太陽(yang)能電池的(de)工作原理 太陽(yang)能電池的(de)構造介紹

以前，從電(dian)(dian)的(de)(de)(de)角度來(lai)看，我們所(suo)用的(de)(de)(de)硅都是中性(xing)的(de)(de)(de)。多(duo)余的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)被磷(lin)中多(duo)余的(de)(de)(de)質子(zi)所(suo)中和(he)。缺失電(dian)(dian)子(zi)（空穴(xue)(xue)）由硼中缺失質子(zi)所(suo)中和(he)。當空穴(xue)(xue)和(he)電(dian)(dian)子(zi)在(zai)N型(xing)硅和(he)P型(xing)硅的(de)(de)(de)交(jiao)界(jie)處(chu)混合時，中性(xing)就被破(po)壞了。所(suo)有自由電(dian)(dian)子(zi)會(hui)填充所(suo)有空穴(xue)(xue)嗎？不會(hui)。如果是這樣(yang)，那么(me)整個準備工作就沒有什么(me)意義(yi)了。不過，在(zai)交(jiao)界(jie)處(chu)，它們確實會(hui)混合形(xing)成一(yi)道屏障，使(shi)得N側(ce)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)越來(lai)越難以抵(di)達P側(ce)。最終會(hui)達到(dao)平(ping)衡狀態，這樣(yang)我們就有了一(yi)個將兩側(ce)分開的(de)(de)(de)電(dian)(dian)場(chang)。

這個電(dian)場(chang)相當于一個二極管，允許(xu)（甚至(zhi)推動）電(dian)子(zi)從P側(ce)流向(xiang)N側(ce)，而不(bu)是相反。它就像一座山——電(dian)子(zi)可以輕松地(di)滑下山頭（到達N側(ce)），卻不(bu)能向(xiang)上攀升（到達P側(ce)）。

這樣(yang)，我們就得到了一個作用相當于二極管的電場，其中的電子只能向(xiang)一個方(fang)向(xiang)運動。讓我們來看一下(xia)在太陽光照射(she)電池(chi)時會(hui)發(fa)生(sheng)什么。

當光(guang)以光(guang)子的形式撞擊太(tai)陽能電(dian)池(chi)時，其能量(liang)會使電(dian)子空穴對釋放(fang)出來。

每個(ge)攜帶足(zu)夠能量的(de)(de)(de)(de)光子(zi)(zi)通常(chang)會正好釋(shi)放一個(ge)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)，從而產(chan)生一個(ge)自由(you)的(de)(de)(de)(de)空穴。如(ru)果這發(fa)生在(zai)離電(dian)(dian)(dian)場足(zu)夠近的(de)(de)(de)(de)位置，或者自由(you)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)和自由(you)空穴正好在(zai)它(ta)(ta)的(de)(de)(de)(de)影響范圍之(zhi)內，則電(dian)(dian)(dian)場會將電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)送(song)(song)到N側，將空穴送(song)(song)到P側。這會導(dao)致電(dian)(dian)(dian)中性(xing)進一步(bu)被破壞，如(ru)果我們(men)提供(gong)(gong)一個(ge)外部(bu)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)通路，則電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)會經(jing)過該通路，流(liu)(liu)(liu)(liu)向它(ta)(ta)們(men)的(de)(de)(de)(de)原始側（P側），在(zai)那里與(yu)電(dian)(dian)(dian)場發(fa)送(song)(song)的(de)(de)(de)(de)空穴合并，并在(zai)流(liu)(liu)(liu)(liu)動的(de)(de)(de)(de)過程中做(zuo)功(gong)。電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)流(liu)(liu)(liu)(liu)動提供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)，電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)場產(chan)生電(dian)(dian)(dian)壓(ya)。有(you)了電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)和電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，我們(men)就有(you)了功(gong)率，它(ta)(ta)是二者的(de)(de)(de)(de)乘積。

我們的(de)(de)光(guang)(guang)伏電(dian)池可(ke)以吸(xi)(xi)收(shou)多(duo)少(shao)太(tai)陽光(guang)(guang)的(de)(de)能量(liang)？遺(yi)憾的(de)(de)是，此(ci)處介紹的(de)(de)簡易電(dian)池對(dui)太(tai)陽光(guang)(guang)能量(liang)的(de)(de)吸(xi)(xi)收(shou)率(lv)至多(duo)為(wei)(wei)25%左右，通常的(de)(de)吸(xi)(xi)收(shou)率(lv)是15%或更低(di)。為(wei)(wei)什么吸(xi)(xi)收(shou)率(lv)會這(zhe)么低(di)？

