2018-04-24 17:53:30

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光电转换过程的原理是光子将能量传递给电子使其运动从而形成电流。这一过程有两种解决途径,最常见的一种是使用以硅为主要材料的固体装置,另一种则是使用光敏染料分子来捕获光子的能量。染料分子吸收光子能量后将使半导体中的带负电的电子和带正电的空穴分离。

基本信息

  • 用途

    可再生能源开发

  • 应用

    太阳光电池

目录

折叠 编辑本段 简介

在众多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳光电池、多晶硅太阳光电池及非晶硅太阳光电池等三种太阳光电池主要功能在将光能转换成电能,这个现象称之为光伏效应(photovoltaiceffect)。光伏效应在19世纪即被发现,早期用来制造硒光电池,直到晶体管发明后半导体特性及相关技术才逐渐成熟,使太阳光电池的制造变为可能。

折叠 编辑本段 因素

太阳光电池之所以能将光能转换成电能主要有两个因素:一是光导效应(photoconductive effect);

二是内部电场,因此在选取太阳能电池的材料时,必须要考虑到材料的光导效应及如何产生内部电场。

折叠 编辑本段 材料

通过光生伏特效应将太阳能转换为电能的材料。主要用于制作太阳能电池。太阳是一个巨大的能源库,地球上一年中接收到的太阳能高达1.8×10 (18次方) 千瓦时。研究和发展光电转换材料的目的是为了利用太阳能。光电转换材料的工作原理是:将相同的材料或两种不同的半导体材料做成PN结电池结构,当太阳光照射到PN结电池结构材料表面时,通过PN结将太阳能转换为电能。太阳能电池对光电转换材料的要求是转换效率高、能制成大面积的器件,以便更好地吸收太阳光。已使用的光电转换材料以单晶硅多晶硅非晶硅为主。用单晶硅制作的太阳能电池,转换效率高达20%,但其成本高,主要用于空间技术。多晶硅薄片制成的太阳能电池,虽然光电转换效率不高(约10%),但价格低廉,已获得大量应用。此外,化合物半导体材料、非晶硅薄膜作为光电转换材料,也得到研究和应用。

折叠 编辑本段 原理

光照射在物质上时,部份的光会被物质吸收,部份的光则经由反射或穿透等方式离开物质,选取太阳光电池材料的第一考量就是吸光效果要很好,如此才能使输出功率增加。选取太阳光电池材料的第二考量是光导效果,欲选取光导效果佳的材料首先必须了解太阳光的成分及其能量分布状况,进而找出适当的物质作为太阳光电池的材料。

当电子从外界获得能量时将会跳到较高的能阶,获得的能量越多跳的能阶也越高,电子处在较高的能阶时并不稳定,很快就会把获得的能量释放回到原来的能阶。如果电子获得的能量够高就摆脱原子核的束缚成为自由电子,电子空出来的位置则称为空穴。自由电子可能会因为摩擦或碰撞等因素损失能量,最后受到空穴的吸引而复合。例如,硅的最外层电子要成为自由电子需要吸收1.1ev的能量,当硅最外层电子吸收到的光能量超过1.1ev时将会产生自由电子及空穴,称之为光生电子空穴对(light-generatedelectron-holepairs)。电子空穴对的数目越多导电的效果也越好,因为光使得导电效果变好的现象称之为光导效应(photoconductiveeffect)。

自由电子空穴的多寡对电气特性有很大的影响,越多的自由电子与空穴可以使导电性增加,同时也可以使输出电流增加,因此可以推测阳光越强时生成的自由电子与空穴越多,则输出电流也越大。然而如果只是单纯的产生自由电子与空穴,将会因为摩擦及碰撞等因素失去能量,最后自由电子会与空穴复合而无法利用。为更有效的利用由电子与空穴来产生电流,因此必须加入电场使自由电子与空穴分离进而产生电流。产生电场的方式很多如PN接面、金属半导体接面等,其中最常用的方式为PN接面。

提高自由电子浓度常用的方法是在硅中加入少量的五价原子,五价原子的四个价电子与硅键结后剩下一个价电子,使剩下的价电子游离只需要0.05ev,比原来的1.1ev小很多,在室温超过200度k时即可使所有杂质产生自由电子,同样在硅中加入少量的三价原子可以提高空穴浓度。在硅中加入五价原子后称之为N型半导体,加入三价原子后称之为P型半导体。N型半导体及P型半导体虽然带有自由电子或空穴但本身仍然保持电中性,如果N型半导体及P型半导体内杂质浓度均匀分布则内部没有电场存在。若将N型半导体及P型半导体接和在一起,会因为两边自由电子与空穴的浓度不同产生扩散。N型半导体中自由电子浓度较高,因此自由电子由N型半体向P型半导体扩散,同样的空穴会由P型半导体向N型半导体扩散。扩散的结果使得接面附近的N型半导体失去电子得到空穴而带正电,P型半导体失去空穴得到电子而带负电。因为电荷密度不均因此在接面附近产生电场,如果有自由电子或空穴在电场内产生,则会因为受到电场的作用而移动,自由电子向N型半导体移动,而电洞向P型半导体移动,因此这个区域缺乏自由电子或空穴而称之为空乏区。当光照射在空乏区内将硅原子的电子激发产生光生电子与空穴对,电子与空穴对会因为电场作用而使电池内的电荷往两端集中,此时只要外加电路将两端连接即可利用电池内的电力,这即是所谓的光电效应,也是太阳光电池的转换原理。

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