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无线电电子与电气工程百科全书 太阳能电池的工作原理。 无线电电子电气工程百科全书
尽管我们很多人都没有意识到，利用阳光发电的方法已经为人所知 100 多年了。 埃德蒙·贝克勒尔 (Edmond Becquerel) 于 1839 年首次观察到光电现象。在他的众多电实验中，他将两块金属板放入导电溶液中，并用阳光照射该装置。 令他惊讶的是，他发现这个过程中产生了电动势（EMF）。 这一意外发现直到 1873 年才引起人们的注意，当时威洛比·史密斯 (Willoughby Smith) 在用光照射硒板时发现了类似的效应。 尽管他的第一次实验并不完美，但它们标志着半导体太阳能电池历史的开始。 为了寻找新能源，贝尔实验室发明了硅太阳能电池，它成为当今光伏转换器的先驱。 仅在50年代初。 太阳能电池已经达到了比较高的完善程度。 半导体理论基础 硅是现代电子产品中的主要半导体材料。 大多数现代太阳能电池也是由硅制成的。 半导体是一种既不是良导体也不是良绝缘体的物质。 例如，铜是一种优良的导体，其范围很广。 凡是需要将电能从一处传输到另一处的地方，铜都是不可或缺的助手。 对于铝来说也是如此。 另一方面，玻璃的电导率可以忽略不计，但却是良好的电介质。 如果您需要阻断电流路径，玻璃绝缘体将成功解决这个问题。 顺便说一下，第一批电话中极片的绝缘体是由玻璃制成的。
半导体的电导率介于这两种极限情况之间。 在某些应用中，半导体可以充当导体，而在其他应用中，半导体可以充当绝缘体。 然而，纯硅仍然更接近绝缘体，导电性很差。 其原因在于其晶体结构的特殊性。 硅原子借助所谓的价电子相互连接。 最好将这些连接视为“手”。 每个硅原子有四个臂。 硅原子非常“善于交际”，它们不喜欢孤独。 因此，它们试图与周围的原子握“手”。 由于每个原子有四只“手”，它用四只“手”来牵动相邻原子的“手”，它们一起形成如图 1 所示的晶格。 XNUMX. 结果，原子的所有四个“臂”都被占据。 因此，在这种结构中不存在自由电子（“手”），并且没有自由电子，电流几乎不可能产生。 对于电子产品的需求来说，这种状况是不可接受的。 为了使电流流动，晶体必须具有自由电子。 这是通过在原始物质中引入杂质来实现的。 这个过程称为掺杂。 半导体掺杂 假设我们用一个化合价等于五的原子（换句话说，有五个“臂”）取代了晶体结构中的一个硅原子。例如，这样的原子是硼原子。曾经属于它的“新原子”邻居”并“用手”抓住它们，这个原子很快就会发现它的一只“手”是自由的。（作者是错误的——五价磷原子被用作供体（自由电子的来源） ，并且使用硼原子作为受体，允许您进入硅晶体正电荷（空穴），其特征是三价。-大约编辑）
这只无关的“手”只不过是一个自由电子。 由于硼原子或多或少满意它的五个“手臂”中的四个——电子被占据，所以它并不特别担心第五个的命运。 在最轻微的扰动下，电子就会“断裂”。 这就是兴奋剂的本质。 我们引入晶体的杂质越多，其中的自由电子就越多，硅的导电性能就越好。 在掺杂过程中，也可能发生相反的过程。 如果硅原子被三价原子取代，例如磷，我们的结构中就会出现所谓的空穴。 因此，晶体中缺乏电子，并且很容易将它们接受到晶格中。 由于在这种结构中原子试图捕获电子，因此产生的空穴将穿过缺乏电子的结构。 事实上，电子从一个空穴移动到另一个空穴，从而导电。 太阳能电池制造 现在您可能会认为，如果将缺乏电子的掺杂硅晶体和电子过量的掺杂硅晶体放在一起，一定会发生一些事情。