可(ke)見光只是電磁頻(pin)譜的(de)一部分(fen)。電磁輻射不(bu)是單(dan)頻(pin)的(de)——它由一系列(lie)不(bu)同波長（進而產生(sheng)的(de)一系列(lie)能級）組(zu)成。（有關電磁頻(pin)譜的(de)詳細介紹，請參閱狹義相對論基(ji)本原理。）

光(guang)可分為(wei)不(bu)同波長(chang)，我們可以通過(guo)彩(cai)虹(hong)看出這一點(dian)。由于(yu)射到電(dian)(dian)池的(de)(de)(de)(de)光(guang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)子(zi)能(neng)(neng)(neng)量(liang)范圍很廣，因此有些光(guang)子(zi)沒有足夠(gou)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)來形成(cheng)電(dian)(dian)子(zi)空(kong)穴(xue)對(dui)。它們只(zhi)是(shi)(shi)穿過(guo)電(dian)(dian)池，就像電(dian)(dian)池是(shi)(shi)透明的(de)(de)(de)(de)一樣。但其他(ta)一些光(guang)子(zi)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)卻很強(qiang)。只(zhi)有達到一定的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang) -- 單位(wei)為(wei)電(dian)(dian)子(zi)伏(fu)特（eV），由電(dian)(dian)池材料（對(dui)于(yu)晶體(ti)硅，約為(wei)1.1eV）決定——才能(neng)(neng)(neng)使(shi)電(dian)(dian)子(zi)逸出。我們將這個(ge)能(neng)(neng)(neng)量(liang)值稱為(wei)材料的(de)(de)(de)(de)帶(dai)隙能(neng)(neng)(neng)量(liang)。如果光(guang)子(zi)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)比所需(xu)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)多，則多余的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)會損失(shi)掉（除非光(guang)子(zi)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)是(shi)(shi)所需(xu)能(neng)(neng)(neng)量(liang)的(de)(de)(de)(de)兩(liang)倍，并(bing)且可以創(chuang)建多組(zu)電(dian)(dian)子(zi)空(kong)穴(xue)對(dui)，但這種效(xiao)應并(bing)不(bu)重要(yao)）。僅這兩(liang)種效(xiao)應就會造(zao)成(cheng)電(dian)(dian)池中70%左右(you)的(de)(de)(de)(de)輻射能(neng)(neng)(neng)損失(shi)。

為何我們不選擇(ze)一種帶隙(xi)很低(di)的材料(liao)，以便利用(yong)更(geng)多的光子？遺(yi)憾的是，帶隙(xi)還決(jue)定(ding)了電(dian)(dian)(dian)場強度（電(dian)(dian)(dian)壓(ya)），如果帶隙(xi)過(guo)(guo)低(di)，那么在增(zeng)大(da)電(dian)(dian)(dian)流（通過(guo)(guo)吸(xi)收更(geng)多電(dian)(dian)(dian)子）的同(tong)時(shi)，也會損(sun)失一定(ding)的電(dian)(dian)(dian)壓(ya)。請記住，功率是電(dian)(dian)(dian)壓(ya)和電(dian)(dian)(dian)流的乘積。最優帶隙(xi)能量必須(xu)能平(ping)衡這(zhe)兩種效應，對(dui)于由(you)單一材料(liao)制成的電(dian)(dian)(dian)池(chi)，這(zhe)個值約為1.4電(dian)(dian)(dian)子伏(fu)特。

我們還有(you)(you)(you)其(qi)他能(neng)量損(sun)失(shi)。電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)必(bi)須通過外部(bu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路從(cong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的一側流到另一側。我們可(ke)以(yi)在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)底部(bu)鍍(du)上一層金(jin)屬(shu)，以(yi)保證良(liang)好的導電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)性。但如(ru)果我們將電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)頂部(bu)完全鍍(du)上金(jin)屬(shu)，光子(zi)將無法(fa)穿過不(bu)透光導體，這樣就會(hui)喪失(shi)所有(you)(you)(you)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流（在(zai)某些電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)中，只(zhi)有(you)(you)(you)上表面而(er)非所有(you)(you)(you)位(wei)置(zhi)使用(yong)了透明導體）。如(ru)果我們只(zhi)在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的兩(liang)側設置(zhi)觸(chu)點，則電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)需要經過很長一段距離（對于電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)而(er)言）才能(neng)抵達接(jie)觸(chu)點。要知道，硅是半(ban)導體，它(ta)(ta)傳輸電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流的性能(neng)沒(mei)有(you)(you)(you)金(jin)屬(shu)那么好。它(ta)(ta)的內部(bu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)（稱為串聯電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)）相當高，而(er)高電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)意味著高損(sun)耗。為了最大(da)限度地(di)降低這些損(sun)耗，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)上覆(fu)有(you)(you)(you)金(jin)屬(shu)接(jie)觸(chu)網，它(ta)(ta)可(ke)縮短電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)移動的距離，同時只(zhi)覆(fu)蓋電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)表面的一小部(bu)分。即使是這樣，有(you)(you)(you)些光子(zi)也(ye)會(hui)被網格(ge)阻(zu)止，網格(ge)不(bu)能(neng)太小，否則它(ta)(ta)自身(shen)的電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)就會(hui)過高。

