太陽能(neng)電池(chi)的工(gong)作原理 太陽能(neng)電池(chi)的構造(zao)介紹

以(yi)前(qian)，從(cong)電(dian)的角度來看，我(wo)們所用的硅(gui)都是中(zhong)性的。多余的電(dian)子(zi)被(bei)磷中(zhong)多余的質子(zi)所中(zhong)和。缺失(shi)電(dian)子(zi)（空穴）由硼(peng)中(zhong)缺失(shi)質子(zi)所中(zhong)和。當空穴和電(dian)子(zi)在(zai)N型硅(gui)和P型硅(gui)的交界處混合(he)時(shi)，中(zhong)性就(jiu)被(bei)破壞了(le)。所有自由電(dian)子(zi)會(hui)填(tian)充所有空穴嗎？不會(hui)。如果是這樣(yang)，那(nei)么(me)整個準(zhun)備工(gong)作(zuo)就(jiu)沒有什么(me)意義了(le)。不過，在(zai)交界處，它們確(que)實會(hui)混合(he)形成(cheng)一道(dao)屏障，使得(de)N側(ce)的電(dian)子(zi)越(yue)來越(yue)難以(yi)抵達(da)P側(ce)。最終會(hui)達(da)到平(ping)衡狀態，這樣(yang)我(wo)們就(jiu)有了(le)一個將(jiang)兩側(ce)分(fen)開的電(dian)場(chang)。

這個電(dian)場(chang)相當于一個二極管，允許（甚至(zhi)推(tui)動(dong)）電(dian)子從(cong)P側(ce)流(liu)向N側(ce)，而不是相反。它(ta)就像一座山(shan)——電(dian)子可以輕松地滑下山(shan)頭（到達N側(ce)），卻不能向上(shang)攀升（到達P側(ce)）。

這樣(yang)，我(wo)們就得到了一(yi)(yi)個作用相當于二極(ji)管的電場，其中(zhong)的電子只能向(xiang)一(yi)(yi)個方向(xiang)運(yun)動。讓我(wo)們來看一(yi)(yi)下在太陽(yang)光照(zhao)射電池時會發生什么。

當光以光子的形(xing)式(shi)撞擊太(tai)陽能電池時，其能量(liang)會使(shi)電子空(kong)穴對釋(shi)放出來(lai)。

每(mei)個攜帶(dai)足夠(gou)能(neng)量的(de)(de)(de)光子通(tong)常會(hui)正(zheng)好釋放一(yi)(yi)個電(dian)(dian)(dian)(dian)子，從而產生一(yi)(yi)個自(zi)由的(de)(de)(de)空穴。如(ru)(ru)果(guo)這發(fa)生在離電(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)足夠(gou)近(jin)的(de)(de)(de)位置，或者自(zi)由電(dian)(dian)(dian)(dian)子和自(zi)由空穴正(zheng)好在它(ta)的(de)(de)(de)影響范(fan)圍之內(nei)，則(ze)電(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)會(hui)將電(dian)(dian)(dian)(dian)子送(song)到N側(ce)，將空穴送(song)到P側(ce)。這會(hui)導致電(dian)(dian)(dian)(dian)中性進一(yi)(yi)步被破壞，如(ru)(ru)果(guo)我們(men)提供一(yi)(yi)個外部電(dian)(dian)(dian)(dian)流通(tong)路(lu)，則(ze)電(dian)(dian)(dian)(dian)子會(hui)經過(guo)該(gai)通(tong)路(lu)，流向它(ta)們(men)的(de)(de)(de)原(yuan)始側(ce)（P側(ce)），在那里與電(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)發(fa)送(song)的(de)(de)(de)空穴合并，并在流動的(de)(de)(de)過(guo)程中做功。電(dian)(dian)(dian)(dian)子流動提供電(dian)(dian)(dian)(dian)流，電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)產生電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)。有了(le)電(dian)(dian)(dian)(dian)流和電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)，我們(men)就有了(le)功率，它(ta)是二者的(de)(de)(de)乘積。

我們的(de)光伏電(dian)池(chi)可以(yi)吸收(shou)多少太陽光的(de)能量？遺(yi)憾的(de)是，此處介(jie)紹的(de)簡易電(dian)池(chi)對太陽光能量的(de)吸收(shou)率(lv)(lv)至多為25%左(zuo)右，通常的(de)吸收(shou)率(lv)(lv)是15%或更(geng)低。為什(shen)么(me)吸收(shou)率(lv)(lv)會這(zhe)么(me)低？

