2017-03-03 17:40:03

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物理理论
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光电池(photovoltaic cell,注意photocell一般指光敏电阻),是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。它是是能在光的照射下产生电动势的元件。用于光电转换、光电探测及光能利用等方面。

基本信息

  • 中文名

    光电池

  • 外文名

    photovoltaic cell

  • 性    质

    半导体元件

  • 特    点

    光的照射下产生电动势

折叠 编辑本段 基本释义

光电池是能在光的照射下产生电动势的元件。用于光电转换、光电探测及光能利用等方面。人们最早发现和应用的是硒光电池。它的原理是硒在光作用下产生电子被电极收集而产生电动势。后来又发现和应用了各种半导体材料的光电池,如硅光电池、硫化银电池等。它的原理是半导体的p-n结在光的作用下产生新的电子-空穴对,电子和空穴在p-n结电场的作用下移动到结的两边形成附加电势差。

折叠 编辑本段 原理

光电池也叫太阳能电池,直接把太阳光转变成电。因此光电池的特点是能够把地球从太阳辐射中吸收的大量光能转化换成电能。是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。光电池的种类很多,常用有硒光光电池光电池电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表,自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能,这种光电池又叫太阳能电池。太阳能电池作为能源广泛应用在人造地球卫星、灯塔、无人气象站等处

光伏发电是利用半导体pn结(pn junction)的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池(solar cell)。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件(module),再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制,因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。光伏发电是根据光生伏特效应原理, 当P-N结受光照时,样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴,N区产生的光生电子属多子,都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对(少子)扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉工作原理工作原理向N区,光生空穴被拉向P区,即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累,在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场,其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低,其减小量即光生电势差,P端正,N端负。于是有结电流由P区流向N区,其方向与光电流相反。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线,接通负载,则外电路便有电流通过,如此形成的一个个电池元件,把它们串联、并联起来,就能产生一定的电压和电流,输出功率。

折叠 编辑本段 结构

光电池是一种特殊的半导体二极管,能将可见光转化为直流电。有的光电池还可以将红外光和紫外光转化为直流电。光电池是太阳能电力系统内部的一个组成部分,太阳能电力系统在替代电力能源方面正有着越来越重要的地位。最早的光电池是用掺杂的氧化硅来制作的,掺杂的目的是为了影响电子或空穴的行为。其它的材料,例如CIS,CdTe和GaAs,也已经被开发用来作为光电池的材料。有二种基本类型的半导体材料,分别叫做正电型(或P型态)和负电型(或N型态)。在一个PV电池中,这些材料的薄片被一起放置,而且他们之间的实际交界叫做P-N结。通过这种结构方式,P-N结暴露于可见光,红外光或紫外线下,当射线照射到P-N结的时候,在P-N结的两侧产生电压,这样连接到P型材料和N型材料上的电极之间就会有电流通过。 一套PV电池能被一起连接形成太阳的模组,行列或面板。用来产生可用电能的PV电池就是光电伏特计。光电伏特计的主要优点之一是没有污染,只需要装置和阳光就可工作。另外的一个优点是太阳能是无限的。一旦光电伏特计系统被安装,它能提供在数年内提供能量而不需要花费,并且只需要最小的维护。

折叠 编辑本段 特点

光伏发电设备极为精 炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。单晶硅电池具有电池转换效率高,稳定性好,但是成本较高;非晶硅太阳电池则具有生产效率高,成本低廉,但是转换效率较低,而且效率衰减得比较厉害;铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定得转换的效率,而且性能价格比最高;薄膜晶体硅太阳能电池则还只能处在研发阶段。