在(zai)實際(ji)使用(yong)(yong)電(dian)池(chi)之(zhi)前(qian)，還要執(zhi)行其他幾(ji)個(ge)步驟。硅(gui)是一種(zhong)有(you)光(guang)澤的(de)材料，這意味著(zhu)它的(de)反(fan)射(she)(she)性能(neng)很好。被(bei)反(fan)射(she)(she)的(de)光(guang)子不能(neng)被(bei)電(dian)池(chi)利(li)用(yong)(yong)。出于這個(ge)原因，在(zai)電(dian)池(chi)頂(ding)部采(cai)用(yong)(yong)抗(kang)反(fan)射(she)(she)涂層，可將反(fan)射(she)(she)損失降(jiang)低到5%以下。

最后一步是安裝玻(bo)璃(li)蓋板(ban)，用(yong)(yong)來將電(dian)(dian)(dian)池(chi)與元件分(fen)開(kai)，以保護電(dian)(dian)(dian)池(chi)。光伏模塊(kuai)由(you)多塊(kuai)電(dian)(dian)(dian)池(chi)（通常(chang)是36塊(kuai)）串聯和并聯而成，以提供可用(yong)(yong)的(de)電(dian)(dian)(dian)壓和電(dian)(dian)(dian)流(liu)等級，這些電(dian)(dian)(dian)池(chi)放在一個堅(jian)固的(de)框架中，后部分(fen)別引出(chu)正極(ji)端子(zi)和負極(ji)端子(zi)，并用(yong)(yong)玻(bo)璃(li)蓋板(ban)封(feng)上(shang)。

單晶(jing)硅(gui)并非光(guang)(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)中使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)唯一材(cai)料(liao)。電(dian)池(chi)材(cai)料(liao)中還(huan)采(cai)用(yong)(yong)(yong)(yong)了(le)多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)，盡管這樣生產出來的(de)(de)(de)(de)電(dian)池(chi)不如單晶(jing)硅(gui)電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率高(gao)，但可以(yi)降低(di)成本(ben)。此外(wai)，還(huan)采(cai)用(yong)(yong)(yong)(yong)了(le)沒有(you)(you)晶(jing)體(ti)結構的(de)(de)(de)(de)非晶(jing)硅(gui)，這樣做同(tong)(tong)樣是為(wei)(wei)了(le)降低(di)成本(ben)。使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)其(qi)他材(cai)料(liao)還(huan)包括砷化(hua)鎵(jia)、硒(xi)化(hua)銦銅和(he)碲(di)化(hua)鎘。由于(yu)不同(tong)(tong)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)帶隙(xi)不同(tong)(tong)，因(yin)此它們似乎針(zhen)對不同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)波長(chang)或(huo)不同(tong)(tong)能(neng)量(liang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)子(zi)進行了(le)“調諧”。一種提高(gao)效(xiao)(xiao)率的(de)(de)(de)(de)方(fang)法是使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)(yong)兩層(ceng)或(huo)者多(duo)(duo)層(ceng)具有(you)(you)不同(tong)(tong)帶隙(xi)的(de)(de)(de)(de)不同(tong)(tong)材(cai)料(liao)。帶隙(xi)較高(gao)的(de)(de)(de)(de)材(cai)料(liao)放在表面，吸(xi)收(shou)較高(gao)能(neng)量(liang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)子(zi)；而帶隙(xi)較低(di)的(de)(de)(de)(de)材(cai)料(liao)放在下方(fang)，吸(xi)收(shou)較低(di)能(neng)量(liang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)子(zi)。這項技術可大大提高(gao)效(xiao)(xiao)率。這樣的(de)(de)(de)(de)電(dian)池(chi)稱(cheng)為(wei)(wei)多(duo)(duo)接面電(dian)池(chi)，它們可以(yi)有(you)(you)多(duo)(duo)個電(dian)場。