太阳能光电池的工作原理

太阳能电池是对光有反应的装置，可以将光能转化为电能。有多种材料可以产生光伏效应，如单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜等。他们发电的原理基本相同。现在，以晶体为例来描述光伏发电的过程。磷型晶体硅可以掺杂磷以获得氮型硅，从而形成磷-氮结。当光照射到太阳能电池表面时，一些光子被硅材料吸收；光子能量被转移到硅原子上，导致电子移动越来越多，成为*电子，在p-n结的两侧聚集，形成电势差。当电路外部连接时，在该电压的作用下，电流将流过外部电路以产生一定的输出功率。这个过程的本质是将光子能量转化为电能的过程。当光照射半导体时，光子为电子提供能量，电子将转变为更高的能量状态。在这些电子中，在实际应用中可以用作光电器件的电子有:(1)价带电子；(2)*电子*载流子)；；(3)电子以杂质能级存在。太阳能电池可用的电子主要是价带电子。由价带电子到导带的能量转换过程决定的光的吸收被称为内在吸收。

太阳能电池的能量转换是基于结的光伏效应。当光照射pn结时，会产生电子-空穴对。在半导体内部结附近产生的载流子不会再结合到达空间电荷区。在内建电场的吸引下，电子流入N区，空穴流入P区。结果，过量的电子储存在N区，而在P区有过量的空穴。它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场不仅部分抵消了势垒电场的作用，而且使p区带正电，n区带负电。在n区和p区之间的薄层中产生电动势，这是光生伏特效应。此时，如果外部电路短路，与入射光能量成比例的光电流流过外部电路。这种电流称为短路电流。另一方面，如果PN结的两端都打开，则N区中的费米能级高于P区中的费米能级，因为电子和空穴分别流入N区和P区，从而在两个费米能级之间产生电势差VOC。这个值可以测量，称为开路电压。由于此时结被正向偏置，短路光电流等于二极管的正向电流，因此可以确定挥发性有机化合物的值。太阳能电池是直接将太阳能转化为电能的装置。其基本结构由半导体的PN结组成。此外，异质结和肖特基势垒也可以实现更好的光电转换效率。本节以最常见的硅PN结太阳能电池为例，详细观察光能转化为电能的过程。首先，研究了太阳能电池工作时从外部观察到的特性。当阳光照射到太阳能电池上时，光电流Iph与暗电流相反，会流过。当太阳能电池与负载R连接并用太阳光照射时，负载上的电流Im和电压Vm将由图中照射时的电流-电压特性曲线与由V=-IR表示的直线的交点来确定。此时，负载的*龚*速率消耗Pout=RI2m，这清楚地表明正在进行光电能量转换。通过调整负载，可以在最佳工作点获得最大输出*功*率。输出*功*率(电能)与输入*功*率(光能)之比称为太阳能电池的能量转换效率。让我们把目光转向太阳能电池的内部，详细研究能量转换过程。太阳能电池由硅pn结构成，并且在表面和背面形成没有整流特性的欧姆接触。假设除了负载电阻R之外，电路中没有其他电阻元件..当具有hν(eV)(hν>Eg，Eg是硅的禁带宽度)能量的光子照射太阳能电池时，产生电子-空穴对。由于光子的能量大于硅的禁带宽度，电子被激发到高于导带底部的能级。对于P型硅，少数载流子浓度np极小(一般小于105个/厘米)，导带的能级几乎是空的，因此电子立即落在导带的底部。此时，电子和空穴以声子(晶格振动)的形式将总hν-Eg(ev)的过剩能量转移到晶格中。落到导带底部的电子要么扩散到表面或结，要么在半导体内部或表面复合并消失。然而，到达结的一些载流子被结处的内置电场加速，并流入N型硅。在N型硅中，因为电子是多数载流子，所以入射电子以介电弛豫时间的顺序传播，同时，为了满足N型硅中的载流子电中性条件，与入射电子相同数量的电子从连接N型硅的电极流出。此时，电子损失的能量相当于空间电荷区的电势高度和导带底部与费米能级之间的电势差。如果每秒每立方厘米有n个电子流入负载电阻，施加在负载电阻上的电压表明。由于电路中没有电源，电压V=IR实际上施加到太阳能电池的结上，即结处于正向偏置。在负载电阻上，电子损失的能量为qV，这等于光子能量hν转化为电能qV。流过负载电阻器的电子到达P型硅的表面电极，成为P型硅中的过量载流子，然后与扫掠的空穴复合形成光电流