硅太阳能电池工作原理

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太阳向地球辐射巨大的能量,太阳光辐射热可发电,太阳光也可以直接激发半导体产生电能,这就是太阳能光伏发电,光伏发电早已应用在日常生活中,如计算器,太阳能灯,太阳能帽等等。

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳电池,太阳电池由半导体材料制成,在一片半导体材料表面形成PN结,在两面引出电极构成太阳电池,当阳光照射到太阳电池时,就会产生电势。

太阳电池可由多种半导体材料制造,目前制造工艺最成熟、性价比高的太阳电池采用硅半导体材料。这里介绍的太阳电池均是硅太阳电池。

本征半导体

原子最外层的电子为价电子,硅原子的外层电子壳层中有4个价电子,在硅晶体中每个原子有4个相邻原子,硅原子和每一个相邻硅原子共享2个价电子,从而形成稳定的8原子结构。见图1左图。

本征半导体示意图

图1--本征半导体示意图

硅原子的外层的电子受原子核的束缚比较小,在光照或温度作用下得到足够的能量时,会摆脱原子核的束缚而成为自由电子,并同时在原来位置留出一个空穴。电子带负电,空穴带正电,在纯净的硅晶体中,自由电子和空穴的数目是相等的。见图1右图。

在常温下,纯净的硅晶体中电子和空穴的数目极少,导电性极差。称这种纯净晶体为本征半导体

N型半导体与P型半导体
在纯净的硅晶体中掺入少量的杂质,即5价元素磷(或砷,锑等),由于磷原子具有5个价电子,所以1个磷原子同相邻的4个硅原子结成共价键时,还多余1个价电子,这个价电子很容易挣脱磷原子核的吸引而变成自由电子。掺入了5价元素的硅晶体变成了电子导电类型的半导体,也称为N型半导体,见图2左。

N型半导体与P型半导体

图2--N型半导体与P型半导体

在N型半导体中,除了由于掺入杂质而产生大量的自由电子以外,还有由于热激发而产生少量的电子-空穴对。然而空穴的数目相对于电子的数目是极少的,所以在N型半导体材料中,空穴数目很少,称为少数载流子,而电子数目很多,称为多数载流子。

同样如果在纯净的硅晶体中掺入少量的杂质,即3价元素,如硼(或鋁、镓或铟等),这些3价原子的最外层只有3个价电子,当它与相邻的硅原子形成共价键时,还缺少1个价电子,因而在一个共价键上要出现一个空穴,因此掺入3价杂质的4价半导体,也称为P型半导体,见图2右。

对于P型半导体,空穴是多数载流子,而电子为少数载流子。

PN结

若将P型半导体和N型半导体两者紧密结合,联成一体时,由导电类型相反的两块半导体之间的过渡区域,称为 PN 结。在PN 结两边,由于在P型区内,空穴很多,电子很少;而在N型区内,则电子很多,空穴很少。由于交界面两边,电子和空穴的浓度不相等,因此会产生多数载流子的扩散运动。

扩散运动是基于电子相互排斥和相互碰撞理论建立的,同层次轨道上的电子会自动从电子相对集中的地方流向电子稀少的地方,这一流向不需要外界的电场作用。扩散运动的动力应与同层次轨道中载流子浓度的变化率(也叫浓度梯度)成正比。

下面的图3与图4是P型半导体与N型半导体接触相互扩散的示意图,图中仅表现掺杂的原子,在P型半导体中为3价的硼原子与它的空穴,在N型半导体中为5价的磷原子与它的自由电子。

图3是P型半导体和N型半导体两者刚靠在一起的瞬间,由于N型半导体的多数载流子自由电子浓度远大于P型半导体内自由电子浓度,这些电子将向P型半导体扩散。同样由于P型半导体的多数载流子空穴浓度远大于N型半导体内空穴浓度,这些空穴将向N型半导体扩散。

自由电子与空穴扩散

图3--自由电子与空穴扩散

扩散的过程为:在靠近交界面附近的N区中,电子越过交界面与P区的空穴复合,使P区出现一批带负电荷的硼元素的离子。同时在N型区内,由于跑掉了一批电子而呈现带正电荷的磷元素离子。

同样可解释为:在靠近交界面附近的P区中,多数载流子空穴越过交界面与N区的电子复合,从而使N区出现一批带正电荷的磷元素离子。同时在P型区内,由于跑掉了一批空穴而呈现带负电荷的硼元素的离子。

扩散形成PN结

图4--扩散形成PN结

扩散的结果是在交界面的一边形成带正电荷的正离子区,而交界面另一边形成带负电荷的负离子区,称为空间电荷区,这就是PN 结,是一层很薄的区域。

在PN 结内,由于两边分别积聚了负电荷和正电荷,会产生一个由正电荷指向负电荷的电场,即由N区指向P区的电场,称为内建电场(或称势垒电场)。

光生伏打效应

室温下从硅的原子的价电子层中分离出一个电子需要1.12eV的能量,该能量称为硅的禁带宽度。分离过程称为激发,被分离出来的电子是自由电子,能够自由移动并传送电流。半导体在太阳光照耀下,能量大于半导体禁带宽度的光子,使半导体中原子的价电子受到激发而成为自由电子,形成光生电子-空穴对,也称光生载流子。

太阳能电池由PN结构成,在P区、空间电荷区和N区都会产生光生电子-空穴对,这些电子-空穴对由于热运动,会向各个方向迁移。

在空间电荷区产生的与迁移进来的光生电子-空穴对被内建电场分离,光生电子被推进N区,光生空穴被推进P区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。

