光電池工作原理

光電池工作原理目前，光電池的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣，作為一名華北電力大學(xué)的學(xué)生，生活在保定已三年，保定的太陽能產(chǎn)業(yè)異常發(fā)達(dá)，在全國也算是數(shù)一數(shù)二。保定的太陽能運(yùn)用非常多，可謂地道的低碳都市。例如有些十字路口的紅綠燈，街邊的路燈，以及公交車站都是由太陽能電池作為能源控制的。在這樣的環(huán)境下，筆者查閱了有關(guān)資料，對光電池的原理進(jìn)行某些淺述。首先，先理解一下光電池的定義：光電池是一種在光的照射下產(chǎn)生電動勢的半導(dǎo)體元件。光電池的種類諸多，常用有硒光電池、硅光電池和硫化鉈、硫化銀光電池等。重要用于儀表，自動化遙測和遙控方面。有的光電池可以直接把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這種光電池又叫太陽能電池。要想理解光電池的原理，首先要理解一下PN結(jié)的有關(guān)知識。人們把半導(dǎo)體材料分為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。根據(jù)《電工學(xué)》簡介，硅原子是一種半導(dǎo)體材料。在本征半導(dǎo)體的晶體構(gòu)造中，每一種原子與相鄰的四個(gè)原子結(jié)合。每一種原子的一種價(jià)電子與另一種原子的一種價(jià)電子構(gòu)成一種電子對。這對價(jià)電子是每兩個(gè)相鄰原子共有的，它們把相鄰原子結(jié)合在一起，構(gòu)成所謂共價(jià)鍵的構(gòu)造。假如在硅或者鍺的晶體中摻入磷（或者其他五價(jià)元素），由于林原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，而摻入的磷原子較少，整個(gè)晶體構(gòu)造基本上不變，導(dǎo)致某些位置上的硅原子被磷原子取代，磷原子參與共價(jià)鍵構(gòu)造只需要四個(gè)價(jià)電子，多出的第五個(gè)價(jià)電子很輕易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子，于是自由電子成了這種半導(dǎo)體的重要導(dǎo)電方式，我們稱這種半導(dǎo)體為N型半導(dǎo)體。同理，假如在硅或者鍺的晶體中摻入三價(jià)元素，則每個(gè)三價(jià)元素周圍會多出一種空穴，而空穴則成為這種半導(dǎo)體的重要導(dǎo)電方式，我們稱這種半導(dǎo)體為P型半導(dǎo)體。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會形成一種特殊的薄層，界面的P型一側(cè)帶負(fù)電，N型一側(cè)帶正電，形成P-N結(jié)。另一方面，光電池原理的另一種重要理論根據(jù)是光伏效應(yīng)原理。光生伏特效應(yīng)是指半導(dǎo)體在受到光照射時(shí)產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。詳細(xì)地說，假如光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被吸取，具有足夠能量的光子可以在P型硅和N型硅中將電子從共價(jià)鍵中激發(fā)，以致產(chǎn)生電子－空穴對。界面層附近的電子和空穴在復(fù)合之前，將通過空間電荷的電場作用被互相分離。電子向帶正電的N區(qū)和空穴向帶負(fù)電的P區(qū)運(yùn)動。通過界面層的電荷分離，將在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一種向外的可測試的電壓。此時(shí)可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對晶體硅太陽能電池來說，開路電壓的經(jīng)典數(shù)值為0.5～0.6V。通過光照在界面層產(chǎn)生的電子－空穴對越多，電流越大。界面層吸取的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽能電池中形成的電流也越大。光電池的工作原理正是基于“光生伏特效應(yīng)”。理解了以上兩條基本知識，我們不難理解，光電池實(shí)質(zhì)上是一種大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一種面，例如P型面時(shí)，若光子能量不小于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸取一種光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場的作用下，最終建立一種與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動勢。假如這時(shí)，我們把它作為一種電源，接上外電路，只要保證有源源不停的光照，那么光電池就會源源不停的供電，這就是光電池。通過查閱資料，筆者理解到光電池有如下幾種重要特性：1、光譜特性：光電池對不一樣波長的光的敏捷度是不一樣的。光譜響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光波長是不一樣的，硅光電池波長在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長范圍為0.4~1.2μm，而硒光電池只能為0.38~0.75μm?？梢?，硅光電池可以在很寬的波長范圍內(nèi)得到應(yīng)用。2、光照特性：光電池在不一樣光照度下，其光電流和光生電動勢是不一樣的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度呈線性關(guān)系，開路電壓（即負(fù)載電阻RL無限大時(shí)）與光照度的關(guān)系是非線性的，并且當(dāng)照度在lx時(shí)就趨于飽和了。