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太阳光线
上电极
N型硅
p型硅
一、太阳能电池的物理基础
当太阳光照射p—n结时,在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子,相应地便产生了电子——空穴对,并在势垒电场的作用下,电子被驱向型区,空穴被驱向P型区,从而使凡区有过剩的电子,P区有过剩的空穴。于是,就在P—n结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。
如果半导体内存在P—N结,则在P型和N型交界面两边形成势垒电场,能将电子驱向N区,空穴驱向P区,从而使得N区有过剩的电子,P区有过剩的空穴,在P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。
阳光
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制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种,因此太阳电池的种类也很多。目前,技术最成熟,并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例,详细介绍太阳能电池的工作原理。
1、本征半导体
物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素,它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子,在外电场的作用下产生定向移动,形成电流。高价元素(如惰性气体)或高分子物质(如橡胶),它们的最外层电子受原子核束缚力很强,很难成为自由电子,所以导电性极差,成为绝缘体。常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)均为四价元素,它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚,也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧,因而其导电性介于二者之间。
将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体,即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,相邻的原子形成共价键。
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晶体中的共价键具有极强
的结合力,因此,在常温下,仅有极少数的价电子由于热运动(热激发)获得足够的能量,从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子。与此同时,在共价键中留下一个空穴。原子因失掉一个价电子而带正电,或者说空穴带正电。在本征半导体中,自由电子与空穴是成对出现的,即自由电子与空穴数目相等。
自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,使两者同时消失,这种现象称为复合。在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电子和空穴对数目相等,故达到动态平衡。
能带理论:
1、单个原子中的电子在绕核运动时,在各个轨道上的电子都各自具有特定的能量;
2、越靠近核的轨道,电子能量越低;
3、根据能量最小原理电子总是优先占有最低能级;
4、价电子所占据的能带称为价带;
5、价带的上面有一个禁带,禁带中不存在为电子所占据的能级;
6、禁带之上则为导带,导带中的能级就是价电子挣脱共价键束缚而成为自由电子所能占据的能级;
7、禁带宽度用Eg表示,其值与半导体的材料及其所处的温度等因素有关。T=300K时,硅的Eg=;锗的Eg=。
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导带
禁带
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2、杂质半导体
杂质半导体:通过扩散工艺,在本征半导体中掺入少量杂质元素,便可得到杂质半导体。按掺入的杂质元素不用,可形成N型半导体和P型半导体;控制掺入杂质元素的浓度,就可控制杂质半导体的导电性能。
N型半导体:在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了N型半导体。
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由于杂质原子的最外层有
五个价电子,所以除了与其周围硅原子形成共价键外,还多出一个电子。多出的电子不受共价键的束缚,成为自由电子。N型半导体中,自由电子的浓度大于空穴的浓度,故称自由电子为多数载流子,空穴为少数载流子。由于杂质原子可以提供电子,故称之为施主原子。
P型半导体:在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了P型半导体。
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由于杂质原子的最外层有三个价电子,所以当它们与其周围硅原子形成共价键时,就产生了一个“空位”,当硅原子的最外层电子填补此空位时,其共价键中便产生一个空穴。因而p型半导体中,空穴为多子,自由电子为少子。因杂质原子中的空位吸收电子,故称之为受主原子。
3、PN结
PN结:采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成PN结。
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扩散运动:物质
总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动,这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。当把P型半导体和N型半导体制作在一起时,在它们的交界面,两种载流子的浓度差很大,因而P区的空穴必然向N区扩散,与此同时,N区的自由电子也必然向P区扩散,如图示。由于扩散到P区的自由电子与空穴复合,而扩散到N区的空穴与自由电子复合,所以在交界面附近多子的浓度下降,P区出现负离子区,N区出现正离子区,它们是不能移动的,称为空间电荷区,从而形成内建电场£。
随着扩散运动的进行,空间电荷区加宽,内建电场增强,其方向由N区指向P区,正好阻止扩散运动的进行。
漂移运动:在电场力作用下,载流子的运动称为漂移运动。
当空间电荷区形成后,在内建电场作用下,少子产生飘移运动,空穴从N区向P区运动,而自由电子从P区向N区运动。在无外电场和其它激发作用下,参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目,从而达到动态平衡,形成PN结,如图示。此时,空间电荷区具有一定的宽度,电位差为£=Uho,电流为零。
二、太阳能电池工作原理
1、光生伏打效应:
太阳能电池能量转换的基础是半导体PN结的光生伏打效应。如前所述,当光照射到半导体光伏器件上时,能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中,在N区、耗尽区和P区中激发出光生电子一空穴对。
耗尽区:光生电子--空穴对在耗尽区中产生后,立即被内建电场分离,光生电子被送进N区,光生空穴则被推进P区。根据耗尽近似条件,耗尽区边界处的载流子浓度近似为0,即p=n=O。
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在N区中:光生电子一空穴对产生以后,光生空穴便向P-N结边界扩散,一旦到达P-N结边界,便立即受到内建电场作用,被电场力牵引作漂移运动,越过耗尽区进入P区,光生电子(多子)则被留在N区。
在P区中:的光生电子(少子)同样的先因为扩散、后因为漂移而进入N区,光生空穴(多子)留在P区。如此便在P-N结两侧形成了正、负电荷的积累,使N区储存了过剩的电子,P区有过剩的空穴。从而形成与内建电场方向相反的光生电场。
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光生电场
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1•光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外,还使P区带正电,N区带负电,在N区和P区之间的薄层就产生电动势,这就是光生伏打效应。当电池接上一负载后,光电流就从P区经负载流至N区,负载中即得到功率输出。
如果将P-N结两端开路,可以测得这个电动势,称之为开路电压Uoc。对晶体硅电池来说,〜。
如果将外电路短路,则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过,这个电流称为短路电流Isc。
影响光电流的因素:
1•通过光照在界面层产生的电子-空穴对愈多,电流愈大。
2•界面层吸收的光能愈多,界面层即电池面积愈大,在太阳电池中形成的电流也愈大。
太阳能电池的N区、耗尽区和P区均能产生光生载流子;
各区中的光生载流子必须在复合之前越过耗尽区,才能对光电流有贡献,所以求解实际的光生电流必须考虑到各区中的产生和复合、扩散和漂移等各种因素。
2、太阳能电池材料的光学性质
太阳能电池的光学性质,常常决定着太阳能电池的极限效率,而且也是工艺设计的依据。
⑴吸收定律