光電池工作原理

光電池工作原理目前，光電池的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣，作為一名華北電力大學(xué)的學(xué)生，生活在保定已三年，保定的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)異常發(fā)達(dá)，在全國(guó)也算是數(shù)一數(shù)二。保定的太陽(yáng)能運(yùn)用非常多，可謂地道的低碳都市。例如有些十字路口的紅綠燈，街邊的路燈，以及公交車站都是由太陽(yáng)能電池作為能源控制的。在這樣的環(huán)境下，筆者查閱了有關(guān)資料，對(duì)光電池的原理進(jìn)行某些淺述。首先，先理解一下光電池的定義：光電池是一種在光的照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的半導(dǎo)體元件。光電池的種類諸多，常用有硒光電池、硅光電池和硫化鉈、硫化銀光電池等。重要用于儀表，自動(dòng)化遙測(cè)和遙控方面。有的光電池可以直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這種光電池又叫太陽(yáng)能電池。要想理解光電池的原理，首先要理解一下PN結(jié)的有關(guān)知識(shí)。人們把半導(dǎo)體材料分為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。根據(jù)《電工學(xué)》簡(jiǎn)介，硅原子是一種半導(dǎo)體材料。在本征半導(dǎo)體的晶體構(gòu)造中，每一種原子與相鄰的四個(gè)原子結(jié)合。每一種原子的一種價(jià)電子與另一種原子的一種價(jià)電子構(gòu)成一種電子對(duì)。這對(duì)價(jià)電子是每?jī)蓚€(gè)相鄰原子共有的，它們把相鄰原子結(jié)合在一起，構(gòu)成所謂共價(jià)鍵的構(gòu)造。假如在硅或者鍺的晶體中摻入磷（或者其他五價(jià)元素），由于林原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，而摻入的磷原子較少，整個(gè)晶體構(gòu)造基本上不變，導(dǎo)致某些位置上的硅原子被磷原子取代，磷原子參與共價(jià)鍵構(gòu)造只需要四個(gè)價(jià)電子，多出的第五個(gè)價(jià)電子很輕易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子，于是自由電子成了這種半導(dǎo)體的重要導(dǎo)電方式，我們稱這種半導(dǎo)體為N型半導(dǎo)體。同理，假如在硅或者鍺的晶體中摻入三價(jià)元素，則每個(gè)三價(jià)元素周圍會(huì)多出一種空穴，而空穴則成為這種半導(dǎo)體的重要導(dǎo)電方式，我們稱這種半導(dǎo)體為P型半導(dǎo)體。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一種特殊的薄層，界面的P型一側(cè)帶負(fù)電，N型一側(cè)帶正電，形成P-N結(jié)。另一方面，光電池原理的另一種重要理論根據(jù)是光伏效應(yīng)原理。光生伏特效應(yīng)是指半導(dǎo)體在受到光照射時(shí)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。詳細(xì)地說(shuō)，假如光線照射在太陽(yáng)能電池上并且光在界面層被吸取，具有足夠能量的光子可以在P型硅和N型硅中將電子從共價(jià)鍵中激發(fā)，以致產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。界面層附近的電子和空穴在復(fù)合之前，將通過(guò)空間電荷的電場(chǎng)作用被互相分離。電子向帶正電的N區(qū)和空穴向帶負(fù)電的P區(qū)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)界面層的電荷分離，將在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一種向外的可測(cè)試的電壓。此時(shí)可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對(duì)晶體硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，開(kāi)路電壓的經(jīng)典數(shù)值為0.5～0.6V。通過(guò)光照在界面層產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)越多，電流越大。界面層吸取的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽(yáng)能電池中形成的電流也越大。光電池的工作原理正是基于“光生伏特效應(yīng)”。理解了以上兩條基本知識(shí)，我們不難理解，光電池實(shí)質(zhì)上是一種大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一種面，例如P型面時(shí)，若光子能量不小于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸取一種光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴，電子-空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)的作用下，最終建立一種與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。假如這時(shí)，我們把它作為一種電源，接上外電路，只要保證有源源不停的光照，那么光電池就會(huì)源源不停的供電，這就是光電池。通過(guò)查閱資料，筆者理解到光電池有如下幾種重要特性：1、光譜特性：光電池對(duì)不一樣波長(zhǎng)的光的敏捷度是不一樣的。光譜響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)是不一樣的，硅光電池波長(zhǎng)在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為0.4~1.2μm，而硒光電池只能為0.38~0.75μm。可見(jiàn)，硅光電池可以在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)得到應(yīng)用。2、光照特性：光電池在不一樣光照度下，其光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不一樣的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度呈線性關(guān)系，開(kāi)路電壓（即負(fù)載電阻RL無(wú)限大時(shí)）與光照度的關(guān)系是非線性的，并且當(dāng)照度在lx時(shí)就趨于飽和了。