光伏電池的工作原理

太陽能光伏電池的工作原理—基于光電效應(yīng)知識準(zhǔn)備1、本征半導(dǎo)體及本征激發(fā)2、P型半導(dǎo)體3、N型半導(dǎo)體4、PN結(jié)的形成5、光電效應(yīng)6、太陽能光伏電池的工作原理：PN結(jié)受光照后的光電效應(yīng)本征半導(dǎo)體及本征激發(fā)本征半導(dǎo)體是純凈的單晶半導(dǎo)體。本征激發(fā)：本征半導(dǎo)體受熱或光照時(shí)，某些共價(jià)鍵中的的價(jià)電子從外界獲得足夠的能量而掙脫共價(jià)鍵的束縛離開了共價(jià)鍵而成為自由電子，同時(shí)在原來的共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，這個(gè)空位被稱為空穴。這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖本征激發(fā)后產(chǎn)生兩種載流子：自由電子和空穴返回目錄P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖在本征半導(dǎo)體中摻入少量三價(jià)元素硼（或鋁、鎵、銦），能使半導(dǎo)體中的空穴濃度顯著增加。由于三價(jià)元素有3個(gè)價(jià)電子，它在取代硅（或鍺、砷化鎵）原子后，與相鄰的4個(gè)硅原子上的一個(gè)價(jià)電子構(gòu)成4個(gè)共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子，產(chǎn)生一個(gè)空位。在室溫下，相鄰原子的價(jià)電子很容易填補(bǔ)這個(gè)空位，從而產(chǎn)生一個(gè)空穴，而三價(jià)雜質(zhì)原子接受一個(gè)價(jià)電子從而變成一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)離子。返回目錄N型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入少量五價(jià)元素砷（或磷、銻），能使半導(dǎo)體中的自由電子濃度顯著增加，形成N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖返回目錄采用不同的摻雜工藝，通過擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。?dòng)態(tài)平衡包括兩種運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由于某些外部條件而使半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子存在濃度梯度的時(shí)候，將產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，即載流子由濃度高的位置向濃度低的位置運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)：內(nèi)電場內(nèi)少子在電場的作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。返回目錄光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個(gè)重要而神奇的現(xiàn)象，在光的照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來而形成電流，即光生電。光電現(xiàn)象由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，而正確的解釋為愛因斯坦所提出?？茖W(xué)家們對光電效應(yīng)的深入研究對發(fā)展量子理論起了根本性的作用。1905年，愛因斯坦提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)光電效應(yīng)光照射到金屬上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光變致電的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)（Photoelectriceffect）。光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)是被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象外光電效應(yīng)是被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象。返回目錄半導(dǎo)體的光電效應(yīng)光電效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸面上時(shí)，會(huì)在p-n結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢；

p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射p-n結(jié)時(shí)，由于內(nèi)建場的作用（不加外電場），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當(dāng)于p-n結(jié)上加一個(gè)正電壓；半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢（光生電壓）；如將p-n結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）。Pn太陽光在光激發(fā)下多數(shù)載流子濃度一般改變很小，而少數(shù)載流子濃度卻變化很大，因此應(yīng)主要研究光生少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng).PN結(jié)的光電效應(yīng)淺結(jié)pnp耗盡層n----------++++++++++空穴電子動(dòng)平衡時(shí)p

型與n

型接觸區(qū)域的電勢變化PN結(jié)的內(nèi)建電場無光照P型N型P型N型EfpEfnEf能級彎曲的原因：在熱平衡條件下，同一體系具有相同的費(fèi)米能級PN結(jié)的能帶圖光照時(shí)n區(qū)產(chǎn)生少子空穴，p區(qū)產(chǎn)生少子電子；在內(nèi)建電場的作用下，n區(qū)的空穴向p區(qū)運(yùn)動(dòng)，而p區(qū)的電子向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，使p端電勢升高，n端電勢降低；所以，光生電場由p端指向n端，使勢壘降低，產(chǎn)生正向電流IF；由于空穴向p區(qū)運(yùn)動(dòng)，所以在p-n結(jié)內(nèi)部形成自n區(qū)向p區(qū)的光生電流IL有光照光電池的電流電壓特性光電池：利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，而將光能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。即將PN結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會(huì)有源源不斷的電流流過電路，PN結(jié)起到了電源的作用。這類裝置叫光電池。PN結(jié)電流方程I：負(fù)載電流；IL：光生電流；Is：PN結(jié)反向飽和電流；V：PN結(jié)兩端電壓光電池的實(shí)際結(jié)構(gòu)柵指形狀（減少接觸電阻，盡量少擋住陽光）硅太陽能電池包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率接近25%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太