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2021-12-06 10:07:02
太陽能電池板原理_太陽能電池的工作原理
2021-12-06 10:07:02 來源: 網絡
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/175350.htm
由于雜質原子的最外層有三個價電子，所以當它們與其周圍硅原子形成共價鍵時，就產生了一個“空位”，當硅原子的最外層電子填補此空位時，其共價鍵中便產生一個空穴。因而P型半導體中，空穴為多子，自由電子為少子。因雜質原子中的空位吸收電子，故稱之為受主原子。
3、PN結
PN結：采用不同的摻雜工藝，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結。
擴散運動：物質總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由于濃度差而產生的運動稱為擴散運動。
當把P型半導體和N型半導體制作在一起時，在它們的交界面，兩種載流子的濃度差很大，因而P區的空穴必然向N區擴散，與此同時，N區的自由電子也必然向P區擴散，如圖示。
由于擴散到P區的自由電子與空穴復合，而擴散到N區的空穴與自由電子復合，所以在交界面附近多子的濃度下降，P區出現負離子區，N區出現正離子區，它們是不能移動的，稱為空間電荷區，從而形成內建電場ε。
隨著擴散運動的進行，空間電荷區加寬，內建電場增強，其方向由N區指向P區，正好阻止擴散運動的進行。
漂移運動：在電場力作用下，載流子的運動稱為漂移運動。
當空間電荷區形成后，在內建電場作用下，少子產生飄移運動，空穴從N區向P區運動，而自由電子從P區向N區運動。 在無外電場和其它激發作用下，參與擴散運動的多子數目等于參與漂移運動的少子數目，從而達到動態平衡，形成PN結，如圖示。 此時，空間電荷區具有一定的寬度，電位差為ε =Uho，電流為零。
二、太陽能電池工作原理
1、光生伏打效應:
太陽能電池能量轉換的基礎是半導體PN結的光生伏打效應。如前所述，當光照射到半導體光伏器件上時，能量大于硅禁帶寬度的光子穿過減反射膜進入硅中，在N區、耗盡區和P區中激發出光生電子--空穴對。
耗盡區：光生電子--空穴對在耗盡區中產生后，立即被內建電場分離，光生電子被送進N區，光生空穴則被推進P區。根據耗盡近似條件，耗盡區邊界處的載流子濃度近似為0，即p=n=0。
在N區中：光生電子--空穴對產生以后，光生空穴便向P-N結邊界擴散，一旦到達P-N結邊界，便立即受到內建電場作用，被電場力牽引作漂移運動，越過耗盡區進入P區，光生電子(多子)則被留在N區。
在P區中：的光生電子(少子)同樣的先因為擴散、后因為漂移而進入N區，光生空穴(多子)留在P區。如此便在P-N結兩側形成了正、負電荷的積累，使N區儲存了過剩的電子，P區有過剩的空穴。從而形成與內建電場方向相反的光生電場。
1.光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使P區帶正電，N區帶負電，在N區和P區之間的薄層就產生電動勢，這就是光生伏打效應。當電池接上一負載后，光電流就從P區經負載流至N區，負載中即得到功率輸出。
2.如果將P-N結兩端開路，可以測得這個電動勢，稱之為開路電壓Uoc。對晶體硅電池來說，開路電壓的典型值為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，這個電流稱為短路電流Isc。
影響光電流的因素：
1.通過光照在界面層產生的電子-空穴對愈多，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，在太陽電池中形成的電流也愈大。
3.太陽能電池的N區、耗盡區和P區均能產生光生載流子;
4.各區中的光生載流子必須在復合之前越過耗盡區，才能對光電流有貢獻，所以求解實際的光生電流必須考慮到各區中的產生和復合、擴散和漂移等各種因素。
太陽能電池等效電路、輸出功率和填充因數
⑴ 等效電路
為了描述電池的工作狀態，往往將電池及負載系統用一個等效電路來模擬。
1.恒流源: 在恒定光照下，一個處于工作狀態的太陽電池，其光電流不隨工作狀態而變化，在等效電路中可把它看做是恒流源。
2.暗電流Ibk : 光電流一部分流經負載RL，在負載兩端建立起端電壓U，反過來，它又正向偏置于PN結，引起一股與光電流方向相反的暗電流Ibk。
3.這樣，一個理想的PN同質結太陽能電池的等效電路就被繪制成如圖所示。
4.串聯電阻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，基區和頂層都不可避免地要引入附加電阻。流經負載的電流經過它們時，必然引起損耗。在等效電路中，可將它們的總效果用一個串聯電阻RS來表示。
5.并聯電阻RSh:由于電池邊沿的漏電和制作金屬化電極時在微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本應通過負載的電流短路，這種作用的大小可用一個并聯電阻RSh來等效。
當流進負載RL的電流為I，負載RL的端電壓為U時，可得：
式中的P就是太陽能電池被照射時在負載RL上得到的輸出功率。
⑵ 輸出功率
當流進負載RL的電流為I，負載RL的端電壓為U時，可得：
式中的P就是太陽能電池被照射時在負載RL上得到的輸出功率。
當負載RL從0變到無窮大時，輸出電壓U則從0變到U0C，同時輸出電流便從ISC變到0，由此即可畫出太陽能電池的負載特性曲線。曲線上的任一點都稱為工作點，工作點和原點的連線稱為負載線，負載線的斜率的倒數即等于RL，與工作點對應的橫、縱坐標即為工作電壓和工作電流。
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