太陽能電池板原理.ppt

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電能。這是一個誘人的承諾：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，以及為什么在這項技術具有成本效益之前我們還有許多研究工作要做。,將光子轉(zhuǎn)換為電子 計算器和人造衛(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框架內(nèi)的電

2、池）。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）電池由半導體材料制成，比如硅就是目前最常用的一種半導體。當光照射電池時，有一部分光會被半導體材料吸收。這意味著吸收的光能將傳給半導體。能量會導致電子逸出，使它們可以自由流動。光伏電池中還有一個或多個電場，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，我們可以將電流引出來，以供使用

3、。例如，電流可以為計算器供電。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（或者瓦特數(shù)）。 這是發(fā)電的基本過程，但是實際情況要復雜得多。讓我們來深入研究一個光伏電池的示例：單晶硅電池。 硅有一些特別的化學特性，尤其是它的晶體結(jié)構(gòu)。硅原子含有14個電子，排列在三個不同的核外電子層中。距離原子核最近的頭兩個電子層完全填滿。而最外層電子則處于半滿狀態(tài)，只有四個電子。硅原子始終會想方設法填滿最外面的電子層（即希望有八個電子）。為此，它會與相鄰硅原子的四個電子共享自身的電子，這就好比每個原子與周圍原子握手一樣，只是在這種情況下，每個原子有四只手與四個鄰居相握。這就形成了晶體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對于

4、這種類型的光伏電池具有重要的意義。,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體，因為它的電子不能像銅這樣的導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。我們通常認為雜質(zhì)是某種不好的東西，但在這個例子中，如果沒有這些雜質(zhì)，電池就無法工作。實際上，這些雜質(zhì)是有意添加到硅中的?？紤]硅與一個位置不定的磷原子在一起的情況，也許每一百萬個硅原子配上一個磷原子。磷原子的外電子層有五個電子，而不是四個。它仍然要與硅周圍的原子結(jié)合，但從某種意

5、義上講，磷原子有一個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。 當把能量加到純硅中時（比如以熱的形式），它會導致幾個電子脫離其共價鍵并離開原子。每有一個電子離開，就會留下一個空穴。然后，這些電子會在晶格周圍四處游蕩，尋找另一個空穴來安身。這些電子被稱為自由載流子，它們可以運載電流。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，只需很少的能量即可使磷原子的某個“多余”的電子逸出，因為這些電子沒有結(jié)合到共價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

6、中多得多的自由載流子。有意添加雜質(zhì)的過程被稱為摻雜，當利用磷原子摻雜時，得到的硅被成為N型（“n”表示負電），因為硅里面有很多自由電子。與純硅相比，N 型摻雜硅是一種性能好得多的導體。,實際上，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而不是四個電子，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▽嶋H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，有趣的情形發(fā)生了。切記，每塊光伏電池至少有一個電場。沒有電場，電池就無法工作，而此電場是在N型硅和P型硅接觸的時候形成的。突然，N

7、側(cè)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。當空穴和電子在N型硅和P型硅的交界處混合時，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，那么整個準備工作就沒有什么意義了。不過，在交界處，它們確實會混合形成一道屏障，使得N側(cè)的電子越來越難以抵達P側(cè)。最終會達到平衡狀態(tài)，這樣我們就有了一個將兩側(cè)分開的電場。,這個電場相當于一個二極管，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

8、頭（到達N側(cè)），卻不能向上攀升（到達P側(cè)）。 這樣，我們就得到了一個作用相當于二極管的電場，其中的電子只能向一個方向運動。讓我們來看一下在太陽光照射電池時會發(fā)生什么。 當光以光子的形式撞擊太陽能電池時，其能量會使電子空穴對釋放出來。 每個攜帶足夠能量的光子通常會正好釋放一個電子，從而產(chǎn)生一個自由的空穴。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)。這會導致電中性進一步被破壞，如果我們提供一個外部電流通路，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

9、電場產(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,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（進而產(chǎn)生的一系列能級）組成。（有關電磁頻譜的詳細介紹，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。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。只有達到一定的能量單位為電子伏特（e

10、V），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，但這種效應并不重要）。僅這兩種效應就會造成電池中70%左右的輻射能損失。 光伏電池的工作原理,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（進而產(chǎn)生的一系列能級）組成。（有關電磁頻譜的詳細介紹，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。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。只有達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，但這種效應并不重要）。僅這兩種效應就會造成電池中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，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，對于由單一材料制成的電池，這個值約為1.4電子伏特。,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體）。如果我們只在電池的兩側(cè)設置觸點，則電子需要經(jīng)過很長一段距離（對于電子而言）才能抵達接觸點。要知道，硅是半導體，它傳輸電流的

13、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。 在實際使用電池之前，還要執(zhí)行其他幾個步驟。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，這些電池放在一個

14、堅固的框架中，后部分別引出正極端子和負極端子，并用玻璃蓋板封上。,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。這項技術可大大提高效率。這樣的電池稱為多接面電池，它們可以有多個電場。

15、 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，但也不是特別復雜。,首先，并非每個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)應指向正南（這是方位）。它們應該以該地區(qū)緯度來設定傾斜角度，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。當然，不管在一天或者一年中的什么時間，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，那么您還需要確定自

16、己需要的系統(tǒng)規(guī)模。這是一項復雜的工作，因為發(fā)電量取決于天氣情況，而天氣從來都是不可完全預測的，并且您的用電需求也會隨時發(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、濕度和其他更細微的因素。您在設計時應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。有了這個數(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。,您可能已經(jīng)猜到我們要解決的幾個問題了。首先，在沒有太陽光照射時我們應該怎么做

17、？當然，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工作。但是在目前，電池還是一個必需品，因為只有這樣才能完全擺脫天氣的影響。繞開這個問題的一個方法是，將房子與電網(wǎng)相連，從而可以在需要電的時候買電，而在發(fā)電量超過需要時賣電。這樣，電網(wǎng)實際上充當了一個巨大的能量存儲系統(tǒng)。當然，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格將比它們售電的價格低得多。您還需要特殊的設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。安全性也是一個問題。電網(wǎng)需要確保如果在您的住

18、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的，并且在一定年限之后需要更換。光伏模塊應該可以使用20年或者更長的時間，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，因此您需要為它們提供一個通風良好的非金屬外殼。,盡管常用的電池有好幾種類型，但它們都有一個共同的特性，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，同時還能保持較長的壽命。汽車電池在很短的時間內(nèi)會釋放很大的電流來啟動您的汽車，并且在您駕駛時立即充電。光伏

19、電池通常需要經(jīng)過較長的時段（如整夜時間）才會釋放出較小的電流，并在整個白天進行充電。 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，一旦電池電量消耗到一定水平（

20、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。,另一個問題是，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。因此您需要一個換流器，這是一種能將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的設備。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際上在每個模塊中內(nèi)置了一個換流器，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,配備了安裝硬件、接線、接線盒、接地設備、過電流保護、直流和交流斷路器以及其他附件之后，您就有了一個自己的系統(tǒng)。安裝時必須遵守電氣法規(guī)（美國國家電氣法規(guī)（National Electr