太阳能电池工作原理简介 精

2009年9月 灯与照明 第33卷第3期 太阳能电池工作原理简介 张 帅 (鲁东大学交通学院，山东烟台264025) 摘 要：当太阳光照射p-n结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电 子——空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向rt型区，空穴被驱向P型区，从而使rt区有过剩的 电子，P区有过剩的空穴。于是，就在p-n结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。 关键词：太阳能；光伏发电；半导体；电池 IntroductionofSolarCellsWork ZhangShuai (CollegeofTransportation，LudongUniversity，Yantai264025，China) Abstract：Whenthesunlightwhenthep-njunction，inthesemiconductorelectronicaccesstothelightasa resultofthereleaseofe一，havegivenrisetoacorrespondinge·holepairs．Electricfieldinthebarrierunder， e—tobeexpelledtothen—typearea，holetobeexpelledtothep-typearea，SOthatthereareexcessne，Pal'- eaoftheholeexcess．Thus，inthep-njunctionnearthebarrierelectricfieldwithoppositedirectionofthe photovohaicfield． Keywords：solarenergy；photovoltaicpowergeneration；semiconductor；battery O 引言 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直 接把光能转化成电能的装置。 太阳能发电有两种方式，一种是光一热一电转换 方式，另一种是光一电直接转换方式。其中，光一电 直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转 换成电能，光一电转换的基本装置就是太阳能电池。 太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久 性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长， 只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使 用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起 环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千 瓦的中型电站，小到1只供一户用的太阳能电池组， 这是其他电源无法比拟的。笔者将对太阳能电池 光一电转换工作原理进行简单介绍。 1 太阳能光伏发电和太阳能光伏 发电系统运行方式 1．1太阳能光伏发电 通过太阳能电池(又称光伏电池)将太阳辐射能 转换为电能的发电系统称为太阳能电池发电系统(又 称太阳能光伏发电系统)。 太阳能光伏发电是目前工程上广泛使用的光电 能转换器件。晶体硅太阳能电池，生产工艺技术成 熟，已进人大规模产业化生产。 1．2太阳能光伏发电系统的运行方式 太阳能光伏发电系统的运行方式主要可分为离 网运行和联网运行两大类。 未与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称 为离网太阳能光伏发电系统，又称为独立太阳能光伏 发电系统。而与公共电网相连接的太阳能光伏发电 收稿日期：2009-05-05 基金项目：鲁东大学“大学生科技创新基金立项”(08L011)。 作者简介：张帅(1986一)，男，本科，机械 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 制造及其自动化专业。E—mail：062814049@163．eom ·49· 万方数据 2009年9月 灯与照明 第33卷第3期 系统称为联网太阳能光伏发电系统。它是太阳能光 伏发电进入大规模商业化发电阶段，成为电力工业组 成部分之一的重要方向，是当今世界太阳能光伏发电 技术发展的主流趋势。 2 太阳能电池的工作原理 2．1太阳能电池的工作原理基础 太阳能电池的工作原理基础是：半导体P—n结的 光生伏打效应。所谓光生伏打效应，简言之，就是当 物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而 产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光 照射半导体P—n结时，就会在P—n结的两边出现电压， 叫光生电压。使P．n结短路，就会产生电流。 单晶硅的原子是按照一定的规律排列的。硅原 子的外层电子壳层中有4个电子，如图1所示。 图1硅原子结构图 每个原子的外层电子都有固定的位置，并受原子 核的约束。它们在外来能量的激发下，如在太阳光辐 射时，就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同 时在它原来的地方留出一个空位，即半导体物理学中 所谓的“空穴”。由于电子带负电，空穴就 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现为带正 电。电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。