太陽(yáng)能電池板原理_太陽(yáng)能電池的工作原理

由于雜質(zhì)原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，所以當它們與其周?chē)柙有纬晒矁r(jià)鍵時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)“空位”，當硅原子的最外層電子填補此空位時(shí)，其共價(jià)鍵中便產(chǎn)生一個(gè)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(chēng)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(dòng)：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動(dòng)，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運動(dòng)稱(chēng)為擴散運動(dòng)。

當把P型半導體和N型半導體制作在一起時(shí)，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(shí)，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(dòng)的，稱(chēng)為空間電荷區，從而形成內建電場(chǎng)ε。

隨著(zhù)擴散運動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區加寬，內建電場(chǎng)增強，其方向由N區指向P區，正好阻止擴散運動(dòng)的進(jìn)行。

漂移運動(dòng)：在電場(chǎng)力作用下，載流子的運動(dòng)稱(chēng)為漂移運動(dòng)。

當空間電荷區形成后，在內建電場(chǎng)作用下，少子產(chǎn)生飄移運動(dòng)，空穴從N區向P區運動(dòng)，而自由電子從P區向N區運動(dòng)。 在無(wú)外電場(chǎng)和其它激發(fā)作用下，參與擴散運動(dòng)的多子數目等于參與漂移運動(dòng)的少子數目，從而達到動(dòng)態(tài)平衡，形成PN結，如圖示。 此時(shí)，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(yáng)能電池工作原理

1、光生伏打效應:

太陽(yáng)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(shí)，能量大于硅禁帶寬度的光子穿過(guò)減反射膜進(jìn)入硅中，在N區、耗盡區和P區中激發(fā)出光生電子--空穴對。

耗盡區：光生電子--空穴對在耗盡區中產(chǎn)生后，立即被內建電場(chǎng)分離，光生電子被送進(jìn)N區，光生空穴則被推進(jìn)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(chǎn)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(chǎng)作用，被電場(chǎng)力牽引作漂移運動(dòng)，越過(guò)耗盡區進(jìn)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(jìn)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(guò)剩的電子，P區有過(guò)剩的空穴。從而形成與內建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。

1.光生電場(chǎng)除了部分抵消勢壘電場(chǎng)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(chǎn)生電動(dòng)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(jīng)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(kāi)路，可以測得這個(gè)電動(dòng)勢，稱(chēng)之為開(kāi)路電壓Uoc。對晶體硅電池來(lái)說(shuō)，開(kāi)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(guò)，這個(gè)電流稱(chēng)為短路電流Isc。

影響光電流的因素：

1.通過(guò)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(yáng)電池中形成的電流也愈大。

3.太陽(yáng)能電池的N區、耗盡區和P區均能產(chǎn)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(guò)耗盡區，才能對光電流有貢獻，所以求解實(shí)際的光生電流必須考慮到各區中的產(chǎn)生和復合、擴散和漂移等各種因素。

太陽(yáng)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(tài)，往往將電池及負載系統用一個(gè)等效電路來(lái)模擬。

1.恒流源: 在恒定光照下，一個(gè)處于工作狀態(tài)的太陽(yáng)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(guò)來(lái)，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(gè)理想的PN同質(zhì)結太陽(yáng)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(guò)它們時(shí)，必然引起損耗。在等效電路中，可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻RS來(lái)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(shí)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(guò)負載的電流短路，這種作用的大小可用一個(gè)并聯(lián)電阻RSh來(lái)等效。

當流進(jìn)負載RL的電流為I，負載RL的端電壓為U時(shí)，可得：

式中的P就是太陽(yáng)能電池被照射時(shí)在負載RL上得到的輸出功率。

⑵ 輸出功率

當流進(jìn)負載RL的電流為I，負載RL的端電壓為U時(shí)，可得：

式中的P就是太陽(yáng)能電池被照射時(shí)在負載RL上得到的輸出功率。

當負載RL從0變到無(wú)窮大時(shí)，輸出電壓U則從0變到U0C，同時(shí)輸出電流便從ISC變到0，由此即可畫(huà)出太陽(yáng)能電池的負載特性曲線(xiàn)。曲線(xiàn)上的任一點(diǎn)都稱(chēng)為工作點(diǎn)，工作點(diǎn)和原點(diǎn)的連線(xiàn)稱(chēng)為負載線(xiàn)，負載線(xiàn)的斜率的倒數即等于RL，與工作點(diǎn)對應的橫、縱坐標即為工作電壓和工作電流。