太(tai)陽(yang)(yang)能電池的工作原(yuan)理 太(tai)陽(yang)(yang)能電池的構造介紹(shao)

以(yi)前，從電的角度(du)來看，我們所(suo)用的硅都是中性的。多(duo)余的電子被(bei)磷(lin)中多(duo)余的質子所(suo)中和。缺失電子（空(kong)穴）由(you)硼中缺失質子所(suo)中和。當空(kong)穴和電子在N型硅和P型硅的交(jiao)界處(chu)混合時，中性就(jiu)被(bei)破壞了(le)。所(suo)有(you)自由(you)電子會(hui)(hui)填充所(suo)有(you)空(kong)穴嗎？不會(hui)(hui)。如果是這樣(yang)，那么(me)整個準備工作(zuo)就(jiu)沒(mei)有(you)什(shen)么(me)意義了(le)。不過(guo)，在交(jiao)界處(chu)，它們確實會(hui)(hui)混合形成一(yi)道屏障，使得N側(ce)的電子越來越難(nan)以(yi)抵(di)達(da)P側(ce)。最終會(hui)(hui)達(da)到平(ping)衡(heng)狀態，這樣(yang)我們就(jiu)有(you)了(le)一(yi)個將(jiang)兩側(ce)分開的電場。

這(zhe)個電場(chang)相當于(yu)一個二極管(guan)，允許（甚至推動）電子(zi)從(cong)P側(ce)流(liu)向(xiang)N側(ce)，而不(bu)是相反。它就(jiu)像一座山(shan)——電子(zi)可以輕松地滑下(xia)山(shan)頭(tou)（到(dao)達(da)N側(ce)），卻不(bu)能向(xiang)上攀升（到(dao)達(da)P側(ce)）。

這樣，我們就得到(dao)了一(yi)個(ge)作(zuo)用相當(dang)于二(er)極管的(de)電(dian)場，其中的(de)電(dian)子只(zhi)能向(xiang)一(yi)個(ge)方向(xiang)運(yun)動。讓我們來看一(yi)下在太陽光照(zhao)射電(dian)池時會發(fa)生(sheng)什么(me)。

當光以光子的形(xing)式撞擊太(tai)陽(yang)能(neng)電池時，其能(neng)量(liang)會使電子空穴對釋放出來。

每(mei)個攜帶足(zu)(zu)夠能量的(de)(de)光(guang)子(zi)(zi)(zi)通常會(hui)正(zheng)好釋放一(yi)(yi)個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)，從(cong)而產(chan)生(sheng)(sheng)一(yi)(yi)個自由(you)的(de)(de)空(kong)(kong)(kong)穴(xue)。如果(guo)這發生(sheng)(sheng)在離電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)足(zu)(zu)夠近的(de)(de)位(wei)置，或者(zhe)自由(you)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)和自由(you)空(kong)(kong)(kong)穴(xue)正(zheng)好在它的(de)(de)影響范(fan)圍之(zhi)內，則電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)會(hui)將電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)送(song)(song)到N側(ce)，將空(kong)(kong)(kong)穴(xue)送(song)(song)到P側(ce)。這會(hui)導致電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)中性進一(yi)(yi)步(bu)被破壞，如果(guo)我們(men)提(ti)供(gong)一(yi)(yi)個外部電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流通路(lu)，則電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)會(hui)經(jing)過(guo)該通路(lu)，流向它們(men)的(de)(de)原始側(ce)（P側(ce)），在那里與電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)發送(song)(song)的(de)(de)空(kong)(kong)(kong)穴(xue)合并，并在流動的(de)(de)過(guo)程中做功。電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)流動提(ti)供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)產(chan)生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)。有(you)(you)了電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流和電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)，我們(men)就有(you)(you)了功率(lv)，它是(shi)二者(zhe)的(de)(de)乘(cheng)積(ji)。

我們的光伏(fu)電(dian)池可以吸(xi)(xi)收(shou)(shou)(shou)多少太陽光的能量(liang)？遺(yi)憾的是，此(ci)處(chu)介(jie)紹的簡易(yi)電(dian)池對太陽光能量(liang)的吸(xi)(xi)收(shou)(shou)(shou)率至多為25%左右，通常的吸(xi)(xi)收(shou)(shou)(shou)率是15%或更(geng)低。為什么(me)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)(shou)率會這么(me)低？

可(ke)見光只是(shi)電磁(ci)頻譜(pu)的一部(bu)分。電磁(ci)輻射不(bu)是(shi)單頻的——它由一系(xi)列(lie)不(bu)同波(bo)長（進而產生的一系(xi)列(lie)能級）組成。（有關電磁(ci)頻譜(pu)的詳細介紹，請參閱(yue)狹義相對(dui)論基本原理。）

