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在太陽(yáng)能的有效利用當(dāng)中;大陽(yáng)能光電利用是近些年來(lái)發(fā)展最快,最具活力的研究領(lǐng)域,是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。 太陽(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源,不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。
制作太陽(yáng)能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ),其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電于轉(zhuǎn)換反應(yīng),根據(jù)所用材料的不同,太陽(yáng)能電池可分為:
1、硅太陽(yáng)能電池;
2、以無(wú)機(jī)鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池;
3、功能高分子材料制備的大陽(yáng)能電池;
4、納米晶太陽(yáng)能電池等。
一、硅太陽(yáng)能電池
1.硅太陽(yáng)能電池工作原理與結(jié)構(gòu)
太陽(yáng)能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng),一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下:
圖中,正電荷表示硅原子,負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。
圖中,正電荷表示硅原子,負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。而黃色的表示摻入的硼原子,因?yàn)榕鹪又車(chē)挥?個(gè)電子,所以就會(huì)產(chǎn)生入圖所示的藍(lán)色的空穴,這個(gè)空穴因?yàn)闆](méi)有電子而變得很不穩(wěn)定,容易吸收電子而中和,形成P(positive)型半導(dǎo)體。
當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí),在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層),界面的P型一側(cè)帶負(fù)電,N型一側(cè)帶正電。這是由于P型半導(dǎo)體多空穴,N型半導(dǎo)體多自由電子,出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到P區(qū),P區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到N區(qū),一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由N指向P的“內(nèi)電場(chǎng)”,從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后,就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢(shì)差,這就是PN結(jié)。
當(dāng)晶片受光后,PN結(jié)中,N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動(dòng),而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動(dòng),從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢(shì)差,這就形成了電源。(如下圖所示)
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由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體,電子在通過(guò)p-n結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng),電阻非常大,損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬,陽(yáng)光就不能通過(guò),電流就不能產(chǎn)生,因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p-n結(jié)(如圖 梳狀電極),以增加入射光的面積。
太陽(yáng)能電池發(fā)電原理
當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì),如硼、磷等,當(dāng)摻入硼時(shí),硅晶體中就會(huì)存在著一個(gè)空穴,它的形成可以參照下圖:
同樣,摻入磷原子以后,因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子,所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非?;钴S,形成N(negative)型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核,紅色的為多余的電子。如下圖。
N型半導(dǎo)體中含有較多的空穴,而P型半導(dǎo)體中含有較多的電子,這樣,當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí),就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差,這就是PN結(jié)。
另外硅表面非常光亮,會(huì)反射掉大量的太陽(yáng)光,不能被電池利用。為此,科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜(如圖),將反射損失減小到5%甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有限,于是人們又將很多電池(通常是36個(gè))并聯(lián)或串聯(lián)起來(lái)使用,形成太陽(yáng)能光電板。