太陽能電池板原理

1、在近20年中，您可能不斷聽到“太陽能革命”這一說法 - 講的是有一天我們會全部使用從太陽獲得的免費(fèi)電能。這是一個(gè)誘人的承諾：在天氣晴朗、陽光明媚的日子里，太陽向地球表面輻射的能量約為1,000瓦每平方米，如果我們可以將這些能量全部收集起來，就可以輕松地為住宅和辦公室提供免費(fèi)電力。 在本文中，我們將研究太陽能電池，了解它們?nèi)绾螌⑻柲苤苯愚D(zhuǎn)換為電能。在閱讀過程中，您將了解到為什么說太陽能離人們的日常生活越來越近，以及為什么在這項(xiàng)技術(shù)具有成本效益之前我們還有許多研究工作要做。1將光子轉(zhuǎn)換為電子計(jì)算器和人造衛(wèi)星上使用的太陽能電池都是光伏電池或者模塊（模塊就是一組通過電路連接并封裝在一個(gè)框架內(nèi)的電池）

2、。光伏電池（Photovoltaics），顧名思義（photo=光， voltaic=電），是指將太陽光轉(zhuǎn)換為電能的電池。光伏電池之前只用在太空中，而現(xiàn)在卻越來越普及，且使用方式也越來越普通。它們甚至可以為您的住宅供電。這些裝置是如何工作的呢？ 光伏（PV）電池由半導(dǎo)體材料制成，比如硅就是目前最常用的一種半導(dǎo)體。當(dāng)光照射電池時(shí)，有一部分光會被半導(dǎo)體材料吸收。這意味著吸收的光能將傳給半導(dǎo)體。能量會導(dǎo)致電子逸出，使它們可以自由流動。光伏電池中還有一個(gè)或多個(gè)電場，可以迫使由光吸收并釋放的電子以一定方向流動。電子的流動形成電流，通過在光伏電池的頂部和底部安放金屬觸點(diǎn)，我們可以將電流引出來，以供使用。例

3、如，電流可以為計(jì)算器供電。此電流以及電池電壓（由內(nèi)部電場產(chǎn)生）決定了太陽能電池的功率（或者瓦特?cái)?shù)）。 這是發(fā)電的基本過程，但是實(shí)際情況要復(fù)雜得多。讓我們來深入研究一個(gè)光伏電池的示例：單晶硅電池。硅有一些特別的化學(xué)特性，尤其是它的晶體結(jié)構(gòu)。硅原子含有14個(gè)電子，排列在三個(gè)不同的核外電子層中。距離原子核最近的頭兩個(gè)電子層完全填滿。而最外層電子則處于半滿狀態(tài)，只有四個(gè)電子。硅原子始終會想方設(shè)法填滿最外面的電子層（即希望有八個(gè)電子）。為此，它會與相鄰硅原子的四個(gè)電子共享自身的電子，這就好比每個(gè)原子與周圍原子握手一樣，只是在這種情況下，每個(gè)原子有四只手與四個(gè)鄰居相握。這就形成了晶體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對于這種類

4、型的光伏電池具有重要的意義。 2現(xiàn)在，我們已經(jīng)了解了純晶體硅。純硅是一種性能很差的導(dǎo)體，因?yàn)樗碾娮硬荒芟胥~這樣的導(dǎo)體中的電子那樣自由移動。硅中的電子被全部鎖在晶體結(jié)構(gòu)中。太陽能電池中的硅結(jié)構(gòu)已經(jīng)過稍稍調(diào)整，以便它能作為太陽能電池來工作。 太陽能電池使用的硅混有雜質(zhì)其他原子與硅原子混在一起，這樣會稍稍改變硅的工作方式。我們通常認(rèn)為雜質(zhì)是某種不好的東西，但在這個(gè)例子中，如果沒有這些雜質(zhì)，電池就無法工作。實(shí)際上，這些雜質(zhì)是有意添加到硅中的。考慮硅與一個(gè)位置不定的磷原子在一起的情況，也許每一百萬個(gè)硅原子配上一個(gè)磷原子。磷原子的外電子層有五個(gè)電子，而不是四個(gè)。它仍然要與硅周圍的原子結(jié)合，但從某種意義上