光(guang)可分為(wei)(wei)不(bu)(bu)同波長，我(wo)們(men)可以通過彩(cai)虹看出(chu)這(zhe)(zhe)(zhe)一點。由于射到電(dian)(dian)池(chi)的光(guang)的光(guang)子(zi)(zi)能(neng)量(liang)(liang)(liang)范(fan)圍很廣，因此有些(xie)(xie)光(guang)子(zi)(zi)沒(mei)有足夠的能(neng)量(liang)(liang)(liang)來形成電(dian)(dian)子(zi)(zi)空(kong)穴對(dui)。它們(men)只是穿過電(dian)(dian)池(chi)，就像(xiang)電(dian)(dian)池(chi)是透明的一樣。但其(qi)他一些(xie)(xie)光(guang)子(zi)(zi)的能(neng)量(liang)(liang)(liang)卻很強(qiang)。只有達(da)到一定的能(neng)量(liang)(liang)(liang) -- 單位為(wei)(wei)電(dian)(dian)子(zi)(zi)伏特（eV），由電(dian)(dian)池(chi)材(cai)(cai)料（對(dui)于晶體硅，約為(wei)(wei)1.1eV）決定——才能(neng)使(shi)電(dian)(dian)子(zi)(zi)逸出(chu)。我(wo)們(men)將這(zhe)(zhe)(zhe)個能(neng)量(liang)(liang)(liang)值稱為(wei)(wei)材(cai)(cai)料的帶(dai)隙(xi)能(neng)量(liang)(liang)(liang)。如果光(guang)子(zi)(zi)的能(neng)量(liang)(liang)(liang)比所需(xu)(xu)的能(neng)量(liang)(liang)(liang)多(duo)，則多(duo)余(yu)的能(neng)量(liang)(liang)(liang)會(hui)損失掉(diao)（除非光(guang)子(zi)(zi)的能(neng)量(liang)(liang)(liang)是所需(xu)(xu)能(neng)量(liang)(liang)(liang)的兩(liang)倍，并且(qie)可以創建(jian)多(duo)組電(dian)(dian)子(zi)(zi)空(kong)穴對(dui)，但這(zhe)(zhe)(zhe)種(zhong)效(xiao)(xiao)應并不(bu)(bu)重要）。僅這(zhe)(zhe)(zhe)兩(liang)種(zhong)效(xiao)(xiao)應就會(hui)造(zao)成電(dian)(dian)池(chi)中70%左右的輻射能(neng)損失。

為(wei)何(he)我們(men)不選(xuan)擇一種帶(dai)隙很(hen)低的(de)(de)材(cai)料，以便(bian)利用更(geng)多的(de)(de)光(guang)子(zi)(zi)？遺(yi)憾(han)的(de)(de)是(shi)(shi)，帶(dai)隙還決定了電(dian)(dian)場強(qiang)度（電(dian)(dian)壓(ya)），如果(guo)帶(dai)隙過低，那么在增大電(dian)(dian)流（通過吸(xi)收更(geng)多電(dian)(dian)子(zi)(zi)）的(de)(de)同時，也會損失(shi)一定的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)。請記(ji)住，功率是(shi)(shi)電(dian)(dian)壓(ya)和(he)電(dian)(dian)流的(de)(de)乘(cheng)積。最優帶(dai)隙能量必須能平衡(heng)這兩種效應(ying)，對于由單一材(cai)料制成(cheng)的(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)，這個值約為(wei)1.4電(dian)(dian)子(zi)(zi)伏特。

