等。

　　光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。這種技術的關鍵元件是太陽電池，太陽電池由半導體材料制成，在一片半導體材料表面形成PN結，在兩面引出電極構成太陽電池，當陽光照射到太陽電池時，就會產生電勢。

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

　　本征半導體

　　原子最外層的電子為價電子，硅原子的外層電子殼層中有4個價電子，在硅晶體中每個原子有4個相鄰原子，硅原子和每一個相鄰硅原子共享2個價電子，從而形成穩定的8原子結構。見圖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，會擺脫原子核的束縛而成為自由電子，并同時在原來位置留出一個空穴。電子帶負電，空穴帶正電，在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數目是相等的。見圖1右圖。

　　在常溫下，純凈的硅晶體中電子和空穴的數目極少，導電性極差。稱這種純凈晶體為本征半導體。

　　N型半導體與P型半導體

　　在純凈的硅晶體中摻入少量的雜質，即5價元素磷（或砷，銻等），由于磷原子具有5個價電子，所以1個磷原子同相鄰的4個硅原子結成共價鍵時，還多余1個價電子，這個價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價元素的硅晶體變成了電子導電類型的半導體，也稱為Ｎ型半導體，見圖２左。

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

　　同樣如果在純凈的硅晶體中摻入少量的雜質，即3價元素，如硼（或鋁、鎵或銦等），這些3價原子的最外層只有3個價電子，當它與相鄰的硅原子形成共價鍵時，還缺少1個價電子，因而在一個共價鍵上要出現一個空穴，因此摻入3價雜質的4價半導體，也稱為P型半導體，見圖2右。

　　對于P型半導體，空穴是多數載流子，而電子為少數載流子。

　　PN結

　　若將Ｐ型半導體和Ｎ型半導體兩者緊密結合，聯成一體時，由導電類型相反的兩塊半導體之間的過渡區域，稱為 PN 結。在PN 結兩邊，由于在P型區內，空穴很多，電子很少；而在N型區內，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，因此會產生多數載流子的擴散運動。

　　擴散運動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自動從電子相對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作用。擴散運動的動力應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型半導體和Ｎ型半導體兩者剛靠在一起的瞬間，由于N型半導體的多數載流子自由電子濃度遠大于P型半導體內自由電子濃度，這些電子將向P型半導體擴散。同樣由于P型半導體的多數載流子空穴濃度遠大于N型半導體內空穴濃度，這些空穴將向N型半導體擴散。

　　擴散的過程為：在靠近交界面附近的N區中，電子越過交界面與P區的空穴復合，使P區出現一批帶負電荷的硼元素的離子。同時在N型區內，由于跑掉了一批電子而呈現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區中，多數載流子空穴越過交界面與N區的電子復合，從而使N區出現一批帶正電荷的磷元素離子。同時在P型區內，由于跑掉了一批空穴而呈現帶負電荷的硼元素的離子。

　　擴散的結果是在交界面的一邊形成帶正電荷的正離子區，而交界面另一邊形成帶負電荷的負離子區，稱為空間電荷區，這就是PN 結，是一層很薄的區域。

　　在PN 結內，由于兩邊分別積聚了負電荷和正電荷，會產生一個由正電荷指向負電荷的電場，即由N區指向P區的電場，稱為內建電場（或稱勢壘電場)。

　　光生伏打效應

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

　　太陽能電池由PN結構成，在P區、空間電荷區和N區都會產生光生電子-空穴對，這些電子-空穴對由于熱運動，會向各個方向遷移。

　　在空間電荷區產生的與遷移進來的光生電子-空穴對被內建電場分離，光生電子被推進N區，光生空穴被推進P區。在空間電荷區邊界處總的載流子濃度近似為0。

　　在N區，光生電子-空穴產生后，光生空穴便向PN 結邊界擴散，一旦到達 PN結邊界，便立即受到內建電場的作用，在電場力作用下作漂移運動，越過空間電荷區進入P區，而光生電子（多數載流子）則被留在N區。

　　同樣，P區中的光生電子也會向PN結邊界擴散，并在到達PN結邊界后，同樣由于受到內建電場的作用而在電場力作用下作漂移運動，進入N區，而光生空穴（多數載流子）則被留在P區。

　　因此在PN結兩側形成了正、負電荷的積累，形成與內建電場方向相反的光生電場。這個電場除了一部分抵消內建電場以外，還使P型層帶正電，N型層帶負電，因此產生了光生電動勢。這就是“光生伏打效應”（簡稱光伏）。

　　太陽能電池與主要特性

　　太陽能電池發電原理是光生伏打效應，故太陽能電池也叫光伏電池。

　　太陽能電池由PN結構成，將負載電阻RL連接到PN結兩端，構成一個回路，圖5是這個回路的示意圖。

　　當太陽光照在太陽電池上產生光生電動勢，就有電路流過負載電阻RL，被PN結分開的過剩載流子中就有一部分把能量消耗于降低PN結勢壘，用于建立工作電壓U，而剩余部分的光生載流子則用來產生光生電流I。

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

　　當把太陽電池短路，即RL = 0，輸出電壓為0，則所有可以到達PN結的過剩載流子都可以穿過PN結，并因外電路閉合而產生了最大可能的電流，該電流稱為短路電流Isc。

　　如果使太陽電池開路，即負載電阻 RL 無窮大，通過電流為0，則被PN結分開的全部過剩載流子就會積累在PN結附近，于是產生了最大光生電動勢的開路電壓Voc。

　　太陽電池在光照不同時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度（輻照度）下的伏安特性曲線，顯示了太陽電池的光照特性。在三種不同的光照強度下，太陽電池的開路電壓V1、V2、V3相差不大，單片硅太陽電池在常溫下的開路電壓約為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，輸出電流越大，且輸出電流有一定的恒流性。

　　太陽電池的等效電路可以用一個恒流電源與一個二極管并聯表示，恒流電源決定著太陽電池的輸出電流，二極管則影響開路電壓。恒流電源輸出電流為Iph，流過二極管的正向電流稱為暗電流ID。實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電阻Rs。圖7就是一個完整的等效電路，圖中R是負載電阻，V是負載電阻上的電壓，I是通過負載電阻的電流。

　　當太陽電池的負載電阻RL值變化時，通過電流與電壓的關系按其伏安曲線變化，見圖8，RL較小時，通過電流為I3，電壓為V3；RL較大時，通過電流為I1，電壓為V1。

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

　　太陽電池的光電轉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。測試使用的陽光輻射強度為800W/m2至1000W/m2。

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

　　太陽電池的分類

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

　　單晶硅太陽電池

　　單晶硅太陽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，具有長程有序性。這種有序性有利于太陽能電池的轉換效率的提高，目前單晶硅太陽電池轉換效率為14%-17%，最高達24%。單晶硅太陽電池生產工藝成熟，廣泛應用在航天，高科技產品中。但單晶硅太陽電池制造過程復雜，制造需要的能耗大，成本高。

　　多晶硅太陽電池

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

　　非晶硅太陽電池

　　非晶硅太陽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體薄膜，制備非晶硅的工藝和設備簡單，制造時間短，能耗少，適于大批生產。

　　非晶硅太陽電池的轉換效率5%-8%，最高達13%，特點是在弱光下也能發電。非晶硅太陽電池的主要缺點是穩定性稍差。但價廉與弱光發電使它廣泛用在民用產品中。