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1、太阳能光伏电池的工作原理太阳能光伏电池的工作原理基于光电效应基于光电效应基于光电效应基于光电效应 知识准备知识准备1、本征半导体及本征激发2、P型半导体3、N型半导体4、PN结的形成5、光电效应6、太阳能光伏电池的工作原理：PN结受光照后的光电效应本征半导体及本征激发本征半导体及本征激发本征半导体是纯净的单晶半导体。本征激发：本征半导体受热或光照时，某些共价键中的的价电子从外界获得足够的能量而挣脱共价键的束缚离开了共价键而成为自由电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，这个空位被称为空穴。这种现象称为本征激发本征半导体共价键结构示意图本征半导体共价键结构示意图本征半导体共价键结构示意图本征半导
2、体共价键结构示意图本征激发后产生两种载流子：自由电子和空穴本征激发后产生两种载流子：自由电子和空穴返回目录P P型半导体结构示意图型半导体结构示意图在本征半导体中掺入少量三价元素硼（或铝、镓、铟），能使半导体中的空穴浓度显著增加。由于三价元素有3个价电子，它在取代硅（或锗、砷化镓）原子后，与相邻的4个硅原子上的一个价电子构成4个共价键时，缺少一个价电子，产生一个空位。在室温下，相邻原子的价电子很容易填补这个空位，从而产生一个空穴，而三价杂质原子接受一个价电子从而变成一个不能移动的负离子。返回目录N型半导体：在本征半导体中掺入少量五价元素砷（或磷、型半导体：在本征半导体中掺入少量五价元素砷（或磷
3、、锑），能使半导体中的自由电子浓度显著增加，形成锑），能使半导体中的自由电子浓度显著增加，形成N型半型半导体。导体。NN型半导体结构示意图型半导体结构示意图返回目录采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PNPN结具有单向导电性结具有单向导电性。动态平衡包括两种运动：扩散运动和漂移运动PNPN结的形成结的形成扩散运动和漂移运动扩散运动和漂移运动扩散运动：由于扩散运动：由于某些某些外部条件而使半导体外部条件而使半导体内部的载流子存在浓内部的载流子存在浓度梯度的时候，将产度梯度的时候，将产生扩散运动
4、，即载流生扩散运动，即载流子由浓度高的位置向子由浓度高的位置向浓度低的位置运动浓度低的位置运动漂移运动：内电场内漂移运动：内电场内少子在电场的作用下少子在电场的作用下产生的运动。产生的运动。返回目录光电效应是物理学中一个重要而光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电出来而形成电流，即光生电。光。光电现象由德国物理学家赫兹于电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们对光爱因斯坦所提出。科学家们对光电效应的深入研究对
5、发展量子理电效应的深入研究对发展量子理论起了根本性的论起了根本性的作用。作用。1905年，年，爱因斯坦提出光子假设，成功解爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖光电效应光电效应光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（统称为光电效应（Photoelectric effect）。光电效应分为：外光电效应和内光电效应。光电效应分为：外光电效应和内光电效应。内光电效应内光电效应内光电效应内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由
6、电子或空穴）仍在物质内部是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象现象外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象象。返回目录半导体的半导体的光电效应光电效应光电效应光电效应：光照在半导体光照在半导体p-np-n结或金属结或金属半导体接半导体接触面上时，会在触面上时，会在p-np-n结或金属结或金属半导体接触的两侧产生半导体接触的两侧产生光生电动势；光生电动势；p-np-n结的光生伏特效
7、应结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射当用适当波长的光照射p-np-n结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向子拉向n n区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向p p区，相当于区，相当于p-np-n结上加一个结上加一个正电压；正电压；半导体内部产生电动势（光生电压）；如将半导体内部产生电动势（光生电压）；如将p-np-n结短路，结短路，则会出现电流（光生电流）则会出现电流（光生电流）。Pn太阳光太阳光 在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，而在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，而少数载流子浓度却变化很大，少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研
8、究光生因此应主要研究光生少数载流子的运动少数载流子的运动.PNPN结结的的光电效应光电效应浅结浅结p np 耗尽层耗尽层 n-+空穴空穴电子电子动平衡时动平衡时 p 型与型与 n 型接触区域的电势变化型接触区域的电势变化PNPN结结的内建电场的内建电场无光照无光照P型N型P型N型EfpEfnEf能级弯曲的原因：在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级PNPN结结的能带图的能带图u光照时光照时n区产生少子空穴，区产生少子空穴，p区产生少子电子；区产生少子电子；u在内建电场的作用下，在内建电场的作用下，n区的空穴向区的空穴向p区运动，而区运动，而p区的电子区的电子向向n区运动，使区运动，使p端电
9、势升高，端电势升高，n端电势降低；端电势降低；u所以，光生电场由所以，光生电场由p端指向端指向n端，使势垒降低，产生正向电流端，使势垒降低，产生正向电流IF；u由于空穴向由于空穴向p区运动，所以在区运动，所以在p-n结内部形成自结内部形成自n区向区向p区的光区的光生电流生电流IL有光照有光照光电池光电池的电流电压特性的电流电压特性u光电池：光电池：利用半导体的光生伏特效应，而将光能利用半导体的光生伏特效应，而将光能转换成电能的装置。转换成电能的装置。即将即将PN结结与外电路接通，只与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流流过电路要光照不停止，就会有源源不断的电流流过电路，PN结结起到
10、了电源的作用。这类装置叫光电池。起到了电源的作用。这类装置叫光电池。PN结电流方程I I：负载电流；：负载电流；I IL L：光生电流；：光生电流；I Is s：PNPN结结反向饱和电流；反向饱和电流；V V：PNPN结结两两端电压端电压光电池光电池的实际结构的实际结构栅指形状（减少接触电阻，尽量少挡住阳光）u硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。能电池、非晶硅太阳能电池。u单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率接近单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率接近25%,25%,而规模生产的单晶硅太阳能电池而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为其效率为17%17%。u多晶硅半导体材料的价格比较低廉多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为能电池的实验室最高转换效率为18%,18%,工业规模生产工业规模生产的转换效率为的转换效率为16%16%。硅太阳能电池硅太阳能电池