由于两个晶体之间存在紧密的机械接触，近表面区域的原子彼此非常接近，以至于磷原子很容易贡献出额外的电子，硼原子也很容易接受它们。 结果，晶体的电平衡得以恢复。 但请记住，晶体具有非常刚性的结构，因此交换只会发生在彼此最接近接触的原子之间。 这种接触区域的厚度不超过几个原子的大小，半导体的体积保持不变。 当然，要达到这种效果，仅仅将两块硅连接在一起是不够的。 硅最常采用高温扩散工艺进行掺杂。 结果，在半导体深度区域之间的边界处，掺杂有不同的杂质，形成超薄界面区域，称为pn结。 正是在这个区域内发生了光到电的转换。 当一个称为光子的光粒子以足够的能量撞击 pn 结时，它会击出一个电子，使其自由，即能够移动。 然后光子的能量转移到电子。 在这种情况下，在晶格中形成孔。 必须记住，过渡区域倾向于保持平衡。 这个过程称为光电离，不仅发生在 pn 结区域，而且也发生在阳光穿透的晶体的任何其他部分，具有产生自由电荷载流子（电子和空穴）所需的足够大的能量。 由于n型材料中缺少空穴，而p型材料中缺少电子，因此空穴和电子分离并向不同方向迁移。 但现在平衡已经消失了。 接收到光子能量的电子会寻求与其对极（空穴）重新连接，并准备好为此消耗能量。 不幸的是，pn 结是电子无法克服的势垒。 然而，如果我们用导体将p型和n型导体的区域连接起来，那么这个障碍将被成功克服，电子将通过“后门”“穿过”到它的孔中。 在这种情况下，电子沿途消耗能量，我们使用这些能量。 太阳能电池特性 pn 结是电子运动的巨大障碍。 但它不能被称为不可抗拒。 电子从光子接收到的能量通常不足以使其克服该势垒并与空穴连接，但情况并非总是如此。
pn结的势垒高度约为600 mV（0,6 V）。 能量超过 600 mV 的电子可以“爬上”这堵墙并被吸收。 因此，太阳能电池可以产生的最大电压为600 mV。 然而，实际值取决于半导体材料的类型和太阳能电池的设计。
将负载连接到太阳能电池会减少某些电子的能量，包括能量较高的电子。 结果，太阳能电池的总电压和能够克服pn结势垒的电子数量减少。 随着负载电阻的增加，越来越多的电子将被“泵出”，电压将进一步降低。 然而，在某些时候，奇怪的事情发生了。 在 450 mV (0,45 V) 时，即使电压继续下降，电流（电子通量）也停止增加。 达到电流的“平台”。 这种现象是由于入射到 pn 结上的光子数量有限所致。 众所周知，到达 pn 结的光子越多，释放的电子就越多。 更多光子 - 更多电流。 然而，总有一天，进入 pn 结的每个光子都会被使用，自由电子的数量以及电流不再增加。 这对应于太阳能电池特性中“平台”的出现。 当然，自由电子的数量还取决于表面积和光强度。 显然，随着细胞面积的增加，捕获的光子更多，电流也增加。 同样，随着光强度的增加，给定区域中光子的浓度增加，这也会增加电流。 太阳能电池效率 通常，到达地球表面的太阳光的平均强度取为100 mW/cm2。 换句话说，一块10x10 cm2的太阳能电池理论上应该产生10瓦的电力。 不幸的是，没有太阳能电池能够也不会产生这样的电力：总会有损失。 迄今为止（即使在实验室中使用级联光电管）实现的最高效率（效率因数）约为 30%。 传统硅太阳能电池的效率为 10-13%。 面积为100平方厘米的元件可产生约2瓦的功率。 当然，太阳能电池的效率取决于很多因素，其中环境温度的变化最为显着。 随着温度升高，晶格被激发，其原子振动更加剧烈。 这反过来又导致结构内部电子能级的增加。 随着时间的推移，当电子的能级上升如此之多以至于大多数电子能够克服 pn 结的势垒时，半导体中的复合急剧增加。 这导致到达栅极收集器的电子数量减少，并且负载中的电流减少。 另一方面，低温有助于光电效应的实际增强。 太阳能电池效率随温度升高而降低的主要原因是pn结势垒值降低，从而导致电池产生的电压下降。 作者：拜尔斯 T.
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