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太阳能电池板原理及使命原理

[日期:2013-04-16] 泉源:  作者: [字体:年夜 ]

    随着全球动力日趋主要,太阳能成为新型动力取得了年夜力的开发,其中我们在生涯中应用最多的就是太阳能电池了。太阳能电池是以半导体质料为主,应用光电质料吸收光能后发生光电转换,使它发生电流,那么太阳能电池的使命原理是怎样样的呢?太阳能电池是经由历程光电效应或许光化学效应直接把光能转化成电能的装配。当太阳光照射到半导体上时,其中一部门被外面反射掉落落,其他部门被半导体吸收或透过。被吸收的光,虽然有一些酿成热,此外一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞,因此发生电子—空穴对。这样,光能就以发生电子—空穴对的形式改酿成电能。   

 

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    一、太阳能电池的物理基础

    当太阳光照射p-n结时,在半导体内的电子由于取得了光能而释放电子,照顾地便发生了电 子——空穴对,并在势垒电场的作用下,电子被驱向型区,空穴被驱向P型区,从而使凡区有多余的 电子,P区有多余的空穴。于是,就在p-n结的相近组成了与势垒电场偏向相反的光生电场。

    假定半导体内存在P—N结,则在P型和N型接壤面双方组成势垒电场,能将电子驱向N区,空穴驱向P区,从而使得N区有多余的电子,P区有多余的空穴,在P—N结相近组成与势垒电场偏向相反光的生电场。

     

    制造太阳电池的半导体质料已知的有十几种,是以太阳电池的种类也许多。现在,手艺最成熟,并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例,详细简介太阳能电池的使命原理。

    1、本征半导体

    物质的导电性能决议于原子结构。导体浅易为低价元素,它们的最外层电子极易挣脱原子核的约束成为自在电子,在外电场的作用下发生定向移动,组成电流。低价元素(如惰性气体)或高分子物质(如橡胶),它们的最外层电子受原子核约束力很强,很难成为自在电子,以是导电性极差,成为绝缘体。经常应用的半导体质料硅(Si)和锗(Ge)均为四价元素,它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的约束,也不像绝缘体那样被原子核约束的那么紧,是以其导电性介于二者之间。

    将贞洁的半导体经由一定的工艺历程制成单晶体, 即为本征半导体。晶体中的原子在空间构身排列整齐的点阵,相邻的原子 组成共价键。

     

    晶体中的共价键具有极强的结协力,是以,在常温下,唯一极多数的价电子由于热运动(热激起)取得足够的能量,从而挣脱共价键的约束酿成为自在电子。与此同时,在共价键中留下一个空穴。原子因掉落掉落落一个价电子而带正电,或许说空穴带正电。在本征半导体中,自在电子与空穴是成对泛起的,即自在电子与空穴数目相等。     

    自在电子在运动的历程当中假定与空穴相遇就会填补空穴,使二者同时消掉落,这类情形称为复合。在一定的温度下,本征激起所发生的自在电子与空穴对,与复合的自在电子和空穴对数目相等,故到达静态平衡。

    能带现实:

    1、单个原子中的电子在绕核运动时,在各个轨道上的电子都各自具有特定的能量;

    2、越靠近核的轨道,电子能量越低;

    3、凭证能量最小原理电子总是优先占有最低能级;

    4、价电子所占领的能带称为价带;

    5、价带的下面有一个禁带,禁带中不存在为电子所占领的能级;

    6、禁带之上则为导带,导带中的能级就是价电子挣脱共价键约束而成为自在电子所能占领的能级;

    7、禁带宽度用Eg体现,其值与半导体的质料及其所处的温度等因素有关。T=300K时,硅的Eg=1.1eV;锗的Eg=0.72eV。     

2、杂质半导体

杂质半导体:经由历程疏散工艺,在本征半导体中掺入年夜批杂质元素,便可取得杂质半导体。


按掺入的杂质元素不用,可组成N型半导体和P型半导体;控制掺入杂质元素的浓度,便可控制杂质半导体的导电性能。


N型半导体: 在贞洁的硅晶体中掺入五价元素(如磷),使之取代晶格中硅原子的职位,就组成了N型半导体。


由于杂质原子的最外层有五个价电子,以是除与其周围硅原子组成共价键外,还多出一个电子。多出的电子不受共价键的约束,成为自在电子。N型半导体中,自在电子的浓度年夜于空穴的浓度,故称自在电子为多数载流子,空穴为多数载流子。由于杂质原子可以供应电子,故称之为檀越原子。
P型半导体:在贞洁的硅晶体中掺入三价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的职位,就组成了P型半导体。


由于杂质原子的最外层有三个价电子,以是当它们与其周围硅原子组成共价键时,就发生了一个“空位”,当硅原子的最外层电子填补此空位时,其共价键中便发生一个空穴。是以P型半导体中,空穴为多子,自在电子为少子。因杂质原子中的空位吸收电子,故称之为受主原子。
 

