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关于太阳能电池的工作原理及各种材料的研究机电工程学院 测控10-2班 彭雍淇03101259摘要：1 太阳能电池的材料，主要是要产生光伏效应2 这个过程的实质是，光子的能量转换为电能的过程。3 在纯净的硅晶体中掺入少量的5价杂质磷或者砷，锑等，构成N型半导体。4 在纯净的硅晶体中掺入少量的3价杂质硼或者铝，镓等，构成P型半导体。5 在PN结内，由于两边分别聚集了正电荷和负电荷，会产生一个有正电荷指向负电荷的电场，该电场成为内建电场或成势垒电场。6 在PN结两侧形成了正负电荷积累，形成与内建电场相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使P型层带正电，N型层带负电，因此产生了光生电动势。这就是“光生伏打效应”，即光伏效应。7 用优质的纯净单晶硅掺合少量杂质磷，硼等构成PN结半导体可以轻松的实现光电转换，而且成本较传统的蒸汽发电低，而且绝对无环境污染。关键字：太阳能电池 半导体材料光伏效应P-N结半导体 “光生电子空穴”对引言：耗了三天时间，搜集了各类太阳能电池的相关科学资料，总结一下对太阳能电池的研究心得。随着人口的增加，经济的发展，全球能源需求越来越大，不幸的是，人类目前绝大部分能源都来自不可再生的能源，我们每一个人，都应该有这样一种担忧，若我们再不想办法开发新能源，或者加大力度开发新能源，等到石油，天然气，煤等耗尽后，怎么办？我首先能想到的，也是最容易利用的，恐怕只有太阳了。据科学资料显示，太阳的寿命终究比地球长，也就是说，太阳能，对我们人类来讲，是绝对的取之不尽用之不完的。太阳能是直接的热能，可人类大量需要的，恐怕要数电能了，那么，怎么把热能转换为电能呢？以前我们有蒸汽发电的历史，把煤燃烧产生的热使水沸腾，用蒸汽推动汽轮机，带动发电机发电。可以看出，这套装置虽然容易实现，发电也很直接，但存在以下明显缺点：1. 费时费力，造价昂贵。2. 又大量消耗煤这种不可再生资源。3. 燃烧化石燃料产生大量硫化物，氮化物等进入大气，严重污染环境。4. 浪费煤，煤是优质的化工原料，制塑料，制化纤，均可用煤，直接烧掉岂不可惜？正文：于是，在众多新生能源中，太阳能，潮汐能，地热能，生物能纷纷出现，个人在太阳能转换为电能的原理以及材料上查看了许多科学资料。首先，什么是太阳能电池？ 即太阳能电池是一种对光有响应并且能将光能转化为电能的器件。要了解太阳能电池的原理是怎样的，那就要先了解用于制作太阳能电池的主要材料极其制作流程。太阳能电池的材料，主要是要产生光伏效应，能产生光伏效应的材料有多种，单晶硅，多晶硅，砷化镓，硒铟铜等等，他们发光的基本原理是：P型晶体硅通过掺杂磷可以得到N型硅，形成P-N结，当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使电子发生跃迁，成为自由电子在P-N结两侧聚集，最终形成电势差。当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的功率。这个过程的实质是，光子的能量转换为电能的过程。具体的说，就是硅原子的外层，电子壳层中，有4个电子，受到原子核的束缚较小，如果获得足够的能量，就会摆脱硅原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留下一个空穴，因为电子带负点，所以空穴带正电。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。在硅晶体中，每个硅原子周围有4个相邻的原子，并和每一个相邻原子共有两个价电子，形成稳定的8电子壳层。从一个硅原子中分离出一个电子需要1.12ev的能量，该能量成为硅原子的禁带宽度，被分离出来的电子是自由的传导电子，它能自由移动并传送电流。如果在纯净的硅晶体中掺入少量的5价杂质磷或者砷，锑等，由于磷原子共有5个价电子，所以一个磷原子与4个硅原子结合成共价键时，还多余一个价电子，这个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子，所以一个掺入5价杂质的4价半导体，就成为电子导电类型的半导体，也称为N型半导体。