太陽(yáng)能是一種輻射能,它必須借助予能量轉(zhuǎn)換器才能變換成為電能。這個(gè)把太陽(yáng)能(或其他光能)變換成電能的能量轉(zhuǎn)換器,就叫做太陽(yáng)能電池。
太陽(yáng)能電池的基本工作原理
當(dāng)太陽(yáng)光或其他光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí),產(chǎn)生電子--空穴對(duì),在半導(dǎo)體內(nèi)部P-N結(jié)附近生成的載流子沒(méi)有被復(fù)合而到達(dá)空間電荷區(qū),受內(nèi)部電場(chǎng)的吸引,電子流入n區(qū),空穴流入p區(qū),結(jié)果使n區(qū)儲(chǔ)存了過(guò)剩的電子,p區(qū)有過(guò)剩的空穴。它們?cè)趐-n結(jié)附近形成與勢(shì)壘方向相反的光生電場(chǎng)。
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),這就是光生伏特效應(yīng)。當(dāng)把能量加到純硅中時(shí)(比如以熱的形式),它會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)電子脫離其共價(jià)鍵并離開(kāi)原子。
每有一個(gè)電子離開(kāi),就會(huì)留下一個(gè)空穴。然后,這些電子會(huì)在晶格周?chē)奶幱问?,尋找另一個(gè)空穴來(lái)安身。這些電子被稱(chēng)為自由載流子,它們可以運(yùn)載電流。
這個(gè)電場(chǎng)相當(dāng)于一個(gè)二極管,允許(甚至推動(dòng))電子從p側(cè)流向n側(cè),而不是相反。當(dāng)光以光子的形式撞擊太陽(yáng)能電池時(shí),其能量會(huì)使電子空穴對(duì)釋放出來(lái)。每個(gè)攜帶足夠能量的光子通常會(huì)正好釋放一個(gè)電子,從而產(chǎn)生一個(gè)自由的空穴。
如果這發(fā)生在離電場(chǎng)足夠近的位置,或者自由電子和自由空穴正好在它的影響范圍之內(nèi),則電場(chǎng)會(huì)將電子送到N側(cè),將空穴送到P側(cè)。這會(huì)導(dǎo)致電中性進(jìn)一步被破壞,如果我們提供一個(gè)外部電流通路,則電子會(huì)經(jīng)過(guò)該通路,流向它們的原始側(cè)(P側(cè)),在那里與電場(chǎng)發(fā)送的空穴合并,并在流動(dòng)的過(guò)程中做功。從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢(shì)差,這就形成了電源。
由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體,電子在通過(guò)p-n結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng),電阻非常大,損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬,陽(yáng)光就不能通過(guò),電流就不能產(chǎn)生,因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p-n結(jié)(如圖梳狀電極),以增加入射光的面積。
另外硅表面非常光亮,會(huì)反射掉大量的太陽(yáng)光,不能被電池利用。為此,科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜,將反射損失減小到5%甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有限,于是人們又將很多電池并聯(lián)或串聯(lián)起來(lái)使用,形成太陽(yáng)能光電板。
由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體,電子在通過(guò)p-n結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng),電阻非常大,損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬,陽(yáng)光就不能通過(guò),電流就不能產(chǎn)生,因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p-n結(jié)(如圖梳狀電極),以增加入射光的面積。
另外硅表面非常光亮,會(huì)反射掉大量的太陽(yáng)光,不能被電池利用。為此,科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜,將反射損失減小到5%甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有限,于是人們又將很多電池并聯(lián)或串聯(lián)起來(lái)使用,形成太陽(yáng)能光電板。
太陽(yáng)能電池發(fā)電是根據(jù)特定材料的光電性質(zhì)制成的。黑體(如太陽(yáng))輻射出不同波長(zhǎng)(對(duì)應(yīng)于不同頻率)的電磁波,如紅外線、紫外線、可見(jiàn)光等等。當(dāng)這些射線照射在不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體上,光子與導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的自由電子作用產(chǎn)生電流。
射線的波長(zhǎng)越短,頻率越高,所具有的能量就越高,例如紫外線所具有的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于紅外線。但是并非所有波長(zhǎng)的射線的能量都能轉(zhuǎn)化為電能,值得注意的是光電效應(yīng)于射線的強(qiáng)度大小無(wú)關(guān),只有頻率達(dá)到或超越可產(chǎn)生光電效應(yīng)的閾值時(shí),電流才能產(chǎn)生。
太陽(yáng)電池發(fā)電是一種可再生的環(huán)保發(fā)電方式,發(fā)電過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。