3、PN结


PN结:接纳不合的搀杂工艺,将P型半导体与N型半导系统体例造在统一块硅片上,在它们的接壤面就组成PN结。


疏散运动:物质总是从浓度高的地偏向浓度低的地方运动,这类由于浓度差而发生的运动称为疏散运动。
当把P型半导体和N型半导系统体例造在一起时,在它们的接壤面,两种载流子的浓度差很年夜,是以P区的空穴一定向N分辨散,与此同时,N区的自在电子也一定向P分辨散,如图示。


由于疏散到P区的自在电子与空穴复合,而疏散到N区的空穴与自在电子复合,以是在接壤面相近多子的浓度降低,P区泛起负离子区,N区泛起正离子区,它们是不克不及移动的,称为空间电荷区,从而组成内建电场&epSILon;。
随着疏散运动的阻拦,空间电荷区加宽,内建电场增强,其偏向由N区指向P区,正好阻挡疏散运动的阻拦。
漂移运动:在电场力作用下,载流子的运动称为漂移运动。


当空间电荷区组成后,在内建电场作用下,少子发生飘移运动,空穴从N区向P区运动,而自在电子从P区向N区运动。 在无外电场和其它激起生生气用下,加入疏散运动的多子数目即是加入漂移运动的少子数目,从而到达静态平衡,组成PN结,如图示。 此时,空间电荷区具有一定的宽度,电位差为ε =Uho,电流为零。

 

2、太阳能电池使命原理


1、光生伏打效应:


太阳能电池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,能量年夜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区中激起出光生电子--空穴对。
耗尽区:光生电子--空穴对在耗尽区中发生后,急速被内建电场划分,光生电子被送进N区,光生空穴则被推动P区。凭证耗尽近似条件,耗尽区界线处的载流子浓度近似为0,即p=n=0。


在N区中:光生电子--空穴对发生以后,光生空穴便向P-N结界线疏散,一旦到达P-N结界线,便急速遭到内建电场作用,被电场力牵引作漂移运动,超出耗尽区进入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)异常的先由于疏散、后由于漂移而进入N区,光生空穴(多子)留在P区。云云便在P-N结两侧组成了正、负电荷的积累,使N区贮存了多余的电子,P区有多余的空穴。从而组成与内建电场偏向相反的光生电场。


1.光生电场除部门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区之间的薄层就发生电动势,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,负载中即取得功率输入。


2.假定将P-N结两头开路,可以测得这个电动势,称之为开路电压Uoc。对晶体硅电池来讲,开路电压的尺度值为0.5~0.6V。


3.假定将外电路短路,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。
影响光电流的因素:


1.经由历程光照在界面层发生的电子-空穴对愈多,电流愈年夜。
2.界面层吸收的光能愈多,界面层即电池面积愈年夜,在太阳电池中组成的电流也愈年夜。
3.太阳能电池的N区、耗尽区和P区均能发生光生载流子;
4.各区中的光生载流子必须在复合之前超出耗尽区,才干对光电流有供献,以是求解现实的光生电流必须推敲到各区中的发生和复合、疏散和漂移等种种因素。


太阳能电池等效电路、输入功率和填充因数


⑴ 等效电路

为了形貌电池的使命状态,经常将电池及负载系统用一个等效电路来模拟。

1.恒流源: 在恒定光照下,一个处于使命状态的太阳电池,其光电流不随使命状态而变换,在等效电路中可把它看作是恒流源。
2.暗电流Ibk : 光电流一部门流经负载RL,在负载两头培植起端电压U,反已往,它又正向偏置于PN结,惹起一股与光电流偏向相反的暗电流Ibk。
3.这样,一个理想的PN同质结太阳能电池的等效电路就被绘制成如图所示。
4.勾通电阻RS:由于前面和后头的电极接触,和质料自己具有一定的电阻率,基区和顶层都弗成防止地要引入附加电阻。流经负载的电流经由它们时,一定惹起消耗。在等效电路中,可将它们的总效果用一个勾通电阻RS来体现。
5.并联电阻RSh:由于电池边缘的泄电和制造金属化电极时在微裂纹、划痕等处组成的金属桥泄电等,使一部门本应经由历程负载的电流短路,这类作用的年夜小可用一个并联电阻RSh来等效。
当流进负载RL的电流为I,负载RL的端电压为U时,可得:

 

式中的P就是太阳能电池被照射时在负载RL上取得的输入功率。

⑵ 输入功率
当流进负载RL的电流为I,负载RL的端电压为U时,可得:

式中的P就是太阳能电池被照射时在负载RL上取得的输入功率。
当负载RL从0变到无限年夜时,输入电压U则从0变到U0C,同时输入电流便从ISC变到0,由此便可画出太阳能电池的负载特点曲线。曲线上的任一点都称为使命点,使命点和原点的连线称为负载线,负载线的斜率的倒数即即是RL,与使命点对应的横、纵坐标即为使命电压和使命电流。


调治负载电阻RL到某一值Rm时,在曲线上取得一点M,对应的使命电流Im和使命电压Um之积最年夜,即: Pm=ImUm
浅易称M点为该太阳能电池的最好使命点(或称最年夜功率点),Im为最好使命电流,Um为最好使命电压,Rm为最好负载电阻,Pm为最年夜输入功率。