因此用光電池作為測量元件時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用，不適宜用作電壓源。3、溫度特性：光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的狀況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增長。由于溫度對光電池的工作有很大影響，因此把它作為測量元件使用時(shí)，最佳能保證溫度恒定或采用溫度賠償措施。光電池應(yīng)用廣泛，而光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成也比較簡樸。不管是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電,光伏發(fā)電系統(tǒng)重要由太陽電池的等效電路由太陽能電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分構(gòu)成，它們重要由電子元器件構(gòu)成，不波及機(jī)械部件,因此,光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉,可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護(hù)簡便。理論上講,光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場所,上至航天器,下至家用電源,大到兆瓦級電站,小到玩具,光伏電源無處不在。以晶體硅材料制備的太陽能電池重要包括：單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。單晶硅電池具有電池轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好，不過成本較高；非晶硅太陽電池則具有生產(chǎn)效率高，成本低廉，不過轉(zhuǎn)換效率較低，并且效率衰減得比較厲害；鑄造多晶硅太陽能電池則具有穩(wěn)定得轉(zhuǎn)換的效率，并且性能價(jià)格比最高；薄膜晶體硅太陽能電池則目前還只能處在研發(fā)階段。目前，鑄造多晶硅太陽能電池已經(jīng)取代直拉單晶硅成為最重要的光伏材料。不過鑄造多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率略低于直拉單晶硅太陽能電池，材料中的多種缺陷，如晶界、位錯(cuò)、微缺陷，和材料中的雜質(zhì)碳和氧，以及工藝過程中玷污的過渡族金屬被認(rèn)為是電池轉(zhuǎn)換效率較低的關(guān)鍵原因，因此有關(guān)鑄造多晶硅中缺陷和雜質(zhì)規(guī)律的研究，以及工藝中采用合適的吸雜，鈍化工藝是深入提高鑄造多晶硅電池的關(guān)鍵。目前量產(chǎn)的單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率在17%左右，多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率在16%左右。而薄膜電池量產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%左右。光電池?fù)碛蟹浅V闊的前景，太陽能是一種清潔能源，取之不盡，用之不竭，一旦光電伏特計(jì)系統(tǒng)被安裝，就能將源源不停的光能轉(zhuǎn)換成電能，它能提在數(shù)年內(nèi)提供能量而不需要花費(fèi)，并且只需要最小的維護(hù)。目前，光伏發(fā)電產(chǎn)品重要用于三大方面：一是為無電場所提供電源，重要為廣大無電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力，尚有微波中繼電源、通訊電源等，此外，還包括某些移動電源和備用電源；二是太陽能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草坪燈等；三是并網(wǎng)發(fā)電，這在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)大面積推廣實(shí)行。我國并網(wǎng)發(fā)電尚未起步，不過，北京奧運(yùn)會部分用電將會由太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電提供。目前，中國生產(chǎn)的太陽能電池在全球市場擁有率高達(dá)60%以上，但幾乎所有都是硅基。雖然中國是硅原料生產(chǎn)大國，但卻不掌握硅提純技術(shù)，因此太陽能產(chǎn)業(yè)所需的硅原料完全依賴進(jìn)口，伴隨國際上硅原料成本不停上漲，中國的太陽能產(chǎn)業(yè)利潤日益水平日益下降。另首先，由于中國政府沒有針對太陽能的實(shí)質(zhì)性補(bǔ)助政策，中國太陽能的產(chǎn)能基本只能所有出口，而伴隨太陽能重要市場如歐洲和北美的貿(mào)易保護(hù)日益嚴(yán)重，國內(nèi)太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)狀況日益嚴(yán)峻。因此，國內(nèi)太陽能產(chǎn)業(yè)面臨著巨大的轉(zhuǎn)型壓力，而轉(zhuǎn)型的方向，就是基于染料敏化氧化鈦技術(shù)的薄膜太陽能電池方向。薄膜電池的優(yōu)勢重要是制造工藝簡樸，成本低廉，且理論上相比硅具有對弱光敏感度高，全天合計(jì)發(fā)電時(shí)間大幅高于硅基電池等方面。目前國際上薄膜電池技術(shù)最強(qiáng)，產(chǎn)業(yè)化程度最高的國家是日本，使用第四代染料敏化技術(shù)，他們的薄膜電池已經(jīng)能做到硅基電池的1/3-1/4的成本，轉(zhuǎn)化