我們(men)還有其他能(neng)量損失(shi)。電(dian)(dian)子(zi)必須通過外部(bu)電(dian)(dian)路從電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)一(yi)側(ce)流到(dao)另一(yi)側(ce)。我們(men)可(ke)以(yi)(yi)在電(dian)(dian)池(chi)底部(bu)鍍上(shang)(shang)一(yi)層金屬(shu)，以(yi)(yi)保證良好的(de)(de)導電(dian)(dian)性。但(dan)如(ru)果(guo)我們(men)將電(dian)(dian)池(chi)頂部(bu)完全鍍上(shang)(shang)金屬(shu)，光(guang)子(zi)將無法穿(chuan)過不透光(guang)導體(ti)，這(zhe)樣(yang)就會(hui)喪失(shi)所(suo)有電(dian)(dian)流（在某(mou)些電(dian)(dian)池(chi)中，只有上(shang)(shang)表(biao)面而(er)非所(suo)有位置使(shi)用了透明(ming)導體(ti)）。如(ru)果(guo)我們(men)只在電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)兩側(ce)設置觸(chu)(chu)點(dian)，則電(dian)(dian)子(zi)需要經過很長一(yi)段距離(li)（對于電(dian)(dian)子(zi)而(er)言(yan)）才(cai)能(neng)抵達接觸(chu)(chu)點(dian)。要知道(dao)，硅是半導體(ti)，它(ta)傳輸電(dian)(dian)流的(de)(de)性能(neng)沒有金屬(shu)那么好。它(ta)的(de)(de)內部(bu)電(dian)(dian)阻(zu)(zu)（稱為串(chuan)聯(lian)電(dian)(dian)阻(zu)(zu)）相當高，而(er)高電(dian)(dian)阻(zu)(zu)意味著高損耗。為了最大(da)限度(du)地降(jiang)低這(zhe)些損耗，電(dian)(dian)池(chi)上(shang)(shang)覆(fu)有金屬(shu)接觸(chu)(chu)網(wang)，它(ta)可(ke)縮短電(dian)(dian)子(zi)移動的(de)(de)距離(li)，同時只覆(fu)蓋電(dian)(dian)池(chi)表(biao)面的(de)(de)一(yi)小部(bu)分。即(ji)使(shi)是這(zhe)樣(yang)，有些光(guang)子(zi)也會(hui)被網(wang)格(ge)(ge)阻(zu)(zu)止，網(wang)格(ge)(ge)不能(neng)太小，否則它(ta)自身(shen)的(de)(de)電(dian)(dian)阻(zu)(zu)就會(hui)過高。

在(zai)實際使用電池(chi)之前(qian)，還要執行其他幾個步驟。硅是一種有光澤的材料，這(zhe)意味著它的反射(she)(she)(she)性能很好(hao)。被(bei)(bei)反射(she)(she)(she)的光子不能被(bei)(bei)電池(chi)利用。出于這(zhe)個原因(yin)，在(zai)電池(chi)頂部采(cai)用抗(kang)反射(she)(she)(she)涂層，可將反射(she)(she)(she)損失降低到5%以下(xia)。

最后(hou)一步(bu)是安裝玻(bo)璃(li)蓋(gai)板(ban)，用(yong)來將(jiang)電(dian)(dian)池(chi)(chi)與元件分開(kai)，以(yi)保(bao)護電(dian)(dian)池(chi)(chi)。光伏模塊由多塊電(dian)(dian)池(chi)(chi)（通常是36塊）串(chuan)聯和(he)并聯而成，以(yi)提供可用(yong)的電(dian)(dian)壓和(he)電(dian)(dian)流等級(ji)，這些電(dian)(dian)池(chi)(chi)放在一個堅固的框架中，后(hou)部分別引出(chu)正極(ji)端子和(he)負(fu)極(ji)端子，并用(yong)玻(bo)璃(li)蓋(gai)板(ban)封上(shang)。

單(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)并非(fei)光(guang)伏電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)中使用(yong)的(de)(de)(de)(de)唯(wei)一材(cai)(cai)料(liao)。電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)材(cai)(cai)料(liao)中還(huan)采(cai)用(yong)了多晶(jing)硅(gui)(gui)，盡管這(zhe)(zhe)樣(yang)生產出來的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)不如單(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)高，但可(ke)以降低(di)(di)(di)成本。此(ci)(ci)外，還(huan)采(cai)用(yong)了沒有(you)晶(jing)體結構的(de)(de)(de)(de)非(fei)晶(jing)硅(gui)(gui)，這(zhe)(zhe)樣(yang)做同(tong)(tong)樣(yang)是為了降低(di)(di)(di)成本。使用(yong)的(de)(de)(de)(de)其他材(cai)(cai)料(liao)還(huan)包括砷化鎵、硒化銦銅(tong)和碲化鎘。由于不同(tong)(tong)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)帶(dai)隙不同(tong)(tong)，因此(ci)(ci)它(ta)們(men)(men)似乎(hu)針對不同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)波(bo)長(chang)或不同(tong)(tong)能量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)子(zi)進(jin)行了“調諧(xie)”。一種提高效(xiao)(xiao)率(lv)的(de)(de)(de)(de)方法(fa)是使用(yong)兩層(ceng)(ceng)或者(zhe)多層(ceng)(ceng)具有(you)不同(tong)(tong)帶(dai)隙的(de)(de)(de)(de)不同(tong)(tong)材(cai)(cai)料(liao)。帶(dai)隙較高的(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)放在(zai)表面，吸收較高能量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)子(zi)；而帶(dai)隙較低(di)(di)(di)的(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)放在(zai)下(xia)方，吸收較低(di)(di)(di)能量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)子(zi)。這(zhe)(zhe)項技術(shu)可(ke)大(da)(da)大(da)(da)提高效(xiao)(xiao)率(lv)。這(zhe)(zhe)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)稱(cheng)為多接(jie)面電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)，它(ta)們(men)(men)可(ke)以有(you)多個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場。