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太阳能电池板发电的工作原理是怎么样的?

2017-11-16
次   作者:翊成网络

  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?太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。当太阳光照射到半导体上时,其中一部分被表面反射掉,其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光,当然有一些变成热,另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞,于是产生电子—空穴对。这样,光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。

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1、光生伏打效应:

  太阳能电池板能量转换的基础是半导体PN结的光生伏打效应。如前所述,当光照射到半导体光伏器件上时,能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中,在N区、耗尽区和P区中激发出光生电子--空穴对。

  耗尽区:光生电子--空穴对在耗尽区中产生后,立即被内建电场分离,光生电子被送进N区,光生空穴则被推进P区。根据耗尽近似条件,耗尽区边界处的载流子浓度近似为0,即p=n=0。

  在N区中:光生电子--空穴对产生以后,光生空穴便向P-N结边界扩散,一旦到达P-N结边界,便立即受到内建电场作用,被电场力牵引作漂移运动,越过耗尽区进入P区,光生电子(多子)则被留在N区。

  在P区中:的光生电子(少子)同样的先因为扩散、后因为漂移而进入N区,光生空穴(多子)留在P区。如此便在P-N结两侧形成了正、负电荷的积累,使N区储存了过剩的电子,P区有过剩的空穴。从而形成与内建电场方向相反的光生电场。

  1.光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外,还使P区带正电,N区带负电,在N区和P区之间的薄层就产生电动势,这就是光生伏打效应。当电池接上一负载后,光电流就从P区经负载流至N区,负载中即得到功率输出。

  2.如果将P-N结两端开路,可以测得这个电动势,称之为开路电压Uoc。对晶体硅电池来说,开路电压的典型值为0.5~0.6V。

  3.如果将外电路短路,则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过,这个电流称为短路电流Isc。

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影响光电流的因素:

  1.通过光照在界面层产生的电子-空穴对愈多,电流愈大。

  2.界面层吸收的光能愈多,界面层即电池面积愈大,在太阳电池中形成的电流也愈大。 

  3.太阳能电池的N区、耗尽区和P区均能产生光生载流子;

  4.各区中的光生载流子必须在复合之前越过耗尽区,才能对光电流有贡献,所以求解实际的光生电流必须考虑到各区中的产生和复合、扩散和漂移等各种因素。

  综上所述,提高太阳能电池效率,必须提高开路电压Uoc、短路电流ISC和填充因子FF这三个基本参量。而这3个参量之间往往是互相牵制的,如果单方面提高其中一个,可能会因此而降低另一个,以至于总效率不仅没提高反而有所下降。因而在选择材料、设计工艺时必须全盘考虑,力求使3个参量的乘积最大。


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