太(tai)陽能電池的(de)工作原理 太(tai)陽能電池的(de)構(gou)造介紹

以前，從電的(de)角度來看，我們所(suo)用的(de)硅都是(shi)(shi)中(zhong)性(xing)的(de)。多余的(de)電子(zi)被磷(lin)中(zhong)多余的(de)質子(zi)所(suo)中(zhong)和(he)(he)。缺失電子(zi)（空穴）由硼中(zhong)缺失質子(zi)所(suo)中(zhong)和(he)(he)。當空穴和(he)(he)電子(zi)在N型硅和(he)(he)P型硅的(de)交(jiao)界處混合時，中(zhong)性(xing)就被破壞了。所(suo)有(you)(you)自由電子(zi)會(hui)填充(chong)所(suo)有(you)(you)空穴嗎？不(bu)會(hui)。如果是(shi)(shi)這樣，那么整個(ge)準備工作就沒有(you)(you)什么意義了。不(bu)過，在交(jiao)界處，它們確實會(hui)混合形(xing)成一(yi)道屏障，使得(de)N側(ce)(ce)的(de)電子(zi)越(yue)來越(yue)難以抵達P側(ce)(ce)。最終會(hui)達到平衡狀態，這樣我們就有(you)(you)了一(yi)個(ge)將(jiang)兩側(ce)(ce)分開的(de)電場(chang)。

這個電場相當于一個二極管，允(yun)許（甚至推動）電子從P側流(liu)向(xiang)N側，而不是相反。它就像(xiang)一座山——電子可以輕松(song)地滑(hua)下山頭(tou)（到(dao)達(da)N側），卻不能向(xiang)上攀(pan)升（到(dao)達(da)P側）。

這(zhe)樣，我們就(jiu)得到了一個(ge)作用相當(dang)于(yu)二極管(guan)的電場，其中的電子只能向一個(ge)方(fang)向運動。讓我們來看一下在太(tai)陽光照射電池(chi)時(shi)會發生(sheng)什么。

當(dang)光(guang)以(yi)光(guang)子的形式撞擊太陽能(neng)電(dian)池(chi)時(shi)，其能(neng)量會使(shi)電(dian)子空穴(xue)對釋放出(chu)來。

每個(ge)攜帶足夠能量的光子(zi)(zi)通(tong)常會正好(hao)釋放一(yi)個(ge)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)，從而產(chan)生一(yi)個(ge)自由(you)的空穴。如果這(zhe)發生在(zai)離電(dian)(dian)(dian)場足夠近的位置，或者(zhe)(zhe)自由(you)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)和(he)自由(you)空穴正好(hao)在(zai)它的影響范圍(wei)之內(nei)，則電(dian)(dian)(dian)場會將電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)送(song)到N側(ce)，將空穴送(song)到P側(ce)。這(zhe)會導致電(dian)(dian)(dian)中(zhong)性進一(yi)步(bu)被(bei)破(po)壞，如果我(wo)們提供(gong)一(yi)個(ge)外(wai)部電(dian)(dian)(dian)流(liu)通(tong)路，則電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)會經過該通(tong)路，流(liu)向它們的原始側(ce)（P側(ce)），在(zai)那里與電(dian)(dian)(dian)場發送(song)的空穴合并，并在(zai)流(liu)動的過程中(zhong)做功(gong)。電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)流(liu)動提供(gong)電(dian)(dian)(dian)流(liu)，電(dian)(dian)(dian)池的電(dian)(dian)(dian)場產(chan)生電(dian)(dian)(dian)壓。有(you)了電(dian)(dian)(dian)流(liu)和(he)電(dian)(dian)(dian)壓，我(wo)們就有(you)了功(gong)率，它是二(er)者(zhe)(zhe)的乘積。

我們的(de)光(guang)伏電池(chi)可以吸(xi)(xi)收多(duo)(duo)少太(tai)陽光(guang)的(de)能量(liang)？遺憾的(de)是(shi)，此處介紹的(de)簡易電池(chi)對太(tai)陽光(guang)能量(liang)的(de)吸(xi)(xi)收率至多(duo)(duo)為(wei)25%左右，通(tong)常的(de)吸(xi)(xi)收率是(shi)15%或更低(di)。為(wei)什么(me)吸(xi)(xi)收率會這(zhe)么(me)低(di)？

