光电池工作原理

光电池工作原理目前，光电池的应用已经越来越广，作为一名华北电力大学的学生，生活在保定已三年，保定的太阳能产业异常发达，在全国也算是数一数二。保定的太阳能运用非常多，可谓地道的低碳都市。例如有些十字路口的红绿灯，街边的路灯，以及公交车站都是由太阳能电池作为能源控制的。在这样的环境下，笔者查阅了有关资料，对光电池的原理进行某些浅述。首先，先理解一下光电池的定义：光电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。光电池的种类诸多，常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。重要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电池。要想理解光电池的原理，首先要理解一下PN结的有关知识。人们把半导体材料分为P型半导体和N型半导体。根据《电工学》简介，硅原子是一种半导体材料。在本征半导体的晶体构造中，每一种原子与相邻的四个原子结合。每一种原子的一种价电子与另一种原子的一种价电子构成一种电子对。这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的构造。假如在硅或者锗的晶体中掺入磷（或者其他五价元素），由于林原子的最外层有五个价电子，而掺入的磷原子较少，整个晶体构造基本上不变，导致某些位置上的硅原子被磷原子取代，磷原子参与共价键构造只需要四个价电子，多出的第五个价电子很轻易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是自由电子成了这种半导体的重要导电方式，我们称这种半导体为N型半导体。同理，假如在硅或者锗的晶体中掺入三价元素，则每个三价元素周围会多出一种空穴，而空穴则成为这种半导体的重要导电方式，我们称这种半导体为P型半导体。当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一种特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电，形成P-N结。另一方面，光电池原理的另一种重要理论根据是光伏效应原理。光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。详细地说，假如光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸取，具有足够能量的光子可以在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被互相分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一种向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的经典数值为0.5～0.6V。通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。界面层吸取的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。光电池的工作原理正是基于“光生伏特效应”。理解了以上两条基本知识，我们不难理解，光电池实质上是一种大面积的PN结，当光照射到PN结的一种面，例如P型面时，若光子能量不小于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸取一种光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最终建立一种与光照强度有关的电动势。假如这时，我们把它作为一种电源，接上外电路，只要保证有源源不停的光照，那么光电池就会源源不停的供电，这就是光电池。通过查阅资料，笔者理解到光电池有如下几种重要特性：1、光谱特性：光电池对不一样波长的光的敏捷度是不一样的。光谱响应峰值所对应的入射光波长是不一样的，硅光电池波长在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.4~1.2μm，而硒光电池只能为0.38~0.75μm。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。2、光照特性：光电池在不一样光照度下，其光电流和光生电动势是不一样的，它们之间的关系就是光照特性。短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（即负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在lx时就趋于饱和了。因此用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不适宜用作电压源。3、温度特性：光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的状况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增长。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最佳能保证温度恒定或采用温度赔偿措施。光电池应用广泛，而光伏发电系统的构成也比较简朴。不管是独立使用还是并网发电,光伏发电系统重要由太阳电池的等效电路由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分构成，它们重要由电子元器件构成，不波及机械部件,因此,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场所,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。以晶体硅材料制备的太阳能电池重要包括：单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，不过成本较高；非晶硅太阳电池则具有生产效率高，成本低廉，不过转换效率较低，并且效率衰减得比较厉害；铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定得转换的效率，并且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池则目前还只能处在研发阶段。目前，铸造多晶硅太阳能电池已经取代直拉单晶硅成为最重要的光伏材料。不过铸造多晶硅太阳能电池的转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池，材料中的多种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是电池转换效率较低的关键原因，因此有关铸造多晶硅中缺陷和杂质规律的研究，以及工艺中采用合适的吸杂，钝化工艺是深入提高铸造多晶硅电池的关键。目前量产的单晶硅电池转换效率在17%左右，多晶硅电池转换效率在16%左右。而薄膜电池量产的转换效率为10%左右。光电池拥有非常广阔的前景，太阳能是一种清洁能源，取之不尽，用之不竭，一旦光电伏特计系统被安装，就能将源源不停的光能转换成电能，它能提在数年内提供能量而不需要花费，并且只需要最小的维护。目前，光伏发电产品重要用于三大方面：一是为无电场所提供电源，重要为广大无电地区居民生活生产提供电力，尚有微波中继电源、通讯电源等，此外，还包括某些移动电源和备用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等；三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实行。我国并网发电尚未起步，不过，北京奥运会部分用电将会由太阳能发电和风力发电提供。目前，中国生产的太阳能电池在全球市场拥有率高达60%以上，但几乎所有都是硅基。虽然中国是硅原料生产大国，但却不掌握硅提纯技术，因此太阳能产业所需的硅原料完全依赖进口，伴随国际上硅原料成本不停上涨，中国的太阳能产业利润日益水平日益下降。另首先，由于中国政府没有针对太阳能的实质性补助政策，中国太阳能的产能基本只能所有出口，而伴随太阳能重要市场如欧洲和北美的贸易保护日益严重，国内太阳能产业生产状况日益严峻。因此，国内太阳能产业面临着巨大的转型压力，而转型的方向，就是基于染料敏化氧化钛技术的薄膜太阳能电池方向。薄膜电池的优势重要是制造工艺简朴，成本低廉，且理论上相比硅具有对弱光敏感度高，全天合计发电时间大幅高于硅基电池等方面。目前国际上薄膜电池技术最强，产业化程度最高的国家是日本，使用第四代染料敏化技术，他们的薄膜电池已经能做到硅基电池的1/3-1/4的成本，转化