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太阳能光伏电池结构及工作原理.doc

太阳能光伏电池结构及工作原理

曾经的纯真渐渐褪去
2017-10-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《太阳能光伏电池结构及工作原理doc》,可适用于高等教育领域

太阳能光伏电池结构及工作原理从电的角度来看我们所用的硅都是中性的。多余的电子被磷中多余的质子所中和。缺失电子(空穴)由硼中缺失质子所中和。当空穴和电子在N型硅和P型硅的交界处混合时中性就被破坏了。所有自由电子会填充所有空穴吗,不会。如果是这样那么整个准备工作就没有什么意义了。不过在交界处它们确实会混合形成一道屏障使得N侧的电子越来越难以抵达P侧。最终会达到平衡状态这样我们就有了一个将两侧分开的电场。光伏电池中的电场效应这个电场相当于一个二极管允许(甚至推动)电子从P侧流向N侧而不是相反。它就像一座山电子可以轻松地滑下山头(到达N侧)却不能向上攀升(到达P侧)。这样我们就得到了一个作用相当于二极管的电场其中的电子只能向一个方向运动。让我们来看一下在太阳光照射电池时会发生什么。当光以光子的形式撞击太阳能电池时其能量会使电子空穴对释放出来。每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子从而产生一个自由的空穴。如果这发生在离电场足够近的位置或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内则电场会将电子送到N侧将空穴送到P侧。这会导致电中性进一步被破坏如果我们提供一个外部电流通路则电子会经过该通路流向它们的原始侧(P侧)在那里与电场发送的空穴合并并在流动的过程中做功。电子流动提供电流电池的电场产生电压。有了电流和电压我们就有了功率它是二者的乘积。光伏电池的工作原理我们的光伏电池可以吸收多少太阳光的能量,遗憾的是此处介绍的简易电池对太阳光能量的吸收率至多为左右通常的吸收率是或更低。为什么吸收率会这么低,可见光只是电磁频谱的一部分。电磁辐射不是单频的它由一系列不同波长(进而产生的一系列能级)组成。(有关电磁频谱的详细介绍请参阅狭义相对论基本原理。)光可分为不同波长我们可以通过彩虹看出这一点。由于射到电池的光的光子能量范围很广因此有些光子没有足够的能量来形成电子空穴对。它们只是穿过电池就像电池是透明的一样。但其他一些光子的能量却很强。只有达到一定的能量单位为电子伏特(eV)由电池材料(对于晶体硅约为eV)决定才能使电子逸出。我们将这个能量值称为材料的带隙能量。如果光子的能量比所需的能量多则多余的能量会损失掉(除非光子的能量是所需能量的两倍并且可以创建多组电子空穴对但这种效应并不重要)。仅这两种效应就会造成电池中左右的辐射能损失。为何我们不选择一种带隙很低的材料以便利用更多的光子,遗憾的是带隙还决定了电场强度(电压)如果带隙过低那么在增大电流(通过吸收更多电子)的同时也会损失一定的电压。请记住功率是电压和电流的乘积。最优带隙能量必须能平衡这两种效应对于由单一材料制成的电池这个值约为电子伏特。我们还有其他能量损失。电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。我们可以在电池底部镀上一层金属以保证良好的导电性。但如果我们将电池顶部完全镀上金属光子将无法穿过不透光导体这样就会丧失所有电流(在某些电池中只有上表面而非所有位置使用了透明导体)。如果我们只在电池的两侧设置触点则电子需要经过很长一段距离(对于电子而言)才能抵达接触点。要知道硅是半导体它传输电流的性能没有金属那么好。它的内部电阻(称为串联电阻)相当高而高电阻意味着高损耗。为了最大限度地降低这些损耗电池上覆有金属接触网它可缩短电子移动的距离同时只覆盖电池表面的一小部分。即使是这样有些光子也会被网格阻止网格不能太小否则它自身的电阻就会过高。在实际使用电池之前还要执行其他几个步骤。硅是一种有光泽的材料这意味着它的反射性能很好。被反射的光子不能被电池利用。出于这个原因在电池顶部采用抗反射涂层可将反射损失降低到以下。最后一步是安装玻璃盖板用来将电池与元件分开以保护电池。光伏模块由多块电池(通常是块)串联和并联而成以提供可用的电压和电流等级这些电池放在一个坚固的框架中后部分别引出正极端子和负极端子并用玻璃盖板封上。普通硅光伏电池的基本结构单晶硅并非光伏电池中使用的唯一材料。电池材料中还采用了多晶硅尽管这样生产出来的电池不如单晶硅电池的效率高但可以降低成本。此外还采用了没有晶体结构的非晶硅这样做同样是为了降低成本。使用的其他材料还包括砷化镓、硒化铟铜和碲化镉。由于不同材料的带隙不同因此它们似乎针对不同的波长或不同能量的光子进行了“调谐”。一种提高效率的方法是使用两层或者多层具有不同带隙的不同材料。带隙较高的材料放在表面吸收较高能量的光子而带隙较低的材料放在下方吸收较低能量的光子。这项技术可大大提高效率。这样的电池称为多接面电池它们可以有多个电场

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