p-n结时电子的空穴对

p-n结时电子的空穴对

0光—引言通过光电效应或光化学效应直接将光能转换为能的设备。太阳能发电有两种方式,一种是光—热—电转换方式,另一种是光—电直接转换方式。其中,光—电直接转换方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染;太阳能电池可以大中小并举,大到百万千瓦的中型电站,小到1只供一户用的太阳能电池组,这是其他电源无法比拟的。笔者将对太阳能电池光—电转换工作原理进行简单介绍。1能源能源发电和能源能源发电系统的运行方法1.1光伏发电系统通过太阳能电池(又称光伏电池)将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能电池发电系统(又称太阳能光伏发电系统)。太阳能光伏发电是目前工程上广泛使用的光电能转换器件。晶体硅太阳能电池,生产工艺技术成熟,已进入大规模产业化生产。1.2光伏发电系统分类太阳能光伏发电系统的运行方式主要可分为离网运行和联网运行两大类。未与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为离网太阳能光伏发电系统,又称为独立太阳能光伏发电系统。而与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为联网太阳能光伏发电系统。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段,成为电力工业组成部分之一的重要方向,是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。2能源电池的工作原理2.1光生电场和伏打电动势太阳能电池的工作原理基础是:半导体p-n结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应,简言之,就是当物体受到光照时,物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体p-n结时,就会在p-n结的两边出现电压,叫光生电压。使p-n结短路,就会产生电流。单晶硅的原子是按照一定的规律排列的。硅原子的外层电子壳层中有4个电子,如图1所示。每个原子的外层电子都有固定的位置,并受原子核的约束。它们在外来能量的激发下,如在太阳光辐射时,就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子,并同时在它原来的地方留出一个空位,即半导体物理学中所谓的“空穴”。由于电子带负电,空穴就表现为带正电。电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。在纯净的硅晶体中,自由电子和空穴的数目是相等的。如果在晶体硅中掺入能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等杂质元素,那么它就成为空穴型半导体,简称p型半导体。如果有硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素,那么它就成了电子型的半导体,简称n型半导体。若把这两种半导体结合在一起,由于电子和空穴的扩散,在交界面处便会形成p-n结,并在结的两边形成内建电场,又称势垒电场。由于此处电阻特别高,所以也称为阻挡层。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n型区,空穴被驱向p型区,从而使n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,如下图2所示。光生电场的一部分抵消势垒电场,其余部分使p型区带正电,n型区带负电;于是,就使得在n区与p区之间的薄层产生了电动势,即光生伏打电动势。接通电路时便有电能输出。这就是p-n结接触型单晶硅太阳能电池发电的基本原理。若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并连起来,组成太阳能电池组体,在太阳光的照射下,便可获得相当可观的输出功率的电能。2.2能源电池的基本电性能(1)正面光照层导电材料的计算太阳能电池一般组成p+/n型结构或n+/p型结构。其中,第一个符号,即p+和n+,表示太阳能电池正面光照层电导体材料的导电类型;第二符号,即n和p,表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用的半导体材料的特性有关。在太阳光照射时,太阳能电池输出电压的极性,p型一侧电极为正,n型一侧电极为负。当太阳能电池作为电源与外电路连接时,太阳能电池在正向状态下工作。(2)太阳能电池生产废水的电流—太阳能电池的电流—电压特性理想的p-n结特性曲线方程为:IL=ISC−IO(eqv/AKBT−1)(1)ΙL=ΙSC-ΙΟ(eqv/AΚBΤ-1)(1)式中IO——太阳能电池在无光照射时的饱和电流;q——电子电荷;KB——理尔兹曼常数;A——常数因子(正偏压大时A=1,正偏压小时A=2)。当IL=0时,电压U即为Uoc,可用下式表示:UOC=AKBTQln(LSCIO+1)(2)UΟC=AΚBΤQln(LSCΙΟ+1)(2)根据以上两式作图,就可得到太阳能电池的电流—电压关系曲线。这个曲线简称为I-U曲线或伏安曲线,如图3所示。Imp为最大负载电流,Ump为最大负载电压。在此负载条件下,太阳能电池输出功率最大,在电流—电压坐标系中对应的这一点,称为最大功率点;对应的负载,称为最大负载。评价太阳能电池的输出特性,还有一个重要参数,叫做填充因子(FF)。它与开路电压短路电流和负载电压、负载电流的系数关系为:FF=UmpImpUOCISC(3)FF=UmpΙmpUΟCΙSC(3)3能源电池的光谱转换效率和光谱响应3.1放射性粒子辐射损伤太阳能电池的光电转换效率指的是太阳能电池的最大输出功率与照射到电池上的入射光的功率之比。与它的结构、结特性、材料性质、电池的工作温度、放射性粒子辐射损坏和环境变化有关。目前硅太阳能电池的理想转换效率的上限值为33%左右;商品单晶硅太阳能电池的转换效率一般为12%～15%,高效单晶硅太阳能电池的转换效率为18%～20%。3.2太阳能电池的光谱响应太阳能电池的光谱响应,与太阳能电池的结构、材料性能、结深、表面光学特性等因素有关,并且它还随环境温度、电池厚度和辐射损伤而变化。4太阳能发电的特点照射在地球上的太阳能非常巨大,在大约40min内照射在地球上的太阳