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光伏效应与太阳能电池原理

发布时间:2017/05/19 点击量:
  太阳能电池(太阳能电池片回收)从科学原理发现到目前的技术应用已经度过了170多年发展历史。从太阳电池技术所基丁的科学原理光生伏打效应,即光伏效应的发现,经过美闰贝尔实验室第一片实用性的品体硅太阳电池的发明以及技术的不断创新发展,直到包括衬料、器件、系统及各种技术应用的幣个光伏产业链形成,光伏技术展现了具有与化石能源发电技术竞争的强大发展潜力。为了准确、全曲、系统地认识太阳能光伏科学与技术相互促进所形成的率命性发电方式,有必要对光电效应、光伏效应及太阳电池等一些m要概念进行说明。
 
  光电效应(photoe丨ectriceffect)现象最早在1887年由德国科学家赫兹(HeinrichHertz〉在从事电磁波实验时发现的,即金属表面在光的照射下发射乜子的现象。因为一般金属材料的功函数大多在3.5eV之间,所以在太阳能中只有紫外光部分才能被吸收来产生光电子。而太阳光中紫外线以L的辐射只山.很小的一部分<10%以下>,因此,利用金属的光电效应来产生电流的可能性是很小的。为了科学解释光电效应,爱闪斯坦从普朗克的能M子假设出发,提出光子(photon)的概念129]。即光子具有能其中杵朗克常数ft=6.626X10_3Ms,v为频率)。当光子照射在金属表面上,金属表面的一个自由电子从人射光中吸收一个光子后,就会得到能M心,如果“大于电子从金属表面逸出所需的逸出功,这个电子就可从金M表面逸出,所逸出的电子可被称为光电子。
 
  光伏效应(PhotoVoltaicEffect:PVE)是表示半导体表面在太阳光的照射下,光子的能最被吸收,使电子从价带跃II到导带,从而产生电子-空穴对。一般的半导体的能隙宽度多在1.2eV之间,而太阳辐射的光子能M分布在0.5.5eV,即从紫外线、可见光到直到近红外线范闱。此外,在半导体中可以传导的除了带负电的电子外,还宥带正电的空穴,这两种不同导电类铟的载流子的导电机制是金属中所没有的,这也是造成半导体成为太阳电池主导村料的原因所在。
 
  光电化学效应(photoelectrochemicaleffect)也可通过光照产生电压,一般会涉及电介质和化学反应a染料敏化太阳电池就娃以此效应为基础的。
 
  光电效应与光伏效应在本质上是相同的,而就所产生的电子的位置Ifl丨言,也可以将这两者区分为外光电效应和内光电效应。但不管是光电效应、光伏效应还是光化学效应都可以产生光电子,这也是形成光电流(photocurrent)的一个必要条件。目前人们荇遍认为,光伏效应是太阳电池发展的基础,而作为光能到电能的转换器件的太阳电池必须具备以下三个基本条件
 
  (1>人射光子能够被吸收并产生电子-空穴对。
 
  (2>所产生的电子-空穴对在可能的复合之前就能够被分离开来。
 
  (3)分开的电子与空穴能够被传输到外电路及电负载上。
 
  按照以上条件,最适合的材料就是半导体。像所有半导体器件一样,实现太阳电池的核心结构也是p~n结,而p~n结中的空间电荷区由施主正离子和受主负离了-形成的内逑电场足实现电子-空穴分离的最取要的物理条件。就以p~n结为基础的品体硅太阳电池而言,在太阳光照射下,太阳电池的光电流主要来ft以下三个部分
 
  (1)空间电荷K的电子和空穴在内建电场作用下形成的漂移电流。
 
  (2)n-Si区的少数载流子一空穴所形成的扩散电流。
 
  (3)p-Si区的少数载流子--电子所形成的扩散电流。
 
  一般而论,太阳电池娃指任何能将太阳光直接转换为电力的一种半导体器件,值得注意的是实现光能到电能的直接转换,没冇任何中间转换过程B太阳电池也可以称为光伏电池,这主要莛按照半导体材料所依据的光伏效应而论,在实际使州过程中,都是将一定数设的太m电池进行串联连接,并使用无机与有机材料通过真空封装做成板块状结构,一般称为太阳电池组件或光伏组件。
 
  国际上普遍认为光伏现象(光伏组件回收)是法N科学家亚历山大•埃徳蒙•贝克勒尔(AlcxsandreEdmondBecquere丨)首先发现的:13,250,伹軍实上当时只有19岁的贝克勒尔所提交给法_科学院的论文中只川了“光电流”现象一词并没有出现光伏(PV)的概念后来人们普遍使用的光伏(PV)-同,主要原因是太H丨电池已经紧密地与半导体材料关联起来,实际上所谓光伏就是“光电”的意思。中文的”光伏”一阏•始特指光生伏打电源的简称,而理解为光生伏特娃不准确的。伏打是发明直流电源的意大利科学家,伏特是作为电压的单位,娃由伏打名字演变而来。中文将PV译成光伏,也许主要是光电一词用得太泛,如半导体照明涉及发光二极管(LED)技术娃通过电光转换实现,徂人们习惯都用光电技术替代。我国台湾与H本一般不用“光伏”一词,而只用“太阳电池”术语L27*3l],我国大陆普遍将“光伏”一词专用于利用半导体材料实现的太阳电池的发电技术。由此而论,参照LED所引发的半导体照明技术,光伏发电也可以理解为半导体发电技术。