太陽能電池片科普系列——發(fā)電原理篇

:太陽能光伏發(fā)電一般指能利用半導(dǎo)體直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種能源形式。晶硅類太陽能電池是最普遍的一種形式，太陽能電池起源于1839年，法國貝克勒爾是第一個發(fā)現(xiàn)了液態(tài)電解質(zhì)的光生伏特現(xiàn)象的科學(xué)家。其一般構(gòu)造如圖所示，在基體硅中滲入棚原子以后，便會產(chǎn)生空穴。同理，在基體硅中摻入磷原子以后，由于磷原子相比于硅原子，其最外層是具有五個電子的特殊結(jié)構(gòu)，相比于硅原子的四電子結(jié)構(gòu)就會有多出來的一個電子變得非?；钴S，叫做N型半導(dǎo)體。晶體硅太陽能電池片主要是用硅半導(dǎo)體材料作為基體制成較大面積的平面PN結(jié)，即在規(guī)格大約為15 cm×15 cm的P型硅片上經(jīng)擴散爐擴散磷原子，擴散出一層很薄的經(jīng)過重?fù)诫s的N型層。然后經(jīng)刻蝕到達(dá)PECVD在整個N型層表面上鍍上一層減反射膜用來減少太陽光的反射損失，達(dá)到絲網(wǎng)在擴散面印刷上金屬柵線作為太陽能電池片的正面接觸電極。在刻蝕面印刷金屬膜，作為太陽能電池片的背面歐姆接觸電極，并燒結(jié)封裝。

當(dāng)有具定能量的光子照射到太陽能電池片上時，會生成許多新的電子-空穴對。因為電池材料的不斷吸收導(dǎo)致入射光強不斷減小，因此沿著入射方向，電池片內(nèi)部電子-空穴對的密度逐漸減小，在濃度差的作用下電子-空穴對向著電池片內(nèi)部做擴散運動。當(dāng)電子-空穴對擴散達(dá)到PN結(jié)界限時，會在內(nèi)建電場的作用下被拆分，空穴、電子受力從而被推向P區(qū)和N區(qū)，如果此時電路正處于開路的狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴就會分別集聚在P區(qū)和N 區(qū)周圍，P區(qū)便會得到附加正電荷，同理N區(qū)便會得到附加負(fù)電荷，P區(qū)與N區(qū)累積的正負(fù)電荷就會在PN結(jié)上產(chǎn)生光生電動勢，若此時接通太陽能電池片的正負(fù)極就會形成電流。此時PN結(jié)的內(nèi)部就會形成了由N區(qū)指向P區(qū)的光生電流產(chǎn)生。

光生電流示意圖

一、P型半導(dǎo)體的形成

如圖，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子

當(dāng)硅晶體中摻入硼時（如下圖），負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有三個電子，所以就會產(chǎn)生入圖所示的藍(lán)色的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩(wěn)定容易吸收電子而中和，形成P型半導(dǎo)體。

二、N型半導(dǎo)體的形成

如上圖所示，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子 。

摻入磷原子以后（如上圖），因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非?；钴S，形成N型半導(dǎo)體。黃色代表摻入的磷原子，紅色代表多出來的電子。

三、P-N結(jié)的形成

將一塊P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體緊密連接在一起，這種緊密連接不能有縫隙，是一種原子半徑尺度上的緊密連接。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程。值得注意的是太陽能電池片在現(xiàn)實當(dāng)中，是不能夠?qū)崿F(xiàn)P型和N型兩種類型電池接觸而形成PN結(jié)的，因為沒辦法做到分子級別拼接，實際生產(chǎn)過程中多為在P型硅的基礎(chǔ)上單面擴散制得N型。

圖中蘭色小圓為多子電子；紅色小圓為多子空穴。N型半導(dǎo)體中的多子電子的濃度遠(yuǎn)大于P型半導(dǎo)體中少子電子的濃度；P型半導(dǎo)體中多子空穴的濃度遠(yuǎn)大于N型半導(dǎo)體中少子空穴的濃度。于是在兩種半導(dǎo)體的界面上會因載流子的濃度差發(fā)生了擴散運動，見上圖。

隨著擴散運動的進(jìn)行，在界面N區(qū)的一側(cè)，隨著電子向P區(qū)的擴散，雜質(zhì)變成正離子；在界面P區(qū)的一側(cè)，隨著空穴向N區(qū)的擴散，雜質(zhì)變成負(fù)離子。雜質(zhì)在晶格中是不能移動的，所以在N型和P型半導(dǎo)體界面的N型區(qū)一側(cè)會形成正離子薄層；在P型區(qū)一側(cè)會形成負(fù)離子薄層。這種離子薄層會形成一個電場，方向是從N區(qū)指向P區(qū)，稱為內(nèi)電場，見下圖。

內(nèi)電場的出現(xiàn)及內(nèi)電場的方向會對擴散運動產(chǎn)生阻礙作用，限制了擴散運動的進(jìn)一步發(fā)展。在半導(dǎo)體中還存在少子，內(nèi)電場的電場力會對少子產(chǎn)生作用，促使少數(shù)載流子產(chǎn)生漂移運動。

我們稱從N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場為PN結(jié)，簡單的描述為：N型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而P型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這樣，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是PN結(jié)。

電池組件受照射時，輸出電功率與入射光功率之比稱為電池組件的效率也稱光電轉(zhuǎn)換效率。

傳統(tǒng)晶硅太陽能電池效率的理論極限為28.8%(此處不包含硅基復(fù)合其他材料太陽能電池)

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