在 纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。 如果在晶体硅中掺人能够俘获电子的硼、铝、镓或铟 等杂质元素，那么它就成为空穴型半导体，简称P型 半导体。如果有硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷 或锑等杂质元素，那么它就成了电子型的半导体，简 称n型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于 电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成p-n结，并在 结的两边形成内建电场，又称势垒电场。由于此处电 阻特别高，所以也称为阻挡层。当太阳光照射p-n结 时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子， 相应地便产生了电子——空穴对，并在势垒电场的作 用下，电子被驱向凡型区，空穴被驱向P型区，从而使 n区有过剩的电子，P区有过剩的空穴；于是，就在p-n ·50． 结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场，如 下图2所示。 p型层 结区域 n型层 图2太阳能电池能级图 光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使P 型区带正电，n型区带负电；于是，就使得在n区与P 区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。接 通电路时便有电能输出。这就是P．凡结接触型单晶硅 太阳能电池发电的基本原理。若把几十个、数百个太 阳能电池单体串联、并连起来，组成太阳能电池组体， 在太阳光的照射下，便可获得相当可观的输出功率的 电能。 2．2太阳能电池的基本电学性能 (1)太阳能电池的极性 太阳能电池一般组成P+／n型结构或n+／p型结 构。其中，第一个符号，即P+和n+，表示太阳能电池 正面光照层电导体材料的导电类型；第二符号，即佗 和P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电 类型。 太阳能电池的电性能与制造电池所用的半导体 材料的特性有关。在太阳光照射时，太阳能电池输出 电压的极性，P型一侧电极为正，n型一侧电极为负。 当太阳能电池作为电源与外电路连接时，太阳能 电池在正向状态下工作。 (2)太阳能电池的电流一电压特性 理想的p-n结特性曲线方程为： 厶=厶c—Io(e∥觚∥一1) (1) 式中，o——太阳能电池在无光照射时的饱和电流； q——电子电荷； ％——理尔兹曼常数； A——常数因子(正偏压大时A=1，正偏压小 时A=2)。 当乇=0时，电压U即为睨，可用下式表示： 万方数据 2009年9月 灯与照明 第33卷第3期 ％。=等n(等+1) (2) 根据以上两式作图，就可得到太阳能电池的电 流一电压关系曲线。这个曲线简称为厶U曲线或伏 安曲线，如图3所示。 ， 。 ， ‘＼． ／／h一—_， ， ， ；∥％二≮． 。‘，--—J■__， ；k 图3太阳能电池的，-￡，关系图 n～未受光照；6～受光照 0为最大负载电流，‰为最大负载电压。在此 负载条件下，太阳能电池输出功率最大，在电流一电 压坐标系中对应的这一点，称为最大功率点；对应的 负载，称为最大负载。 评价太阳能电池的输出特性，还有一个重要参 数，叫做填充因子(邪)。它与开路电压短路电流和 负载电压、负载电流的系数关系为： 的最大输出功率与照射到电池上的入射光的功率之 比。与它的结构、结特性、材料性质、电池的工作温 度、放射性粒子辐射损坏和环境变化有关。目前硅 太阳能电池的理想转换效率的上限值为33％左右； 商品单晶硅太阳能电池的转换效率一般为12％一 15％，高效单晶硅太阳能电池的转换效率为 18％一20％。 3．2太阳能电池的光谱响应 太阳能电池的光谱响应，与太阳能电池的结构、 材料性能、结深、表面光学特性等因素有关，并且它还 随环境温度、电池厚度和辐射损伤而变化。 4 小结 照射在地球上的太阳能非常巨大，在大约40rain 内照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年的 能量消费。可以说，太阳能是真正取之不尽，用之不 竭的能源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。 所以太阳能发电被誉为最理想的能源。从太阳能获 得电力，需通过太阳能电池进行光电变换来实现。因 此，太阳能电池的研究改进将给人来带来无穷的绿色 能源。 FF=生Uoc&lsc (3) 参考文献： 3 太阳能电池的光电转换效率及 其光谱响应 3．1太阳能电池的光电转换效率 太阳能电池的光电转换效率指的是太阳能电池 [1]吴光荣，章剑雄．基于ZigBee技术的无线智能照明系统 [J]．现代电子技术，2008(14) [2]来自飞思卡尔半导体的ZigBee技术[J]．电子产品世界， 2004(19) [3]伍谷．期待新能源[J]．汽车实用技术，2005(04)’ ·5l· 万方数据 太阳能电池工作原理简介 作者： 张帅， Zhang Shuai 作者单位： 鲁东大学交通学院,山东烟台,264025 刊名： 灯与照明 英文刊名： LIGHT & LIGHTING 年，卷(期)： 2009,33(3) 参考文献(3条) 1.伍谷 期待新能源 2005(04) 2.来自飞思卡尔半导体的ZigBee技术[期刊论文]-电子产品世界 2004(19) 3.吴光荣;章剑雄 基于ZigBee技术的无线智能照明系统[期刊论文]-现代电子技术 2008(14) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dyzm200903015.aspx