太阳能电池的工作原理详解

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：下面以典型的晶体硅太阳能电池的结构为例，进一步说明太阳能电池的基本工作原理。简单地说，太阳光电的发电原理，是利用太阳能电池吸收0.4～1.1μm波长的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。在太阳光照射时，太阳能电池输出电压的极性以P型侧电极为正，N型侧电极为负。

太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

1.光—热—电转换

光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸汽，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20亿～25亿美元，平均1kW的投资为2000亿～2500亿美元。因此，只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

2.光—电直接转换

太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的。黑体（如太阳）辐射出不同波长（对应于不同频率）的电磁波，如红外线、紫外线、可见光等。当这些射线照射在不同导体或半导体上，光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高，例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能，值得注意的是光电效应与射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155e V，因此只有波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。

3.晶体硅太阳能电池的结构

通常我们所讲的光伏发电就是指光—电直接转换型。下面以典型的晶体硅太阳能电池的结构为例（图3-3），进一步说明太阳能电池的基本工作原理。

pagenumber_ebook=49,pagenumber_book=43

图3-3　典型的晶体硅太阳能电池的结构图

太阳能电池的基本构造是运用P型与N型半导体结合而成的，这种结构称为一个PN结。

当太阳光照射到一般的半导体（例如硅）时，会产生电子与空穴对，但它们很快地便会结合，并且将能量转换成光子或声子（热），因此电子与空穴的生命期甚短；在P型中，由于具有较高的空穴密度，光产生的空穴具有较长的生命期，同理，在N型半导体中，电子有较长的生命期。

在PN半导体结合处，由于有效载流子浓度不同而造成的扩散，将会产生一个由N指向P的电场，因此当光子被结合处的半导体吸收时，所产生的电子将会受电场作用而移动至N型半导体处，空穴则移动至P型半导体处，因此便能在两侧累积电荷，若以导线连接，则可产生电流，这就是太阳能电池发电的原理。简单地说，太阳光电的发电原理，是利用太阳能电池吸收0.4～1.1μm波长（针对硅晶）的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。

硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构，P+和N+，表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型；N和P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。在太阳光照射时，太阳能电池输出电压的极性以P型侧电极为正，N型侧电极为负。

太阳能电池的工作原理详解

相关推荐