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太阳能电池工作原理解析

新能源 | 发布时间:2019-03-07 | 人气: | #评论# | 本文关键字:太阳能电池,工作原理,二极管,单结晶硅太阳能电池,多结晶硅太阳能电池,族化合物半导体,薄膜型太阳能电池
摘要:太阳能电池特性:太阳光电能是干净、无污染且随手可得的能源,而且是取的不尽、用的不竭。在化石能源逐渐短缺的今日,选择太阳光电能作为替代能源是解决能源危机的途径的一。然而太阳

太阳能电池特性:太阳光电能是干净、无污染且随手可得的能源,而且是取的不尽、用的不竭。在化石能源逐渐短缺的今日,选择太阳光电能作为替代能源是解决能源危机的途径的一。然而太阳能电池电池板(Solar Cell,在物理学上称为Photovoltaic Cell:简称PV)的成本高、效率低却成为它发展的重要瓶颈,因此如何在单位面积的内使太阳能电池发挥最大的发电量,就成为发展太阳能工业的一大研究重点。以下对太阳能电池原理做一简单的介绍。
1.2 太阳能电池的原理
太阳能电池的能量转换是应用pn接面的光伏效应(Photovoltaic Effect)。首先对pn 接面二极管做一简单说明,如图1 所示,为一理想的pn接面二极管的电流-电压(I-V)特性图,其对应的方程式如下:

式(1)
其中
V pn I pn:pn接面二极管的电流及电压
k : 波兹曼常数(Boltzmann Constant: 1.38×10-23 J/oK )
q : 电子电荷量(1.602×10-19 库仑)
T : 绝对温度(凯氏温度oK=摄氏温度℃+273 度)
Is : 等效二极管的反向饱和电流
VT: 热电压(Thermal Voltage:25.68mV)
pn接面二极管I-V特性图

   图1 pn接面二极管I-V特性图

太阳能电池将太阳光能转换为电能是依赖自然光中的的量子—光子(Photons),而每个光子所携带的能量为ph E :

式(2)
其中
h:普郎克常数(Planck Constant: 14.4×10-15 eV⋅S
c:光速(3×108 m/s )

λ:光子波长
但并非所有光子都能顺利地由太阳能电池将光能转换为电能,因为在不同的光谱中光子所携带的能量不一样,就如同pn 接面二极管:
1. 当外加能量大于能隙(Band Gap)时,电子由价电带(Valence Band)跃迁至导电带(Conduction Band)而产生所谓的“电流”,所以当光子所携带的能量若大于能隙时,便可以由光电子转换成电能,如图2所示。
2. 若光子所携带得能量小于能隙时,就对太阳能电池而言并没有什么作用,不会产生任何的电流。但在太阳光照射到太阳能电池产生电子-电洞对(Electro-Hole Pair)的同时,也会有部份的能量以热能形式散逸掉而不能被有效的利用。

太阳光照射在太阳能电池上的结构图

图2 太阳光照射在太阳能电池上的结构图
如上述所言,太阳光被吸收后产生电子-电洞对,在受到接面部份所形成的强电场的吸收,促使电子流入n 层且电洞流入p 层而形成电流。
        在其外部电路开路的状况下,因有载子(Carrier)流入,结果会使n 层带负电且p层带正电,而在pn两端的费米能阶(Fermil Level),则会产生电位差Voc (此Voc 乃是太阳光照射时的开路电压)。当外部负载变为短路时,就会有与入射光量成正比的短路电流通过。太阳能电池相当于具有与受光面平行的极薄pn 接面的大面积的等效二极管,因此可以假设太阳能电池为有一个二极管与太阳光电流的发生源所并联的等效电路,如图3 所示。
太阳能电池理想状态等效电路
            图3 太阳能电池理想状态等效电路

1.3 太阳能电池的种类
目前市面上的太阳能电池的分类及其在市场上的占有率如图4和图5所示。大致上可分为堆积型(Bulk Type)和薄膜型(Thin Film Type)两种,介绍如下:

太阳电池种类
                 图4 太阳电池种类

各种太阳能电池的市场占有率

   图5 各种太阳能电池的市场占有率
堆积型太阳能电池又可分为:

责任编辑:太阳能电池

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