太陽(yáng)能電池板原理_太陽(yáng)能電池的工作原理

由于雜質(zhì)原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，所以當(dāng)它們與其周圍硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)“空位”，當(dāng)硅原子的最外層電子填補(bǔ)此空位時(shí)，其共價(jià)鍵中便產(chǎn)生一個(gè)空穴。因而P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子。因雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，故稱之為受主原子。

3、PN結(jié)

PN結(jié)：采用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結(jié)。

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在一起時(shí)，在它們的交界面，兩種載流子的濃度差很大，因而P區(qū)的空穴必然向N區(qū)擴(kuò)散，與此同時(shí)，N區(qū)的自由電子也必然向P區(qū)擴(kuò)散，如圖示。

由于擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子與空穴復(fù)合，而擴(kuò)散到N區(qū)的空穴與自由電子復(fù)合，所以在交界面附近多子的濃度下降，P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們是不能移動(dòng)的，稱為空間電荷區(qū)，從而形成內(nèi)建電場(chǎng)ε。

隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，正好阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。

漂移運(yùn)動(dòng)：在電場(chǎng)力作用下，載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)空間電荷區(qū)形成后，在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，少子產(chǎn)生飄移運(yùn)動(dòng)，空穴從N區(qū)向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，而自由電子從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。 在無(wú)外電場(chǎng)和其它激發(fā)作用下，參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的多子數(shù)目等于參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成PN結(jié)，如圖示。 此時(shí)，空間電荷區(qū)具有一定的寬度，電位差為ε =Uho，電流為零。

二、太陽(yáng)能電池工作原理

1、光生伏打效應(yīng):

太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。如前所述，當(dāng)光照射到半導(dǎo)體光伏器件上時(shí)，能量大于硅禁帶寬度的光子穿過(guò)減反射膜進(jìn)入硅中，在N區(qū)、耗盡區(qū)和P區(qū)中激發(fā)出光生電子--空穴對(duì)。

耗盡區(qū)：光生電子--空穴對(duì)在耗盡區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場(chǎng)分離，光生電子被送進(jìn)N區(qū)，光生空穴則被推進(jìn)P區(qū)。根據(jù)耗盡近似條件，耗盡區(qū)邊界處的載流子濃度近似為0，即p=n=0。

在N區(qū)中：光生電子--空穴對(duì)產(chǎn)生以后，光生空穴便向P-N結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá)P-N結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場(chǎng)作用，被電場(chǎng)力牽引作漂移運(yùn)動(dòng)，越過(guò)耗盡區(qū)進(jìn)入P區(qū)，光生電子(多子)則被留在N區(qū)。

在P區(qū)中：的光生電子(少子)同樣的先因?yàn)閿U(kuò)散、后因?yàn)槠贫M(jìn)入N區(qū)，光生空穴(多子)留在P區(qū)。如此便在P-N結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，使N區(qū)儲(chǔ)存了過(guò)剩的電子，P區(qū)有過(guò)剩的空穴。從而形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。

1.光生電場(chǎng)除了部分抵消勢(shì)壘電場(chǎng)的作用外，還使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這就是光生伏打效應(yīng)。當(dāng)電池接上一負(fù)載后，光電流就從P區(qū)經(jīng)負(fù)載流至N區(qū)，負(fù)載中即得到功率輸出。

2.如果將P-N結(jié)兩端開(kāi)路，可以測(cè)得這個(gè)電動(dòng)勢(shì)，稱之為開(kāi)路電壓Uoc。對(duì)晶體硅電池來(lái)說(shuō)，開(kāi)路電壓的典型值為0.5～0.6V。

3.如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過(guò)，這個(gè)電流稱為短路電流Isc。

影響光電流的因素：

1.通過(guò)光照在界面層產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)愈多，電流愈大。

2.界面層吸收的光能愈多，界面層即電池面積愈大，在太陽(yáng)電池中形成的電流也愈大。

3.太陽(yáng)能電池的N區(qū)、耗盡區(qū)和P區(qū)均能產(chǎn)生光生載流子;

4.各區(qū)中的光生載流子必須在復(fù)合之前越過(guò)耗盡區(qū)，才能對(duì)光電流有貢獻(xiàn)，所以求解實(shí)際的光生電流必須考慮到各區(qū)中的產(chǎn)生和復(fù)合、擴(kuò)散和漂移等各種因素。

太陽(yáng)能電池等效電路、輸出功率和填充因數(shù)

⑴ 等效電路

為了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負(fù)載系統(tǒng)用一個(gè)等效電路來(lái)模擬。

1.恒流源: 在恒定光照下，一個(gè)處于工作狀態(tài)的太陽(yáng)電池，其光電流不隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中可把它看做是恒流源。

2.暗電流Ibk : 光電流一部分流經(jīng)負(fù)載RL，在負(fù)載兩端建立起端電壓U，反過(guò)來(lái)，它又正向偏置于PN結(jié)，引起一股與光電流方向相反的暗電流Ibk。

3.這樣，一個(gè)理想的PN同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的等效電路就被繪制成如圖所示。

4.串聯(lián)電阻RS:由于前面和背面的電極接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免地要引入附加電阻。流經(jīng)負(fù)載的電流經(jīng)過(guò)它們時(shí)，必然引起損耗。在等效電路中，可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻RS來(lái)表示。

5.并聯(lián)電阻RSh:由于電池邊沿的漏電和制作金屬化電極時(shí)在微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本應(yīng)通過(guò)負(fù)載的電流短路，這種作用的大小可用一個(gè)并聯(lián)電阻RSh來(lái)等效。

當(dāng)流進(jìn)負(fù)載RL的電流為I，負(fù)載RL的端電壓為U時(shí)，可得：

式中的P就是太陽(yáng)能電池被照射時(shí)在負(fù)載RL上得到的輸出功率。

⑵ 輸出功率

當(dāng)流進(jìn)負(fù)載RL的電流為I，負(fù)載RL的端電壓為U時(shí)，可得：

式中的P就是太陽(yáng)能電池被照射時(shí)在負(fù)載RL上得到的輸出功率。

當(dāng)負(fù)載RL從0變到無(wú)窮大時(shí)，輸出電壓U則從0變到U0C，同時(shí)輸出電流便從ISC變到0，由此即可畫(huà)出太陽(yáng)能電池的負(fù)載特性曲線。曲線上的任一點(diǎn)都稱為工作點(diǎn)，工作點(diǎn)和原點(diǎn)的連線稱為負(fù)載線，負(fù)載線的斜率的倒數(shù)即等于RL，與工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫、縱坐標(biāo)即為工作電壓和工作電流。

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