太陽能電池原理介紹

太陽能是人類取之不盡用之不竭的能源，同時也是清潔能源，其本身不會產生任何環境污染。在太陽能的有效利用當中，大陽能led/' target='_blank'>光電轉換利用是近些年來發展最快、最具活力的研究領域，是太陽能技術應用領域中最受矚目的項目之一。
制作太陽能電池主要是以半導體材料為基礎，其工作原理是利用光電材料受光能照射后發生光電反應而實現能量轉換。根據所用材料的不同，太陽能電池可分為：硅基太陽能電池、薄膜太陽能電池、生物太陽能電池等等，這里主要講的硅基太陽能電池。
一、硅太陽能電池
1．硅太陽能電池工作原理與結構
太陽能電池發電的原理主要是半導體的光電效應，一般的半導體主要結構如下：

圖中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。
當硅晶體中摻入其他的雜質，如硼、磷等，當摻入硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴，它的形成可以參照下圖：

圖中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有3個電子，所以就會產生入圖所示的藍色的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩定，容易吸收電子而中和，形成P（positive）型半導體。
同樣，摻入磷原子以后，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非常活躍，形成N（negative）型半導體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子。如下圖。

P型半導體中含有較多的空穴，而N型半導體中含有較多的電子，這樣，當P型和N型半導體結合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是PN結。

當P型和N型半導體結合在一起時，在兩種半導體的交界面區域里會形成一個特殊的薄層)，界面的P型一側帶負電，N型一側帶正電。這是由于P型半導體多空穴，N型半導體多自由電子，出現了濃度差。N區的電子會擴散到P區，P區的空穴會擴散到N區，一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是PN結。

當晶片受光后，PN結中，N型半導體的空穴往P型區移動，而P型區中的電子往N型區移動，從而形成從N型區到P型區的電流。然后在PN結中形成電勢差，這就形成了電源。(如下圖所示）

由于半導體不是電的良導體，電子在通過p－n結后如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產生，因此一般用金屬網格覆蓋p－n結（如圖 梳狀電極），以增加入射光的面積。
另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學家們給它涂上了一層反射系數非常小的保護膜（如圖），實際工業生產基本都是用化學氣相沉積沉積一層氮化硅膜，厚度在1000埃左右。將反射損失減小到5％甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36個）并聯或串聯起來使用，形成太陽能光電板。
2．硅太陽能電池的生產流程
通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350～450μm的高質量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。

上述方法實際消耗的硅材料更多。為了節省材料，目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學氣相沉積法，包括低壓化學氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。
化學氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,為反應氣體,在一定的保護氣氛下反應生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發現，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用 LPCVD在 襯底上沉積一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此，再結晶技術無疑是很重要的一個環 節，目前采用的技術主要有固相結晶法和中區熔再結晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術，這樣制得的 太陽能電池轉換效率明顯提高。


太陽能電池發電的原理

太陽能電池發電的原理主要是半導體的光電效應。能產生光電效應的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發電原理基本相同。現以硅為例說明。

帶正電荷硅原子旁邊圍繞著四個帶負電荷的電子。可以通過向硅晶體中摻入其他的雜質，如硼、磷等來改變其特性。當摻入硼時，因為硼原子周圍只有3個電子，所以硅晶體中就會存在著一個空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩定，容易吸收電子而中和，形成N型半導體。當摻入磷原子時，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非常活躍，形成P型半導體。N型半導體中含有較多的空穴，而P型半導體中含有較多的電子，這樣，當P型和N型半導體結合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是PN結。當光線照射太陽能電池表面時，PN結中的N型半導體的空穴往P型區移動，而P型區中的電子往N型區移動，從而在PN結兩側集聚形成電位差。當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程就是光子能量轉換成電能的過程。

其他相關知識：
1.塞貝克效應：德國物理學家塞貝克發現，兩種不同導體所組成的回路中，當兩接點處于不同溫度時，就產生電動勢，因而也就產生電流。
2.隧道效應原理：在兩層金屬導體之間夾一薄絕緣層，就構成一個電子的隧道結。實驗發現電子可以通過隧道結，即電子可以穿過絕緣層，這便是隧道效應