太陽(yáng)能電池的工作原理 太陽(yáng)能電池的構(gòu)造介紹

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(dāng)空穴和電子在N型硅和P型硅的交界處混合時(shí),，中性就被破壞了,。所有自由電子會(huì)填充所有空穴嗎？不會(huì),。如果是這樣,，那么整個(gè)準(zhǔn)備工作就沒有什么意義了。不過,，在交界處，它們確實(shí)會(huì)混合形成一道屏障,，使得N側(cè)的電子越來越難以抵達(dá)P側(cè),。最終會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)，這樣我們就有了一個(gè)將兩側(cè)分開的電場(chǎng),。

這個(gè)電場(chǎng)相當(dāng)于一個(gè)二極管,，允許（甚至推動(dòng)）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頭（到達(dá)N側(cè)）,，卻不能向上攀升（到達(dá)P側(cè)）。

這樣,，我們就得到了一個(gè)作用相當(dāng)于二極管的電場(chǎng),，其中的電子只能向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。讓我們來看一下在太陽(yáng)光照射電池時(shí)會(huì)發(fā)生什么,。

當(dāng)光以光子的形式撞擊太陽(yáng)能電池時(shí),，其能量會(huì)使電子空穴對(duì)釋放出來,。

每個(gè)攜帶足夠能量的光子通常會(huì)正好釋放一個(gè)電子，從而產(chǎn)生一個(gè)自由的空穴,。如果這發(fā)生在離電場(chǎng)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(chǎng)會(huì)將電子送到N側(cè),，將空穴送到P側(cè),。這會(huì)導(dǎo)致電中性進(jìn)一步被破壞，如果我們提供一個(gè)外部電流通路,，則電子會(huì)經(jīng)過該通路,，流向它們的原始側(cè)（P側(cè)），在那里與電場(chǎng)發(fā)送的空穴合并,，并在流動(dòng)的過程中做功,。電子流動(dòng)提供電流，電池的電場(chǎng)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(yáng)光的能量,？遺憾的是，此處介紹的簡(jiǎn)易電池對(duì)太陽(yáng)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(huì)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(zhǎng)（進(jìn)而產(chǎn)生的一系列能級(jí)）組成,。（有關(guān)電磁頻譜的詳細(xì)介紹，請(qǐng)參閱狹義相對(duì)論基本原理,。）

光可分為不同波長(zhǎng),，我們可以通過彩虹看出這一點(diǎn)。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(duì),。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(qiáng),。只有達(dá)到一定的能量 -- 單位為電子伏特（eV），由電池材料（對(duì)于晶體硅,，約為1.1eV）決定——才能使電子逸出,。我們將這個(gè)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(huì)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(duì),，但這種效應(yīng)并不重要）。僅這兩種效應(yīng)就會(huì)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,，帶隙還決定了電場(chǎng)強(qiáng)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(shí),，也會(huì)損失一定的電壓,。請(qǐng)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(yīng),，對(duì)于由單一材料制成的電池，這個(gè)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(dǎo)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(dǎo)體,，這樣就會(huì)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(dǎo)體）。如果我們只在電池的兩側(cè)設(shè)置觸點(diǎn),，則電子需要經(jīng)過很長(zhǎng)一段距離（對(duì)于電子而言）才能抵達(dá)接觸點(diǎn),。要知道，硅是半導(dǎo)體,，它傳輸電流的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(dāng)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(dòng)的距離,，同時(shí)只覆蓋電池表面的一小部分。即使是這樣,，有些光子也會(huì)被網(wǎng)格阻止,，網(wǎng)格不能太小，否則它自身的電阻就會(huì)過高,。

在實(shí)際使用電池之前,，還要執(zhí)行其他幾個(gè)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(gè)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(hù)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(jí),，這些電池放在一個(gè)堅(jiān)固的框架中,，后部分別引出正極端子和負(fù)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(duì)不同的波長(zhǎng)或不同能量的光子進(jìn)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(xiàng)技術(shù)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(gè)電場(chǎng),。