5、講，磷原子有一個(gè)電子是不與任何原子握手的。它沒有成為鍵的一部分，但是磷原子核中的正質(zhì)子會使其保持在原位上。 當(dāng)把能量加到純硅中時(shí)（比如以熱的形式），它會導(dǎo)致幾個(gè)電子脫離其共價(jià)鍵并離開原子。每有一個(gè)電子離開，就會留下一個(gè)空穴。然后，這些電子會在晶格周圍四處游蕩，尋找另一個(gè)空穴來安身。這些電子被稱為自由載流子，它們可以運(yùn)載電流。不過，留在純硅中的電子數(shù)量極少，因此沒有太大的用處。而將純硅與磷原子混合起來，情況就完全不同了。此時(shí)，只需很少的能量即可使磷原子的某個(gè)“多余”的電子逸出，因?yàn)檫@些電子沒有結(jié)合到共價(jià)鍵中它們的鄰居不會將它們拉回。因此，大多數(shù)這類電子會成為自由電子，這樣，我們就得到了比純硅中多

6、得多的自由載流子。有意添加雜質(zhì)的過程被稱為摻雜，當(dāng)利用磷原子摻雜時(shí)，得到的硅被成為N型（“n”表示負(fù)電），因?yàn)楣枥锩嬗泻芏嘧杂呻娮?。與純硅相比，N 型摻雜硅是一種性能好得多的導(dǎo)體。 3實(shí)際上，太陽能電池只有一部分是N型。另一部分硅摻雜的是硼，硼的最外電子層只有三個(gè)而不是四個(gè)電子，這樣可得到P型硅。P型硅中沒有自由電子（“p”表示正電），但是有自由空穴?？昭▽?shí)際是電子離開造成的，因此它們帶有相反（正）的電荷。它們像電子一樣四處移動。 在將N型硅與P型硅放到一起時(shí)，有趣的情形發(fā)生了。切記，每塊光伏電池至少有一個(gè)電場。沒有電場，電池就無法工作，而此電場是在N型硅和P型硅接觸的時(shí)候形成的。突然，N 側(cè)

7、的自由電子（它們一直在尋找空穴來安身）看到了P側(cè)的所有空穴，然后便瘋狂地奔向空穴，將空穴填滿。以前，從電的角度來看，我們所用的硅都是中性的。多余的電子被磷中多余的質(zhì)子所中和。缺失電子（空穴）由硼中缺失質(zhì)子所中和。當(dāng)空穴和電子在N型硅和P型硅的交界處混合時(shí)，中性就被破壞了。所有自由電子會填充所有空穴嗎？不會。如果是這樣，那么整個(gè)準(zhǔn)備工作就沒有什么意義了。不過，在交界處，它們確實(shí)會混合形成一道屏障，使得N側(cè)的電子越來越難以抵達(dá)P側(cè)。最終會達(dá)到平衡狀態(tài)，這樣我們就有了一個(gè)將兩側(cè)分開的電場。 4這個(gè)電場相當(dāng)于一個(gè)二極管，允許（甚至推動）電子從P側(cè)流向N側(cè)，而不是相反。它就像一座山電子可以輕松地滑下山頭

8、（到達(dá)N側(cè)），卻不能向上攀升（到達(dá)P側(cè)）。 這樣，我們就得到了一個(gè)作用相當(dāng)于二極管的電場，其中的電子只能向一個(gè)方向運(yùn)動。讓我們來看一下在太陽光照射電池時(shí)會發(fā)生什么。 當(dāng)光以光子的形式撞擊太陽能電池時(shí)，其能量會使電子空穴對釋放出來。 每個(gè)攜帶足夠能量的光子通常會正好釋放一個(gè)電子，從而產(chǎn)生一個(gè)自由的空穴。如果這發(fā)生在離電場足夠近的位置，或者自由電子和自由空穴正好在它的影響范圍之內(nèi)，則電場會將電子送到N側(cè)，將空穴送到P側(cè)。這會導(dǎo)致電中性進(jìn)一步被破壞，如果我們提供一個(gè)外部電流通路，則電子會經(jīng)過該通路，流向它們的原始側(cè)（P側(cè)），在那里與電場發(fā)送的空穴合并，并在流動的過程中做功。電子流動提供電流，電池的電