折叠 编辑本段 分类

折叠 电源

直流电源可以分为电流电源,电压电源,光电池的特性很接近理想电流电源的特性,可以认为是理想电流电源。

折叠 电池

A. 单层光电池(Single-layer Solar Cell):

光电池像"三明治(Sandwich)",外两层是保护层,中间的一层是主体,由

硅(Silicon)物质组成。

硅原子中的"外层绕轨电子 (Orbit electron)"比较松动,易被「击 (Bombard)」出。

这和用硅制造「半导体(电晶体)」的考虑是一样的。再就是「硅」到处都是,

便宜,而且"物性"稳定。

光(Light)是由「光子 (Photon)」连续不断自太阳(Sun)射来。

白光中有「红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫 」 7 色频率(Frequency)的

"成份光 (component light) "。现今商用「光电池」所依赖的是「红光频率」。

光电池的表面,只让「红色光通过」,将他色光一律反射出去。

「红光子(Red light Photon)」将"矽"中的「外轨电子 (Orbit Electron)」

释出,由一导线引至转换器(Inverter*)中,直流电 变成交流电

(Alternating Current)。这种 交流电 与电力公司的 供电一样,可以「照明」、

「热水」、「烹饪」等用。

* 即 "整流器 (Rectifier)"的对等装置。整流器 可将 交流电 变成 直流电。

日间每家「产生」的电用不完,卖回给电力公司。晚间没有电,向电力公司买!

这样,屋顶装有「光电池」的家庭,每月只付有限的电费。家居负?大为减轻。

B. 多层光电池(Multi-layer Solar Cell):

单只用一个频率的光电池之效率很低。送至 Mars 火星上的 Mover 用的就是这种多层光电池(Multi-layer Solar Cell)三年多了,运转仍好。

折叠 编辑本段 用途

光伏发电产品主要用于三大方面:一是为无电场合提供电源,主要为广大无电地区居民生活生产提供电力,还有微波中 继电源、通讯电源等,另外,还包括一些移动电源和备用电源;二是太阳能日用电子产品,如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等;三是并网发电,这 在发达国家已经大面积推广实施。我国并网发电还未起步,不过,2008年北京奥运会部分用电将会由太阳能发电和风力发电提供。

折叠 编辑本段 案例

太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并 网发电,光伏发电系统主要太阳电池的等效电路太阳电池的等效电路由太阳能电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成,它们主要由电子元器件构成,不涉及机械部件。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括:单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。铸造多晶硅太阳能电池已经取代直拉单晶硅成为最主要的光伏材料。但是铸造多晶硅太阳能电池的转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池,材料中的各种缺陷,如晶界、位错、微缺陷,和材料中的杂质碳和氧,以及工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是电池转换效率较低的关键原因,因此关于铸造多晶硅中缺陷和杂质规律的研究,以及工艺中采用合适的吸杂,钝化工艺是进一步提高铸造多晶硅电池的关键。量产的单晶硅电池转换效率在17%左右,多晶硅电池转换效率在16%左右。而薄膜电池量产的转换效率为10%左右。

除了常用的单晶、多晶、非晶硅电池之外,多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。各国研究的品种繁多,大多数尚未工业化生产,主要有以下几种: a)硫化镉太阳能电池 b)砷化镓太阳能电池 c) 铜铟硒太阳能电池(新型多元带隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太阳能电池)

折叠 编辑本段 发展历史

1839年,安托石-贝克雷尔制造出了最早的光电池。贝克雷尔电池是一个圆柱体,内装硝酸铅溶液,溶液中进入一个铅阳极和一个氧化铜阴极。这种电池一经阳光照射,就会供给电流。

1875年,德国技师维尔纳-西门子是制成第一个硒光电池,并提议用于光量测定。西门子的光电池是根据1873年英国人史密斯发现的"内光电效应"提出的。

L.H.亚当斯于1876年指出,硒在光的作用下,不仅出现电阻的变化,而且在一定条件下还出现电动势,从而发现了"阻挡层效应"。阻挡层效应则成了光电池的基本原理。光电池被广泛地用于自动控制技术、信息电子学和测量技术。这些元件的性能约自1950年起,因半导体技术的发展而得到显著改善。

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