太陽能電池-發電原理篇

2017-11-27
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太陽能光伏發電一般指能利用半導體直接將光能轉換為電能的一種能源形式。晶硅類太陽能電池是最普遍的一種形式，太陽能電池起源於1839年，法國貝克勒爾是第一個發現了液態電解質的光生伏特現象的科學家。其一般構造如圖所示，在基體硅中滲入棚原子以後，便會產生空穴。同理，在基體硅中摻入磷原子以後，由於磷原子相比於硅原子，其最外層是具有五個電子的特殊結構，相比於硅原子的四電子結構就會有多出來的一個電子變得非常活躍，叫做N型半導體。晶體硅太陽能電池片主要是用硅半導體材料作為基體製成較大面積的平面PN結，即在規格大約為15 cm×15 cm的P型矽片上經擴散爐擴散磷原子，擴散出一層很薄的經過重摻雜的N型層。然後經刻蝕到達PECVD在整個N型層表面上鍍上一層減反射膜用來減少太陽光的反射損失，達到絲網在擴散面印刷上金屬柵線作為太陽能電池片的正面接觸電極。在刻蝕面印刷金屬膜，作為太陽能電池片的背面歐姆接觸電極，並燒結封裝。

當有具定能量的光子照射到太陽能電池片上時，會生成許多新的電子-空穴對。因為電池材料的不斷吸收導致入射光強不斷減小，因此沿著入射方向，電池片內部電子-空穴對的密度逐漸減小，在濃度差的作用下電子-空穴對向著電池片內部做擴散運動。當電子-空穴對擴散達到PN結界限時，會在內建電場的作用下被拆分，空穴、電子受力從而被推向P區和N區，如果此時電路正處於開路的狀態，那麼這些光生電子和空穴就會分別集聚在P區和N 區周圍，P區便會得到附加正電荷，同理N區便會得到附加負電荷，P區與N區累積的正負電荷就會在PN結上產生光生電動勢，若此時接通太陽能電池片的正負極就會形成電流。此時PN結的內部就會形成了由N區指向P區的光生電流產生。

光生電流示意圖

一、P型半導體的形成

如圖，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

當硅晶體中摻入硼時（如下圖），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三個電子，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型半導體。

二、N型半導體的形成

如上圖所示，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。

摻入磷原子以後（如上圖），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型半導體。黃色代表摻入的磷原子，紅色代表多出來的電子。

三、P-N結的形成

將一塊P型半導體和N型半導體緊密連接在一起，這種緊密連接不能有縫隙，是一種原子半徑尺度上的緊密連接。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程。值得注意的是太陽能電池片在現實當中，是不能夠實現P型和N型兩種類型電池接觸而形成PN結的，因為沒辦法做到分子級別拼接，實際生產過程中多為在P型硅的基礎上單面擴散製得N型。

圖中蘭色小圓為多子電子；紅色小圓為多子空穴。N型半導體中的多子電子的濃度遠大於P型半導體中少子電子的濃度；P型半導體中多子空穴的濃度遠大於N型半導體中少子空穴的濃度。於是在兩種半導體的界面上會因載流子的濃度差發生了擴散運動，見上圖。

隨著擴散運動的進行，在界面N區的一側，隨著電子向P區的擴散，雜質變成正離子；在界面P區的一側，隨著空穴向N區的擴散，雜質變成負離子。雜質在晶格中是不能移動的，所以在N型和P型半導體界面的N型區一側會形成正離子薄層；在P型區一側會形成負離子薄層。這種離子薄層會形成一個電場，方向是從N區指向P區，稱為內電場，見下圖。