可見光只是電(dian)磁頻(pin)譜(pu)的(de)(de)一部分。電(dian)磁輻射不是單頻(pin)的(de)(de)——它由一系列不同波長（進(jin)而產生的(de)(de)一系列能級(ji)）組成。（有關電(dian)磁頻(pin)譜(pu)的(de)(de)詳細介紹，請參閱狹義相對論基(ji)本原理。）

光(guang)(guang)可分(fen)為不(bu)同波(bo)長，我們可以(yi)通過(guo)彩虹看出(chu)這(zhe)一點。由于射到電(dian)(dian)池的(de)(de)光(guang)(guang)的(de)(de)光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)范圍很(hen)廣(guang)，因(yin)此有(you)些光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)沒有(you)足夠的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)來形成(cheng)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)空穴對。它們只(zhi)是穿(chuan)過(guo)電(dian)(dian)池，就(jiu)像電(dian)(dian)池是透明(ming)的(de)(de)一樣(yang)。但(dan)其他一些光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)卻很(hen)強。只(zhi)有(you)達到一定的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang) -- 單位為電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)伏特（eV），由電(dian)(dian)池材料(liao)（對于晶體硅，約為1.1eV）決定——才能(neng)(neng)(neng)(neng)使電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)逸出(chu)。我們將這(zhe)個能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)值稱(cheng)為材料(liao)的(de)(de)帶隙能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)。如果光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)比所(suo)需的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)多(duo)，則多(duo)余的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)會損失掉（除非光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)是所(suo)需能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)兩倍，并(bing)且可以(yi)創建多(duo)組電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)空穴對，但(dan)這(zhe)種效應并(bing)不(bu)重要）。僅這(zhe)兩種效應就(jiu)會造成(cheng)電(dian)(dian)池中70%左右(you)的(de)(de)輻(fu)射能(neng)(neng)(neng)(neng)損失。

為何我們不選擇一種(zhong)帶(dai)隙很低(di)的(de)材(cai)料，以便利用(yong)更(geng)多的(de)光子？遺憾的(de)是(shi)，帶(dai)隙還決定(ding)了電(dian)(dian)場強度（電(dian)(dian)壓(ya)），如果帶(dai)隙過低(di)，那么在增大電(dian)(dian)流(liu)（通過吸收更(geng)多電(dian)(dian)子）的(de)同時，也會損失一定(ding)的(de)電(dian)(dian)壓(ya)。請(qing)記住，功率(lv)是(shi)電(dian)(dian)壓(ya)和電(dian)(dian)流(liu)的(de)乘積。最優帶(dai)隙能(neng)量必須能(neng)平衡這兩種(zhong)效應，對于由(you)單一材(cai)料制成的(de)電(dian)(dian)池，這個值約為1.4電(dian)(dian)子伏特。

我(wo)(wo)們還有(you)其他(ta)能量損失。電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)必須(xu)通過(guo)外部(bu)(bu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)從(cong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)一(yi)側流(liu)到另一(yi)側。我(wo)(wo)們可(ke)以在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池底部(bu)(bu)鍍上(shang)一(yi)層金(jin)屬(shu)(shu)，以保(bao)證良好(hao)的(de)(de)導(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)性。但如果(guo)我(wo)(wo)們將電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池頂部(bu)(bu)完全鍍上(shang)金(jin)屬(shu)(shu)，光子(zi)將無法(fa)穿過(guo)不透光導(dao)(dao)體(ti)，這(zhe)(zhe)樣就會喪失所有(you)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)（在(zai)某些電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池中，只有(you)上(shang)表面而(er)非所有(you)位(wei)置(zhi)使用了(le)透明導(dao)(dao)體(ti)）。如果(guo)我(wo)(wo)們只在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)兩側設置(zhi)觸點(dian)，則(ze)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)需要(yao)經過(guo)很長一(yi)段距(ju)離(li)（對于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)而(er)言）才能抵達接觸點(dian)。要(yao)知道，硅是半(ban)導(dao)(dao)體(ti)，它傳輸電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)性能沒有(you)金(jin)屬(shu)(shu)那(nei)么好(hao)。它的(de)(de)內(nei)部(bu)(bu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻（稱為串聯電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻）相(xiang)當高(gao)，而(er)高(gao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻意味(wei)著高(gao)損耗。為了(le)最大限度地降低這(zhe)(zhe)些損耗，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池上(shang)覆有(you)金(jin)屬(shu)(shu)接觸網(wang)，它可(ke)縮短(duan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)移動的(de)(de)距(ju)離(li)，同時只覆蓋電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池表面的(de)(de)一(yi)小部(bu)(bu)分(fen)。即使是這(zhe)(zhe)樣，有(you)些光子(zi)也會被(bei)網(wang)格阻止，網(wang)格不能太小，否則(ze)它自身的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻就會過(guo)高(gao)。

