2018-01-08
太阳能电池片科普系列——发电原理篇

太阳能光伏发电一般指能利用半导体直接将光能转换为电能的一种能源形式。晶硅类太阳能电池是最普遍的一种形式,太阳能电池起源于1839年,法国贝克勒尔是第一个发现了液态电解质的光生伏特现象的科学家。其一般构造如图所示,在基体硅中渗入棚原子以后,便会产生空穴。同理,在基体硅中掺入磷原子以后,由于磷原子相比于硅原子,其最外层是具有五个电子的特殊结构,相比于硅原子的四电子结构就会有多出来的一个电子变得非常活跃,叫做N型半导体。晶体硅太阳能电池片主要是用硅半导体材料作为基体制成较大面积的平面PN结,即在规格大约为15 cm×15 cm的P型硅片上经扩散炉扩散磷原子,扩散出一层很薄的经过重掺杂的N型层。然后经刻蚀到达PECVD在整个N型层表面上镀上一层减反射膜用来减少太阳光的反射损失,达到丝网在扩散面印刷上金属栅线作为太阳能电池片的正面接触电极。在刻蚀面印刷金属膜,作为太阳能电池片的背面欧姆接触电极,并烧结封装。

 

当有具定能量的光子照射到太阳能电池片上时,会生成许多新的电子-空穴对。因为电池材料的不断吸收导致入射光强不断减小,因此沿着入射方向,电池片内部电子-空穴对的密度逐渐减小,在浓度差的作用下电子-空穴对向着电池片内部做扩散运动。当电子-空穴对扩散达到PN结界限时,会在内建电场的作用下被拆分,空穴、电子受力从而被推向P区和N区,如果此时电路正处于开路的状态,那么这些光生电子和空穴就会分别集聚在P区和N 区周围,P区便会得到附加正电荷,同理N区便会得到附加负电荷,P区与N区累积的正负电荷就会在PN结上产生光生电动势,若此时接通太阳能电池片的正负极就会形成电流。此时PN结的内部就会形成了由N区指向P区的光生电流产生。

 

光生电流示意图

一、P型半导体的形成

如图,正电荷表示硅原子,负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子

 

当硅晶体中掺入硼时(如下图),负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子,因为硼原子周围只有三个电子,所以就会产生入图所示的蓝色的空穴,这个空穴因为没有电子而变得很不稳定容易吸收电子而中和,形成P型半导体。

 

二、N型半导体的形成

 

如上图所示,正电荷表示硅原子,负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子

 

掺入磷原子以后(如上图),因为磷原子有五个电子,所以就会有一个电子变得非常活跃,形成N型半导体。黄色代表掺入的磷原子,红色代表多出来的电子。

三、P-N结的形成

将一块P型半导体和N型半导体紧密连接在一起,这种紧密连接不能有缝隙,是一种原子半径尺度上的紧密连接。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程。值得注意的是太阳能电池片在现实当中,是不能够实现P型和N型两种类型电池接触而形成PN结的,因为没办法做到分子级别拼接,实际生产过程中多为在P型硅的基础上单面扩散制得N型。

 

图中兰色小圆为多子电子;红色小圆为多子空穴。N型半导体中的多子电子的浓度远大于P型半导体中少子电子的浓度;P型半导体中多子空穴的浓度远大于N型半导体中少子空穴的浓度。于是在两种半导体的界面上会因载流子的浓度差发生了扩散运动,见上图。

随着扩散运动的进行,在界面N区的一侧,随着电子向P区的扩散,杂质变成正离子;在界面P区的一侧,随着空穴向N区的扩散,杂质变成负离子。杂质在晶格中是不能移动的,所以在N型和P型半导体界面的N型区一侧会形成正离子薄层;在P型区一侧会形成负离子薄层。这种离子薄层会形成一个电场,方向是从N区指向P区,称为内电场,见下图。


 

内电场的出现及内电场的方向会对扩散运动产生阻碍作用,限制了扩散运动的进一步发展。在半导体中还存在少子,内电场的电场力会对少子产生作用,促使少数载流子产生漂移运动。

我们称从N区指向P区的内电场为PN结,简单的描述为:N型半导体中含有较多的空穴,而P型半导体中含有较多的电子,这样,当P型和N型半导体结合在一起时,就会在接触面形成电势差,这就是PN结。 

 

 

电池组件受照射时,输出电功率与入射光功率之比称为电池组件的效率也称光电转换效率。

 

传统晶硅太阳能电池效率的理论极限为28.8%(此处不包含硅基复合其他材料太阳能电池)