可見光只是電(dian)磁頻(pin)譜的(de)一(yi)(yi)部分。電(dian)磁輻射不是單頻(pin)的(de)——它由一(yi)(yi)系(xi)列(lie)不同波長（進(jin)而產(chan)生的(de)一(yi)(yi)系(xi)列(lie)能級）組成。（有關電(dian)磁頻(pin)譜的(de)詳(xiang)細介紹，請參閱狹義相對論(lun)基本原理。）

光(guang)(guang)可分為(wei)不同波長，我們可以通(tong)過(guo)彩虹(hong)看(kan)出這一(yi)點(dian)。由于射到(dao)電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)子能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)范圍很廣，因此有些(xie)光(guang)(guang)子沒有足(zu)夠的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)來形成電(dian)子空穴對(dui)。它們只是(shi)穿過(guo)電(dian)池(chi)(chi)，就(jiu)像(xiang)電(dian)池(chi)(chi)是(shi)透明的(de)(de)(de)一(yi)樣。但(dan)其他一(yi)些(xie)光(guang)(guang)子的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)卻很強。只有達到(dao)一(yi)定的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang) -- 單位為(wei)電(dian)子伏特（eV），由電(dian)池(chi)(chi)材料（對(dui)于晶體硅(gui)，約為(wei)1.1eV）決(jue)定——才能(neng)(neng)(neng)使電(dian)子逸出。我們將這個能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)值稱為(wei)材料的(de)(de)(de)帶隙能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)。如果光(guang)(guang)子的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)比(bi)所需的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)多(duo)，則多(duo)余(yu)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)會損失掉(diao)（除非光(guang)(guang)子的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)是(shi)所需能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)兩(liang)倍，并且可以創建多(duo)組電(dian)子空穴對(dui)，但(dan)這種(zhong)效(xiao)應并不重(zhong)要）。僅(jin)這兩(liang)種(zhong)效(xiao)應就(jiu)會造成電(dian)池(chi)(chi)中70%左右的(de)(de)(de)輻射能(neng)(neng)(neng)損失。

為何我們不選擇一種帶(dai)隙很低的(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)料，以(yi)便利用更多的(de)(de)(de)(de)光子(zi)？遺(yi)憾的(de)(de)(de)(de)是，帶(dai)隙還決定了電(dian)場強度（電(dian)壓(ya)），如果(guo)帶(dai)隙過低，那么在(zai)增大電(dian)流(liu)(liu)（通過吸收更多電(dian)子(zi)）的(de)(de)(de)(de)同時，也會(hui)損(sun)失一定的(de)(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)。請記住，功率是電(dian)壓(ya)和電(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)(de)(de)乘積。最優帶(dai)隙能量必須能平衡這兩種效應，對于由單一材(cai)(cai)料制成的(de)(de)(de)(de)電(dian)池，這個值約(yue)為1.4電(dian)子(zi)伏特。

我們(men)還(huan)有(you)(you)其他能(neng)量損(sun)失(shi)。電(dian)(dian)(dian)子必須通過外部(bu)電(dian)(dian)(dian)路從電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)一(yi)側流(liu)到另一(yi)側。我們(men)可(ke)(ke)以在電(dian)(dian)(dian)池(chi)底(di)部(bu)鍍上(shang)一(yi)層金(jin)屬(shu)，以保證(zheng)良好的(de)(de)導(dao)電(dian)(dian)(dian)性(xing)。但如果我們(men)將電(dian)(dian)(dian)池(chi)頂部(bu)完全鍍上(shang)金(jin)屬(shu)，光子將無法(fa)穿過不透光導(dao)體，這樣就會喪失(shi)所(suo)有(you)(you)電(dian)(dian)(dian)流(liu)（在某些電(dian)(dian)(dian)池(chi)中，只(zhi)(zhi)有(you)(you)上(shang)表面(mian)(mian)而非所(suo)有(you)(you)位置(zhi)使(shi)用了透明導(dao)體）。如果我們(men)只(zhi)(zhi)在電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)兩側設(she)置(zhi)觸(chu)點，則(ze)電(dian)(dian)(dian)子需要(yao)經過很長一(yi)段(duan)距(ju)離（對于電(dian)(dian)(dian)子而言）才能(neng)抵達接(jie)觸(chu)點。要(yao)知(zhi)道，硅(gui)是半導(dao)體，它(ta)(ta)傳輸電(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)性(xing)能(neng)沒(mei)有(you)(you)金(jin)屬(shu)那么好。它(ta)(ta)的(de)(de)內部(bu)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)（稱為串聯電(dian)(dian)(dian)阻(zu)）相當高(gao)，而高(gao)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)意(yi)味著高(gao)損(sun)耗(hao)。為了最大限(xian)度地降低這些損(sun)耗(hao)，電(dian)(dian)(dian)池(chi)上(shang)覆有(you)(you)金(jin)屬(shu)接(jie)觸(chu)網(wang)，它(ta)(ta)可(ke)(ke)縮短電(dian)(dian)(dian)子移動的(de)(de)距(ju)離，同(tong)時只(zhi)(zhi)覆蓋電(dian)(dian)(dian)池(chi)表面(mian)(mian)的(de)(de)一(yi)小部(bu)分。即使(shi)是這樣，有(you)(you)些光子也(ye)會被(bei)網(wang)格(ge)阻(zu)止(zhi)，網(wang)格(ge)不能(neng)太小，否則(ze)它(ta)(ta)自身的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)就會過高(gao)。