在N型半导体中，除了由于掺入的杂质而产生大量的自由电子以外，还有由于热激发而产生的“电子空穴”对,然而空穴的数目对于电子来说是极少的。所以N型半导体中，空穴的数目很少，称为少数载流子，而电子的数目很多，成为多数载流子。同样如果在纯净的硅晶体中掺入3价杂质如硼，铝，镓，铟等，这些三价杂质原子最外层只有三个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少一个电子，因而在共价键上出现一个空穴，因此掺入3价杂质的半导体，也成为P型半导体。对于P型半导体，空穴是多数载流子，而电子是少数载流子。若将P型半导体和N型半导体紧密结合在一起，由导电类型相反的两块半导体之间过渡区域，成为PN结，在PN结两边，由于P型半导体空穴很多，电子很少，而在N型半导体内，空穴很少，电子很多，由于交接面两端，电子和空穴的浓度不想等，因而会产生多数载流子的扩撒运动。同时，在P型区内，由于跑掉了一些空穴，而呈现一批带负电的掺入杂质的离子，同样在交接面附近的N型区域中，电子要从浓度大的N型区向电子浓度小的P型区扩散，并且与那里的空穴复合，从而使那里产生一批带负电的掺入杂质的离子。与此同时，在N型区域内，产生了一批带正电的掺入杂质的离子。于是，扩散的最后结果是在交接处的两端一边带正电荷一边带负电荷的很薄的区域，称为空间电荷区,这就是PN结。在PN结内，由于两边分别聚集了正电荷和负电荷，会产生一个有正电荷指向负电荷的电场，该电场成为内建电场或成势垒电场。太阳能电池在太阳光照射下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子收到激发，在P区，空间电荷区，N区都会产生“光生电子空穴”对，也称为光生载流子。这样形成的“电子空穴”对由于热运动，向各个方向迁移。“光生电子空穴”对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进N区，光生空穴被推进P区，在空间电荷区中电荷浓度几乎为零。在N区，“光生电子空穴”对产生后，光生空穴变向PN结边界扩散，一旦达到PN结边界，使立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入P区，而光生电子，多数载流子，则被留在N区。P区中产生的光生电子也会向PN结边缘扩散，并在达到PN结边界后，同样由于受到内建电场的作用，而在电场力的作用下作漂移运动，进入N区，而光生空穴，多数载流子，则被留在P区。因此在PN结两侧形成了正负电荷积累，形成与内建电场相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使P型层带正电，N型层带负电，因此产生了光生电动势。这就是“光生伏打效应”，即光伏效应。以上是太阳能电池中主要是硅+少量杂质电池的基本光电转换原理，其中有个很重要的光伏效应。如果某种材料不能产生光伏效应，则该种材料用于制作太阳能电池则需另辟蹊径。了解了太阳能电池的原理以后，再研究太阳能电池相关电路。情况1：如果把太阳电池开路，即负载电阻为无穷大，则被PN结分开的全部过剩载流子就会积累在PN结附近，于是产生了等于开路电压的最大光生电动势。情况2：如果把太阳电池短路，即负载电阻为零，则所有可以到达PN结的过剩载流子都可以穿过PN结，并且因外电路闭合而产生最大的电流。情况3：如果把电阻为R的负载接在太阳能电池两端，则被结分开的过剩载流子中，有一部分把能量消耗于降低PN结势垒，即用于建立工作电压，而剩余的部分光生载流子则用来产生光生电流。结论：可以看出，用优质的纯净单晶硅掺合少量杂质磷，硼等构成PN结半导体可以轻松的实现光电转换，而且成本较传统的蒸汽发电低，而且绝对无环境污染。就目前的情况来看，单晶硅太阳能电池在转换效率上比较低，由于本人能力和周边条件有限，无法测出光电转换的效率确切数字，但从“被结分开的过剩载流子中，有一部分把能量消耗于降低PN结势垒，即用于建立工作电压，而剩余的部分光生载流子则用来产生光生电流。”中可以看出，要想提高光电转换效率，降低用于在抵消PN结势垒上消耗的能量，也许是个不错的途径。另外，也可以寻找更多更加广泛的，找到提到光电转换效率的更好的复合材料。科学永不停息，材料与人类生活息息相关，开发新能源，节约不可再生能源，保护生态环境人人有责，而材料科学，的确是解决这些问题中