⑶ 填充因数
1.最年夜输入功率与(Uoc×Isc)之比称为填充因数(FF),这是用以权衡太阳能电池输入特点短长的主要目的之一。

2.填充因数表征太阳能电池的优劣,在一定光谱辐照度下,FF愈年夜,曲线愈“方”,输入功率也愈高。
 

4、太阳能电池的效力、影响效力的因素
⑴ 太阳能电池的效力:
太阳能电池受照射时,输入电功率与入射光功率之比η称为太阳能电池的效力,也称光电转换效力。浅易指外电路毗连最好负载电阻RL时的最年夜能量转换效力。

在上式中,假定把At换为有用面积Aa(也称活性面积),即从总面积中扣除栅线图形面积,从而算出的效力要高一些,这一点在浏览国内外文献时应重视。


美国的普林斯最早算出硅太阳能电池的现实效力为21.7%。20世纪70年月,华尔夫(M.Wolf)又做过详实的议论辩说,也取得硅太阳能电池的现实效力在AM0光谱条件下为20%~22%,以后又把它修改成25%(AM1.0光谱条件)。


预计太阳能电池的现实效力,必须把从入射光能到输入电能之间所有能够发生的消耗都盘算在内。其中有些是与质料及工艺有关的消耗,而此外一些则是由基本物理原理所决议的。


⑵ 影响效力的因素


综上所述,前进太阳能电池效力,必须前进开路电压Uoc、短路电流ISC和填充因子FF这三个基本参量。而这3个参量之间经常是相互牵制的,假定双方面前进其中一个,能够会是以而降低此外一个,以致于总效力不只没前进反而有所降低。是以在选择质料、设计工艺时必须通盘推敲,力争使3个参量的乘积最年夜。


1.质料能带宽度:


开路电压UOC随能带宽度Eg的增年夜而增年夜,但此外一方面,短路电流密度随能带宽度Eg的增年夜而减小。效果可希冀在某一个一定的Eg处泛起太阳电池效力的峰值。用Eg值介于1.2~1.6eV的质料做成太阳电池,可望到达最高效力。薄膜电池用直接带隙半导体越发可取,由于它能在外面相近吸收光子。


2.温度 :


少子的疏散长度随温度的降低稍有增年夜,是以光生电流也随温度的降低有所增添,但UOC随温度的降低急剧降低。填充因子降低,以是转换效力随温度的增添而降低。


3.辐照度:


随辐照度的增是非路电流线性增添,最年夜功率赓续增添。将阳光聚焦于太阳电池,可使一个小小的太阳电池发生出年夜量的电能。


 

 

4.搀杂浓度:


对UOC有显着影响的此外一因素是半导体搀杂浓度。搀杂浓度越高,UOC越高。但当硅中杂质浓度高于1018/cm3时称为高搀杂,由于高搀杂而惹起的禁带延伸、杂质不克不及所有电离和少子寿命降高等等情形统称为高搀杂效应,也应予以防止。


5.光生载流子复合寿命:


关于太阳电池的半导体而言,光生载流子的复合寿命越长,短路电流会越年夜。到达长寿命的要害是在质料制备和电池的临盆历程当中,要防止组成复合中央。在加工历程当中,适当而且经常阻拦相关工艺处置赏罚赏罚,可使复合中央移走,而且延伸寿命。


6.外面复合速率:


低的外面复合速率有助于前进Isc,前外面的复合速率丈量起来很艰辛,经常假定为无限年夜。一种称为背电场(BSF)的电池设计为,在群集金属接触前,电池的后头先疏散一层P+附加层。


7.勾通电阻和金属栅线:


勾通电阻泉源于引线、金属接触栅或电池体电阻,而金属栅线不克不及透过阳光,为了使Isc最年夜,金属栅线占有的面积应最小。浅易使金属栅线做成又密又细的形状,可以增添勾通电阻,同时增年夜电池透光面积。


8.接纳绒面电池设计和选择优良减反射膜:


依附外面金字塔形的方锥结构,对光阻拦一再再三反射,不只增添了反射损掉落,而且改变了光在硅中的前进偏向并延伸了光程,增添了光生载流子产量;曲折的绒面又增添了PN结的面积,从而增添对光生载流子的群集率,使短路电流增添5%~10%,并刷新电池的红光照顾。


9.暗影对太阳电池的影响:


太阳电池会由于暗影遮挡等组成不匀称照射,输入功率年夜年夜降低。


现在,太阳能电池的应用已参军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、 通讯、家用电器和公用行动措施等部门,特殊可以疏散地在悠远地域、平地、沙漠、海岛和墟落应用,以节俭造价很贵的输电线路。然则在现在阶段,它的资源还很高,收回1kW电须要投资上万美元,是以年夜规模应用依然遭到经济上的限制。

  
然则,从久远来看,随着太阳能电池制造手艺的刷新和新的光—电转换装配的创作缔造,各国对情形的掩护和对再生清洁动力的巨年夜需求,太阳能电池仍将是应用太阳辐射能较量着实可行的措施,可为人类未来年夜规模地应用太阳能开发辽阔的远景。
 


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