在實際(ji)使用(yong)電池之(zhi)前，還要執行其他幾個步驟。硅(gui)是一種(zhong)有(you)光澤的(de)材料，這意味著它的(de)反(fan)射(she)性能很(hen)好。被(bei)反(fan)射(she)的(de)光子不(bu)能被(bei)電池利用(yong)。出于這個原(yuan)因，在電池頂(ding)部采(cai)用(yong)抗反(fan)射(she)涂層，可(ke)將反(fan)射(she)損失(shi)降低到(dao)5%以(yi)下。

最(zui)后(hou)一步是安(an)裝(zhuang)玻璃蓋(gai)(gai)板，用來將電(dian)池與元(yuan)件分開(kai)，以(yi)保護電(dian)池。光伏模(mo)塊(kuai)由多塊(kuai)電(dian)池（通(tong)常是36塊(kuai)）串聯和(he)并(bing)聯而成，以(yi)提供可用的(de)電(dian)壓和(he)電(dian)流等級，這(zhe)些電(dian)池放在一個堅固的(de)框架中，后(hou)部分別(bie)引出正極端子(zi)和(he)負(fu)極端子(zi)，并(bing)用玻璃蓋(gai)(gai)板封上(shang)。

單晶(jing)硅(gui)(gui)并(bing)非(fei)光伏電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)(de)唯一材(cai)(cai)料(liao)。電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)材(cai)(cai)料(liao)中(zhong)還采用(yong)了(le)多(duo)晶(jing)硅(gui)(gui)，盡管(guan)這(zhe)樣生產(chan)出(chu)來的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)不如(ru)單晶(jing)硅(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)效(xiao)(xiao)率高(gao)(gao)(gao)，但可(ke)以(yi)降(jiang)低成本。此(ci)外，還采用(yong)了(le)沒有晶(jing)體結(jie)構的(de)(de)非(fei)晶(jing)硅(gui)(gui)，這(zhe)樣做同(tong)(tong)樣是為了(le)降(jiang)低成本。使(shi)用(yong)的(de)(de)其他材(cai)(cai)料(liao)還包括砷化(hua)鎵、硒(xi)化(hua)銦銅和碲(di)化(hua)鎘。由于不同(tong)(tong)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)帶(dai)隙(xi)(xi)不同(tong)(tong)，因(yin)此(ci)它們(men)似乎針對不同(tong)(tong)的(de)(de)波長或不同(tong)(tong)能量(liang)的(de)(de)光子(zi)(zi)進行了(le)“調諧(xie)”。一種提(ti)高(gao)(gao)(gao)效(xiao)(xiao)率的(de)(de)方法是使(shi)用(yong)兩層(ceng)或者多(duo)層(ceng)具有不同(tong)(tong)帶(dai)隙(xi)(xi)的(de)(de)不同(tong)(tong)材(cai)(cai)料(liao)。帶(dai)隙(xi)(xi)較(jiao)高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)放在(zai)表面(mian)，吸收較(jiao)高(gao)(gao)(gao)能量(liang)的(de)(de)光子(zi)(zi)；而(er)帶(dai)隙(xi)(xi)較(jiao)低的(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)放在(zai)下方，吸收較(jiao)低能量(liang)的(de)(de)光子(zi)(zi)。這(zhe)項(xiang)技術可(ke)大大提(ti)高(gao)(gao)(gao)效(xiao)(xiao)率。這(zhe)樣的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)稱為多(duo)接面(mian)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，它們(men)可(ke)以(yi)有多(duo)個電(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)。