太阳能电池的原理

太阳能电池的原理 　　太阳能电池的理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。在晶体中电子的数目与总是与核电荷数相一致，所以p型-硅和n型-硅对外部来说是电中性的。如将p型-硅或n型-硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。尽管通过光的能量电子从化学键中被释放，由此产生电子-空穴对，但在很短的时间内（在μs范围内）电子又被捕获，即电子和空穴“复合”。当p型-材料和n型-材料相接，将在晶体中p型-和n型-材料之间形成界面，即一个p-n结。此时在界面层n型材料中的自由电子和p型材料中的空穴相对应。由于正负电荷之间的吸引力，在界面层附近n型材料中的电子扩散到p型材料中，并且将在原子作用力允许范围内，与p型材料中的电子缺乏实现平衡。与此相反，空穴扩散到n型材料中与自由电子复合。这样在界面层周围形成一个无电荷区域。在之前p型和n型材料是电中性的，这样通过界面层周围的电荷交换形成两个带电区：通过电子到p型材料的迁移在n型区形成一个正的空间电荷区和在p型区形成一个负空间电荷区。 　　至今为止，大多数太阳电池厂家都是通过扩散工艺，在p型硅片上形成n型区，在两区交界就形成了一个p-n结（即n+/p）。太阳电池的基本结构就是一个大面积平面p-n结。由于在结区附近电子和空穴的相互扩散，从而在结区形成一个由n区指向p区的内建电场。太阳电池在无光照时，在界面层附近的相反的空间电荷相互作用，使载流子的继续交换停止。在界面层附近的空间电荷区的厚度一般为0.5 -1 μm左右。 对于太阳电池来说，界面层应当处于硅片表面的附近位置。如果光线照射在太阳电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在p型硅和n型硅中将电子从共价键中激发，以至产生电子-空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的n区和空穴向带负电的p区运动。通过界面层的电荷分离，将在p区和n区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅电池来说，开路电压的典型数值为0.5-0.6 V。用一个电流表也可测量电流的强度。通过光照在界面层产生的电子-空穴对愈多，电流愈大。界面层吸收的光能愈多和界面层即电池面积愈大，在太阳电池中形成的电流也愈大。 　　对于太阳能电池来说，光能到电流的转换仅是在界面层附近才是有效的。这取决于光线在界面层周围被吸收和尽可能地将能量传输给晶体。因此，太阳电池的光线入射的一面应该相应做得薄一些，以便光线可几乎无衰减的到达界面层。 　　总而言之，在光照条件下，只有具有足够能量的光子进入p-n结区附近才能产生电子-空穴对。对于晶体硅太阳电池来说，太阳光谱中波长小于1.1 μm的光线都可产生光伏效应。对不同材料的太阳电池来说，尽管光谱响应的范围是不同的，但光电转换的原理是一致的：如图2-2所示，在p-n结的内建电场作用下，n区的空穴向p区运动，而p区的电子向n区运动，最后造成在太阳电池受光面（上表面）有大量负电荷（电子）积累，而在电池背光面（下表面）有大量正电荷（空穴）积累。如在电池上、下表面做上金属电极，并用导线接上负载，在负载上就有电流通过。只要太阳光照不断，负载上就一直有电流通过。