在(zai)(zai)實際使(shi)用電池(chi)之前，還要執行其他幾(ji)個(ge)步驟。硅是一種有光澤的(de)材料，這意味著它的(de)反射性能很(hen)好。被反射的(de)光子不能被電池(chi)利用。出于(yu)這個(ge)原因，在(zai)(zai)電池(chi)頂部(bu)采用抗(kang)反射涂層，可將(jiang)反射損失(shi)降低(di)到5%以(yi)下。

最后一步(bu)是安裝玻璃(li)蓋板(ban)，用(yong)來將電(dian)池(chi)(chi)與元件分開，以(yi)(yi)保護電(dian)池(chi)(chi)。光伏模塊(kuai)由多塊(kuai)電(dian)池(chi)(chi)（通常是36塊(kuai)）串(chuan)聯和(he)并(bing)(bing)聯而成(cheng)，以(yi)(yi)提(ti)供可用(yong)的(de)電(dian)壓和(he)電(dian)流等級，這些電(dian)池(chi)(chi)放在一個堅固的(de)框架中(zhong)，后部分別引出正極(ji)端子和(he)負極(ji)端子，并(bing)(bing)用(yong)玻璃(li)蓋板(ban)封(feng)上。

單晶(jing)硅并非光伏電(dian)(dian)池(chi)中使(shi)(shi)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)唯一材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)。電(dian)(dian)池(chi)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)中還(huan)采(cai)用(yong)了(le)多晶(jing)硅，盡(jin)管這(zhe)(zhe)樣生產出(chu)來的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)不(bu)如單晶(jing)硅電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)效率(lv)高(gao)(gao)(gao)，但可(ke)以(yi)(yi)降(jiang)低成(cheng)本(ben)。此外(wai)，還(huan)采(cai)用(yong)了(le)沒有(you)晶(jing)體結構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)非晶(jing)硅，這(zhe)(zhe)樣做同(tong)樣是為了(le)降(jiang)低成(cheng)本(ben)。使(shi)(shi)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)其他(ta)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)還(huan)包(bao)括砷化鎵(jia)、硒化銦銅和碲化鎘。由于不(bu)同(tong)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)帶(dai)(dai)(dai)隙不(bu)同(tong)，因此它(ta)(ta)們(men)似乎(hu)針對不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)波(bo)長或不(bu)同(tong)能(neng)量的(de)(de)(de)(de)(de)光子進行(xing)了(le)“調諧”。一種(zhong)提高(gao)(gao)(gao)效率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)方法是使(shi)(shi)用(yong)兩(liang)層或者多層具(ju)有(you)不(bu)同(tong)帶(dai)(dai)(dai)隙的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)同(tong)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)。帶(dai)(dai)(dai)隙較高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)放(fang)在表(biao)面，吸收(shou)(shou)較高(gao)(gao)(gao)能(neng)量的(de)(de)(de)(de)(de)光子；而帶(dai)(dai)(dai)隙較低的(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)放(fang)在下方，吸收(shou)(shou)較低能(neng)量的(de)(de)(de)(de)(de)光子。這(zhe)(zhe)項(xiang)技術可(ke)大(da)大(da)提高(gao)(gao)(gao)效率(lv)。這(zhe)(zhe)樣的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)稱(cheng)為多接面電(dian)(dian)池(chi)，它(ta)(ta)們(men)可(ke)以(yi)(yi)有(you)多個(ge)電(dian)(dian)場(chang)。