在N区,光生电子-空穴产生后,光生空穴便向PN 结边界扩散,一旦到达 PN结边界,便立即受到内建电场的作用,在电场力作用下作漂移运动,越过空间电荷区进入P区,而光生电子(多数载流子)则被留在N区。

同样,P区中的光生电子也会向PN结边界扩散,并在到达PN结边界后,同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动,进入N区,而光生空穴(多数载流子)则被留在P区。

因此在PN结两侧形成了正、负电荷的积累,形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外,还使P型层带正电,N型层带负电,因此产生了光生电动势。这就是“光生伏打效应”(简称光伏)。

太阳能电池与主要特性

太阳能电池发电原理是光生伏打效应,故太阳能电池也叫光伏电池。

太阳能电池由PN结构成,将负载电阻RL连接到PN结两端,构成一个回路,图5是这个回路的示意图。

光伏电池原理

图5--光伏电池原理

当太阳光照在太阳电池上产生光生电动势,就有电路流过负载电阻RL,被PN结分开的过剩载流子中就有一部分把能量消耗于降低PN结势垒,用于建立工作电压U,而剩余部分的光生载流子则用来产生光生电流I。

常用的太阳电池的主要特性是伏安特性,图6的左图是硅太阳电池的伏安特性,图中曲线是在一定强度阳光照射下的伏安特性曲线。

当把太阳电池短路,即RL = 0,输出电压为0,则所有可以到达PN结的过剩载流子都可以穿过PN结,并因外电路闭合而产生了最大可能的电流,该电流称为短路电流Isc。

如果使太阳电池开路,即负载电阻 RL 无穷大,通过电流为0,则被PN结分开的全部过剩载流子就会积累在PN结附近,于是产生了最大光生电动势的开路电压Voc。

光伏电池伏安特性曲线

图6--光伏电池伏安特性曲线

太阳电池在光照不同时的伏安特性曲线也不同,在图6右图中有三根在不同光照强度(辐照度)下的伏安特性曲线,显示了太阳电池的光照特性。在三种不同的光照强度下,太阳电池的开路电压V1、V2、V3相差不大,单片硅太阳电池在常温下的开路电压约为0.45V至0.6V。主要特性是短路电流Isc与照射光的辐照度成正比,显然辐照度越强,输出电流越大,且输出电流有一定的恒流性。

太阳电池的等效电路可以用一个恒流电源与一个二极管并联表示,恒流电源决定着太阳电池的输出电流,二极管则影响开路电压。恒流电源输出电流为Iph,流过二极管的正向电流称为暗电流ID。实际上由于器件存在漏电,就要并上旁路电阻Rsh;由于器件体电阻和电极的欧姆电阻要加上串联电阻Rs。图7就是一个完整的等效电路,图中R是负载电阻,V是负载电阻上的电压,I是通过负载电阻的电流。

图7--太阳电池的等效电路

当太阳电池的负载电阻RL值变化时,通过电流与电压的关系按其伏安曲线变化,见图8,RL较小时,通过电流为I3,电压为V3;RL较大时,通过电流为I1,电压为V1。

太阳电池的输出功率是RL上电流与电压乘积,不同的RL值有不同的输出功率,图8中蓝色虚线是电池的输出功率对应输出电压的变化曲线,RL在某个值时,可得到最大输出功率,此时电流为Im,电压为Vm时,在曲线上对应的点M称为该太阳电池的最佳工作点,功率电压曲线在该点为最大值Pm,硅太阳电池的Vm约为0.5伏。

光伏电池伏安特性曲线与最大功率曲线

图8--光伏电池伏安特性曲线与最大功率曲线

太阳电池的光电转换效率为电池的最大输出功率与该电池接收的全部辐射功率的百分比。测试使用的阳光辐射强度为800W/m2至1000W/m2。

太阳电池还有一些特性,如开路电压Uoc随温度升高而降低等。需了解其他特性请另找参考资料。

太阳电池的分类

太阳电池主要分为晶体硅太阳电池与薄膜太阳电池,晶体硅太阳电池又分为单晶硅太阳电池与多晶硅太阳电池,薄膜太阳电池种类较多,主要是非晶硅太阳电池。

单晶硅太阳电池

单晶硅太阳电池由单晶硅片制造,在单晶硅材料中,硅原子在空间呈有序的周期性排列,具有长程有序性。这种有序性有利于太阳能电池的转换效率的提高,目前单晶硅太阳电池转换效率为14%-17%,最高达24%。单晶硅太阳电池生产工艺成熟,广泛应用在航天,高科技产品中。但单晶硅太阳电池制造过程复杂,制造需要的能耗大,成本高。

多晶硅太阳电池

多晶硅材料则是由许多单晶颗粒(颗粒直径为数微米至数毫米)的集合体。各个单晶颗粒的大小,晶体取向彼此各不相同,其转换效率约13%至15%,最高达20%。多晶硅太阳电池比单晶硅太阳电池生产时间短,制造成本低,在市场上有重要地位。

非晶硅太阳电池

非晶硅太阳电池采用很薄的非晶硅薄膜(约1 mm厚)制造,硅材料消耗很少,可直接在大面积的玻璃板上淀积生成硅半导体薄膜,制备非晶硅的工艺和设备简单,制造时间短,能耗少,适于大批生产。

非晶硅太阳电池的转换效率5%-8%,最高达13%,特点是在弱光下也能发电。非晶硅太阳电池的主要缺点是稳定性稍差。但价廉与弱光发电使它广泛用在民用产品中。


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