太阳能电池工作原理.ppt

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1、第三章太阳能光伏发电技术3.1.太阳能光伏发展历史和现状3.2太阳能电池工作原理3.3太阳能电池制造工艺3.4太阳能光伏发电系统设备构成3.5独立光伏发电系统3.6并网光伏发电系统第二节太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理基本原理太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，即一些半导体材料受到光照时，载流子数量会剧增，导电能力随之增强，这就是半导体的光敏特性。基本原理当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子—空穴对。

2、这样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。基本原理如果半导体内存在P—N结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。基本原理若分别在P型层和N型层焊上金属引线，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。基本原理基本原理制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池

3、。下面我们以硅太阳能电池为例，详细介绍太阳能电池的工作原理。一、太阳能电池的物理基础1、本征半导体物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧，因而其导电性介于二者之间。1、本征

4、半导体定义：将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，相邻的原子形成共价键。共价键1、本征半导体晶体中的共价键具有极强的结合力，因此，在常温下，仅有极少数的价电子由于热运动（热激发）获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子。与此同时，在共价键中留下一个空穴。原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。在本征半导体中，自由电子与空穴是成对出现的，即自由电子与空穴数目相等。1、本征半导体本征激发:半导体在光照或热辐射激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。空穴自由电

5、子1、本征半导体复合:自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子和空穴对数目相等，故达到动态平衡。1、本征半导体能带理论：单个原子中的电子在绕核运动时，在各个轨道上的电子都各自具有特定的能量；越靠近核的轨道，电子能量越低；根据能量最小原理电子总是优先占有最低能级；能带理论解释本征激发1、本征半导体能带理论：价电子所占据的能带称为价带；价带的上面有一个禁带，禁带中不存在为电子所占据的能级；禁带之上则为导带，导带中的能级就是价电子挣脱

6、共价键束缚而成为自由电子所能占据的能级；禁带宽度用Eg表示，其值与半导体的材料及其所处的温度等因素有关。T=300K时，硅的Eg=1.1eV；锗的Eg=0.72eV。2、杂质半导体杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量杂质元素，便可得到杂质半导体。按掺入的杂质元素不用，可形成N型半导体和P型半导体；控制掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半导体的导电性能。2、杂质半导体N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。自由电子施主原子2、杂质半导体由于杂质原子的最外层有五个价电子，所

7、以除了与其周围硅原子形成共价键外，还多出一个电子。多出的电子不受共价键的束缚，成为自由电子。N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。由于杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子。2、杂质半导体P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。空位受主原子空穴2、杂质半导体由于杂质原子的最外层有三个价电子，所以当它们与其周围硅原子形成共价键时，就产生了一个“空位”，当硅原子的最外层电子填补此空位时，其共价键中便产生一个空穴。因而P型半导体中，空穴

8、为多子，自由电子为少子。因杂质原子中的空位吸收电子，故称之为受主原子。3、PN结PN结：采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。正离子负离子空穴自由电子空