9、場產(chǎn)生電壓。有了電流和電壓，我們就有了功率，它是二者的乘積5我們的光伏電池可以吸收多少太陽光的能量？遺憾的是，此處介紹的簡易電池對太陽光能量的吸收率至多為25%左右，通常的吸收率是15%或更低。為什么吸收率會這么低？ 可見光只是電磁頻譜的一部分。電磁輻射不是單頻的它由一系列不同波長（進(jìn)而產(chǎn)生的一系列能級）組成。（有關(guān)電磁頻譜的詳細(xì)介紹，請參閱狹義相對論基本原理。） 光可分為不同波長，我們可以通過彩虹看出這一點(diǎn)。由于射到電池的光的光子能量范圍很廣，因此有些光子沒有足夠的能量來形成電子空穴對。它們只是穿過電池，就像電池是透明的一樣。但其他一些光子的能量卻很強(qiáng)。只有達(dá)到一定的能量單位為電子伏特（eV

10、），由電池材料（對于晶體硅，約為1.1eV）決定才能使電子逸出。我們將這個(gè)能量值稱為材料的帶隙能量。如果光子的能量比所需的能量多，則多余的能量會損失掉（除非光子的能量是所需能量的兩倍，并且可以創(chuàng)建多組電子空穴對，但這種效應(yīng)并不重要）。僅這兩種效應(yīng)就會造成電池中70%左右的輻射能損失。 光伏電池的工作原理 6我們的光伏電池可以吸收多少太陽光的能量？遺憾的是，此處介紹的簡易電池對太陽光能量的吸收率至多為25%左右，通常的吸收率是15%或更低。為什么吸收率會這么低？ 可見光只是電磁頻譜的一部分。電磁輻射不是單頻的它由一系列不同波長（進(jìn)而產(chǎn)生的一系列能級）組成。（有關(guān)電磁頻譜的詳細(xì)介紹，請參閱狹義相對

11、論基本原理。） 光可分為不同波長，我們可以通過彩虹看出這一點(diǎn)。由于射到電池的光的光子能量范圍很廣，因此有些光子沒有足夠的能量來形成電子空穴對。它們只是穿過電池，就像電池是透明的一樣。但其他一些光子的能量卻很強(qiáng)。只有達(dá)到一定的能量單位為電子伏特（eV），由電池材料（對于晶體硅，約為1.1eV）決定才能使電子逸出。我們將這個(gè)能量值稱為材料的帶隙能量。如果光子的能量比所需的能量多，則多余的能量會損失掉（除非光子的能量是所需能量的兩倍，并且可以創(chuàng)建多組電子空穴對，但這種效應(yīng)并不重要）。僅這兩種效應(yīng)就會造成電池中70%左右的輻射能損失。 為何我們不選擇一種帶隙很低的材料，以便利用更多的光子？遺憾的是，帶

12、隙還決定了電場強(qiáng)度（電壓），如果帶隙過低，那么在增大電流（通過吸收更多電子）的同時(shí)，也會損失一定的電壓。請記住，功率是電壓和電流的乘積。最優(yōu)帶隙能量必須能平衡這兩種效應(yīng)，對于由單一材料制成的電池，這個(gè)值約為1.4電子伏特。 7我們還有其他能量損失。電子必須通過外部電路從電池的一側(cè)流到另一側(cè)。我們可以在電池底部鍍上一層金屬，以保證良好的導(dǎo)電性。但如果我們將電池頂部完全鍍上金屬，光子將無法穿過不透光導(dǎo)體，這樣就會喪失所有電流（在某些電池中，只有上表面而非所有位置使用了透明導(dǎo)體）。如果我們只在電池的兩側(cè)設(shè)置觸點(diǎn)，則電子需要經(jīng)過很長一段距離（對于電子而言）才能抵達(dá)接觸點(diǎn)。要知道，硅是半導(dǎo)體，它傳輸電流

