文档介绍：21 光伏电池张翼飞清华大学物理系基科 05 “地球提供的能量足够每个人的需要,但并非人人懂得索取。”——莫罕达斯· 卡拉姆昌德· 甘地太阳能是一种取之不尽的可再生能源, 是所有能源的最终来源, 而电能是最高品位的能源。利用能源的一个美好的憧憬大概就是高效地把太阳能转化成电能, 并且价格低廉, 还要运用具有建筑特性的常见的材料, 因此可以用这些太阳能电池代替其他的结构( 比如说房顶的瓦片)。 历史概览人们已经向着这个美好的梦想努力有一段时间了。在 1839 年, 埃德蒙· 贝克勒尔如果把装有银质电极的电池放在阳光下,它的电压会提高。在 1833 年,查尔斯· 埃德加· 弗瑞德用锗半导体上覆上一层极薄的金层上, 第一次制成了太阳能电池。但他的电池只有不到百分之一的效率。到了 1954 年,达里尔· 查平和其他贝尔实验室的科学家用半导体硅制成了效率达到 6 %的太阳能电池。截止到现在,设计的提高和改善已经可以把效率提高到 25%。 基本原理阿尔伯特· 爱因斯坦给光伏电池的工作原理提供了理论支持,并因此获得 1921 年的诺贝尔物理学奖。像硅和锗之类的物质都是半导体,也就是说点的不良导体,但并不绝缘。它们都有 4 个最外层电子, 这几个电子用来与其它四个硅原子或者锗原子相连而构成正四面体形晶格。因为所有的四个价电子都用来形成共价键,在晶格中没有多余的自由电子来形成电流。然而如果晶体受热或者受到光或短波辐射(也即高能辐射)的照射,一些价电子可以脱离, 进而晶体可以导电。但是能够导电还远远不够: 我们需要一个能够在两极之间产生电压的装置,因而可以使电子产生定向流动。现在应用半导体掺渗技术已经做到了这一点。半导体掺渗技术要求附加两个半导体结构:n 型和 p型(n 是负极 p 是正极)。生产 n 极时, 在硅中掺入极少量(通常是百万分之一)的价电子数为五的原子(通常是磷) 。因为晶体中的磷原子在构成晶格时, 被迫与其他四个最近的原子以共价键结合形成正四面体结构, 这样就空出了一个电子。既然这些电子没有用来成键,想让它们逃逸就变得比较容易,事实上, 大多数这类电子最终会在晶体中自由移动。生产 p 极时,需要引入价电子为三的原子(例: 硼) 。这在晶体中可产生电子空穴。图 太阳能电池单元中的 n-p 半导体电荷传播示意图一个太阳能单元同时拥有n极和p 极半导体。P极和n 极电极板相对放置用来形成电场。 n 极中的自由电子便会去填充 p 极中的空穴。在这两种材料放到一起之前, 它们都是电中性的: 总电子数等于核电荷数。但是一旦组成电池单元情况便不再如此。n 极的电子移动之后, 会产生正电, 同理 p 极会产生负电。负电荷产生电场从而阻止更多的电子从连接处过来而填满所有的空穴(见图 ) 。在实质上,我们有一个装置可以使电子单向流动:二极管。任何因受光照射而逃逸的自由电子,都会被吸引到电场高电势处,经由连接处流向 n极。通过把 n 极和 p 极安放在连接处( 经由外部导体) 的两侧, 这些电子将会慢慢地回到 p 极半导体处,这样就产生了电流,因而可以用来做功。为了理解太阳能电池单元的工作细节, 尤其是为了解释为什么效率总是低于 100 %的根本原因, 我们需要考虑自然中光辐射的一些现象。好比热机中的卡诺循环。答案就是自然观的能量是有限