太陽能電池板原理_太陽能電池的工作原理

由于雜質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(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(jié)。

擴散運動：物質(zhì)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(chǎn)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(qū)的空穴必然向N區(qū)擴散，與此同時，N區(qū)的自由電子也必然向P區(qū)擴散，如圖示。

由于擴散到P區(qū)的自由電子與空穴復合，而擴散到N區(qū)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(qū)出現(xiàn)負離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們是不能移動的，稱為空間電荷區(qū)，從而形成內(nèi)建電場ε。

隨著擴散運動的進行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)建電場增強，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，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(qū)形成后，在內(nèi)建電場作用下，少子產(chǎn)生飄移運動，空穴從N區(qū)向P區(qū)運動，而自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動。 在無外電場和其它激發(fā)作用下，參與擴散運動的多子數(shù)目等于參與漂移運動的少子數(shù)目，從而達到動態(tài)平衡，形成PN結(jié)，如圖示。 此時，空間電荷區(qū)具有一定的寬度，電位差為ε =Uho，電流為零。

二、太陽能電池工作原理

1、光生伏打效應:

太陽能電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是半導體PN結(jié)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(qū)、耗盡區(qū)和P區(qū)中激發(fā)出光生電子--空穴對。

耗盡區(qū)：光生電子--空穴對在耗盡區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場分離，光生電子被送進N區(qū)，光生空穴則被推進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--空穴對產(chǎn)生以后，光生空穴便向P-N結(jié)邊界擴散，一旦到達P-N結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場作用，被電場力牽引作漂移運動，越過耗盡區(qū)進入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)同樣的先因為擴散、后因為漂移而進入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、負電荷的積累，使N區(qū)儲存了過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴。從而形成與內(nèi)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(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)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(qū)經(jīng)負載流至N區(qū)，負載中即得到功率輸出。

2.如果將P-N結(jié)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(chǎn)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(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合之前越過耗盡區(qū)，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(qū)中的產(chǎn)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(shù)

⑴ 等效電路

為了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負載系統(tǒng)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(tài)的太陽電池，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(jié)，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(zhì)結(jié)太陽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)負載的電流經(jīng)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(lián)電阻RS來表示。

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(lián)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(shù)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。