因此用光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來(lái)使用，不適宜用作電壓源。3、溫度特性：光電池的溫度特性是描述光電池的開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的狀況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。開(kāi)路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增長(zhǎng)。由于溫度對(duì)光電池的工作有很大影響，因此把它作為測(cè)量元件使用時(shí)，最佳能保證溫度恒定或采用溫度賠償措施。光電池應(yīng)用廣泛，而光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成也比較簡(jiǎn)樸。不管是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電,光伏發(fā)電系統(tǒng)重要由太陽(yáng)電池的等效電路由太陽(yáng)能電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分構(gòu)成，它們重要由電子元器件構(gòu)成，不波及機(jī)械部件,因此,光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉,可靠穩(wěn)定壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便。理論上講,光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場(chǎng)所,上至航天器,下至家用電源,大到兆瓦級(jí)電站,小到玩具,光伏電源無(wú)處不在。以晶體硅材料制備的太陽(yáng)能電池重要包括：?jiǎn)尉Ч琛⒍嗑Ч?、非晶硅和薄膜電池等。單晶硅電池具有電池轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好，不過(guò)成本較高；非晶硅太陽(yáng)電池則具有生產(chǎn)效率高，成本低廉，不過(guò)轉(zhuǎn)換效率較低，并且效率衰減得比較厲害；鑄造多晶硅太陽(yáng)能電池則具有穩(wěn)定得轉(zhuǎn)換的效率，并且性能價(jià)格比最高；薄膜晶體硅太陽(yáng)能電池則目前還只能處在研發(fā)階段。目前，鑄造多晶硅太陽(yáng)能電池已經(jīng)取代直拉單晶硅成為最重要的光伏材料。不過(guò)鑄造多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率略低于直拉單晶硅太陽(yáng)能電池，材料中的多種缺陷，如晶界、位錯(cuò)、微缺陷，和材料中的雜質(zhì)碳和氧，以及工藝過(guò)程中玷污的過(guò)渡族金屬被認(rèn)為是電池轉(zhuǎn)換效率較低的關(guān)鍵原因，因此有關(guān)鑄造多晶硅中缺陷和雜質(zhì)規(guī)律的研究，以及工藝中采用合適的吸雜，鈍化工藝是深入提高鑄造多晶硅電池的關(guān)鍵。目前量產(chǎn)的單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率在17%左右，多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率在16%左右。而薄膜電池量產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%左右。光電池?fù)碛蟹浅V闊的前景，太陽(yáng)能是一種清潔能源，取之不盡，用之不竭，一旦光電伏特計(jì)系統(tǒng)被安裝，就能將源源不停的光能轉(zhuǎn)換成電能，它能提在數(shù)年內(nèi)提供能量而不需要花費(fèi)，并且只需要最小的維護(hù)。目前，光伏發(fā)電產(chǎn)品重要用于三大方面：一是為無(wú)電場(chǎng)所提供電源，重要為廣大無(wú)電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力，尚有微波中繼電源、通訊電源等，此外，還包括某些移動(dòng)電源和備用電源；二是太陽(yáng)能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽(yáng)能充電器、太陽(yáng)能路燈和太陽(yáng)能草坪燈等；三是并網(wǎng)發(fā)電，這在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)大面積推廣實(shí)行。我國(guó)并網(wǎng)發(fā)電尚未起步，不過(guò)，北京奧運(yùn)會(huì)部分用電將會(huì)由太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電提供。目前，中國(guó)生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池在全球市場(chǎng)擁有率高達(dá)60%以上，但幾乎所有都是硅基。雖然中國(guó)是硅原料生產(chǎn)大國(guó)，但卻不掌握硅提純技術(shù)，因此太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)所需的硅原料完全依賴進(jìn)口，伴隨國(guó)際上硅原料成本不停上漲，中國(guó)的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)利潤(rùn)日益水平日益下降。另首先，由于中國(guó)政府沒(méi)有針對(duì)太陽(yáng)能的實(shí)質(zhì)性補(bǔ)助政策，中國(guó)太陽(yáng)能的產(chǎn)能基本只能所有出口，而伴隨太陽(yáng)能重要市場(chǎng)如歐洲和北美的貿(mào)易保護(hù)日益嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)狀況日益嚴(yán)峻。因此，國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)面臨著巨大的轉(zhuǎn)型壓力，而轉(zhuǎn)型的方向，就是基于染料敏化氧化鈦技術(shù)的薄膜太陽(yáng)能電池方向。薄膜電池的優(yōu)勢(shì)重要是制造工藝簡(jiǎn)樸，成本低廉，且理論上相比硅具有對(duì)弱光敏感度高，全天合計(jì)發(fā)電時(shí)間大幅高于硅基電池等方面。目前國(guó)際上薄膜電池技術(shù)最強(qiáng)，產(chǎn)業(yè)化程度最高的國(guó)家是日本，使用第四代染料敏化技術(shù)，他們的薄膜電池已經(jīng)能做到硅基電池的1/3-1/4的成本，轉(zhuǎn)化