13、的性能沒有金屬那么好。它的內(nèi)部電阻（稱為串聯(lián)電阻）相當(dāng)高，而高電阻意味著高損耗。為了最大限度地降低這些損耗，電池上覆有金屬接觸網(wǎng)，它可縮短電子移動的距離，同時(shí)只覆蓋電池表面的一小部分。即使是這樣，有些光子也會被網(wǎng)格阻止，網(wǎng)格不能太小，否則它自身的電阻就會過高。 在實(shí)際使用電池之前，還要執(zhí)行其他幾個(gè)步驟。硅是一種有光澤的材料，這意味著它的反射性能很好。被反射的光子不能被電池利用。出于這個(gè)原因，在電池頂部采用抗反射涂層，可將反射損失降低到5%以下。 最后一步是安裝玻璃蓋板，用來將電池與元件分開，以保護(hù)電池。光伏模塊由多塊電池（通常是36塊）串聯(lián)和并聯(lián)而成，以提供可用的電壓和電流等級，這些電池放在一

14、個(gè)堅(jiān)固的框架中，后部分別引出正極端子和負(fù)極端子，并用玻璃蓋板封上。 8單晶硅并非光伏電池中使用的唯一材料。電池材料中還采用了多晶硅，盡管這樣生產(chǎn)出來的電池不如單晶硅電池的效率高，但可以降低成本。此外，還采用了沒有晶體結(jié)構(gòu)的非晶硅，這樣做同樣是為了降低成本。使用的其他材料還包括砷化鎵、硒化銦銅和碲化鎘。由于不同材料的帶隙不同，因此它們似乎針對不同的波長或不同能量的光子進(jìn)行了“調(diào)諧”。一種提高效率的方法是使用兩層或者多層具有不同帶隙的不同材料。帶隙較高的材料放在表面，吸收較高能量的光子；而帶隙較低的材料放在下方，吸收較低能量的光子。這項(xiàng)技術(shù)可大大提高效率。這樣的電池稱為多接面電池，它們可以有多個(gè)電

15、場。 有了光伏（PV）模塊，我們該如何利用呢？如何利用太陽能來為房間供電？盡管它并非像隨便在屋頂放置一些模塊那樣簡單，但也不是特別復(fù)雜。 9首先，并非每個(gè)屋頂都有合適的朝向或傾斜角度可以充分利用太陽能。北半球的無軌道光伏系統(tǒng)應(yīng)指向正南（這是方位）。它們應(yīng)該以該地區(qū)緯度來設(shè)定傾斜角度，以便可以整年吸收盡可能多的能量。如果希望在上午或下午以及夏季或冬季獲得盡可能多的能量，可以采用不同的方位、傾角。當(dāng)然，不管在一天或者一年中的什么時(shí)間，模塊決不能被附近的樹木或者建筑物擋住。在光伏模塊中，即使36塊電池中只有一塊被擋住了，發(fā)電量也會減少一大半。 如果您有一間房子，它的屋頂沒有遮擋并且朝南，那么您還需要

16、確定自己需要的系統(tǒng)規(guī)模。這是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，因?yàn)榘l(fā)電量取決于天氣情況，而天氣從來都是不可完全預(yù)測的，并且您的用電需求也會隨時(shí)發(fā)生變化。這些障礙很容易清除。氣象數(shù)據(jù)會提供不同地理區(qū)域每月的平均日照水平。其中考慮了降雨和多云天氣，以及緯度、濕度和其他更細(xì)微的因素。您在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到日照狀況最差的月份，這樣才能保證全年都有充足的電力供應(yīng)。有了這個(gè)數(shù)據(jù)，并且清楚自己家里的平均用電需求（通過用電帳單即可得知每月的用電量），可以用一些簡單的方法來確定您需要多少個(gè)光伏模塊。此外，您還需要確定系統(tǒng)電壓，這可以通過決定串聯(lián)的模塊數(shù)量來控制。 10您可能已經(jīng)猜到我們要解決的幾個(gè)問題了。首先，在沒有太陽光照射時(shí)我們

17、應(yīng)該怎么做？當(dāng)然，如果可以選擇的話，肯定沒有人愿意接受只在白天并且只在晴朗的白天才有電的生活。我們需要能量存儲裝置電池。遺憾的是，電池為光伏系統(tǒng)增加了很多成本和維護(hù)工作。但是在目前，電池還是一個(gè)必需品，因?yàn)橹挥羞@樣才能完全擺脫天氣的影響。繞開這個(gè)問題的一個(gè)方法是，將房子與電網(wǎng)相連，從而可以在需要電的時(shí)候買電，而在發(fā)電量超過需要時(shí)賣電。這樣，電網(wǎng)實(shí)際上充當(dāng)了一個(gè)巨大的能量存儲系統(tǒng)。當(dāng)然，這需要征得電網(wǎng)方面的同意，并且在大多數(shù)情況下，它們從您這里買電的價(jià)格將比它們售電的價(jià)格低得多。您還需要特殊的設(shè)備來確保出售給電網(wǎng)的電力與它們的電力同步即共享相同的正弦波形和頻率。安全性也是一個(gè)問題。電網(wǎng)需要確保如

18、果在您的住宅附近出現(xiàn)斷電，您的光伏系統(tǒng)不會向線路工人以為已經(jīng)沒有電的線路供電。這稱之為隔離。 如果您決定使用電池，請切記電池是需要維護(hù)的，并且在一定年限之后需要更換。光伏模塊應(yīng)該可以使用20年或者更長的時(shí)間，但電池就沒有這么長的壽命了。由于電池中存有能量且包含酸性電解液，光伏系統(tǒng)中的電池可能非常危險(xiǎn)，因此您需要為它們提供一個(gè)通風(fēng)良好的非金屬外殼。 11盡管常用的電池有好幾種類型，但它們都有一個(gè)共同的特性，即它們都是深循環(huán)電池。與您的汽車電池（淺循環(huán)電池）不同，深循環(huán)電池可以釋放出比存儲電能還要多的電能，同時(shí)還能保持較長的壽命。汽車電池在很短的時(shí)間內(nèi)會釋放很大的電流來啟動您的汽車，并且在您駕駛時(shí)

19、立即充電。光伏電池通常需要經(jīng)過較長的時(shí)段（如整夜時(shí)間）才會釋放出較小的電流，并在整個(gè)白天進(jìn)行充電。 最常用的深循環(huán)電池是鉛酸電池（密封式和開口式）和鎳鎘電池。鎳鎘電池雖然價(jià)格昂貴，但使用壽命較長，并且可以更徹底地放電而不會對其性能造成損害。即使是深循環(huán)鉛酸電池，在百分之百放電的情況下也不可避免地會嚴(yán)重縮短電池壽命。通常來說，光伏系統(tǒng)中鉛酸電池的放電率不會超過40%到50%。 另外，使用電池時(shí)還需要安裝充電控制器。如果能夠妥善使用電池，避免過度充電或過度消耗，那么電池的壽命會長得多。這正是充電控制器要做的工作。一旦電池充滿電，充電控制器就不再允許電流從光伏模塊繼續(xù)流入電池中。同樣，一旦電池電量消

20、耗到一定水平（通過測量電池電壓來控制），很多充電控制器將不允許更多的電流繼續(xù)從電池流出，直至對電池進(jìn)行重新充電。充電控制器的使用對延長電池壽命起到了重要作用。 12另一個(gè)問題是，由光伏模塊產(chǎn)生的電以及從電池中提?。ㄈ绻x擇使用電池）的電都是直流電，而電網(wǎng)所供應(yīng)的電（以及您房間中各種家用電器使用的電）是交流電。因此您需要一個(gè)換流器，這是一種能將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的設(shè)備。大多數(shù)大型換流器還允許您自動控制系統(tǒng)的工作方式。有些名為交流模塊的光伏模塊實(shí)際上在每個(gè)模塊中內(nèi)置了一個(gè)換流器，因而無需使用大型的集中型換流器，并簡化了接線問題。帶有電池存儲的光伏系統(tǒng)的一般示意圖13配備了安裝硬件、接線、接線盒、接地設(shè)備、過電流保護(hù)、直流和交流斷路器以及其他附件之后，您就有了一個(gè)自己的系統(tǒng)。安裝時(shí)必須遵守電氣法規(guī)（美國國家電氣法規(guī)（National Electrical Code）中有一個(gè)針對光伏系統(tǒng)的條款）。強(qiáng)烈建議由在光伏系統(tǒng)