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张静:太阳能电池工作原理
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太阳电池是一种基于PN结的光生伏特效应的光电转换器件。有光照时,pn结两端即电池片上下电极之间产生电势差即光生电压,如果接上负载,能够驱动负载工作,将光能转换为电能。 照射到电池上的光子并不能全部转换成电能,根据光子被吸收的位置,下面将分6种情况来详细分析。首先,一部分光子会被电池上表面直接反射回去。第二,部分光子,特别是短波光子,刚进入电池表面就被吸收,产生光生载流子。这部分光生载流子距离pn结较远,超过了他们的扩散长度,在扩散进pn结被收集之前就被复合还原。因此,这部分光子对产生光生电动势基本没有贡献。第三,部分光子在PN结附近被吸收,生成的光生载流子很快被内建电场分离进而被收集产生电势差。这部分光子是使太阳电池能够有效发电的有用光子。第四,部分光子辐射到电池片深处,在距离P-N结较远的地方被吸收产生光生载流子。这部分光子与第二部分光子类似,虽能产生光生载流子,但在扩散进PN之前就被复合,只有极少部分能产生光生电动势。第五,部分光子直接被电池吸收,由于能量较小不能产生光生载流子,但是能使太阳电池加热,温度上升。最后,还有部分光子没有被电池吸收,而直接透射过去。 综合以上分析,只有在pn结区被吸收的光子才能有效地转换成电能。 电池开路状态时,光生载流子在pn结两端无法排出,p端累积正电荷,n端累积负电荷,累积电荷在两端之间形成电场,类似于pn结被正向偏置。 随着累积电荷越来越多,该电场电压抑制內建电场电压时,新产生的光生载流子被扩散进耗尽层的多数载流子全部复合,累积电荷不再增加,累积电场不再增大。此时累积电荷形成电场的电压即为开路电压,近似等于pn结接触电势差。 电池短路状态时,在耗尽区内的光生载流子受内建电场影响而分离,电子向N区漂移,空穴向P区漂移,产生由N区流向P区的漂移电流。至于两端的N型和P型区域,没有电场的作用,且多数载流子浓度基本上不受光照的影响有明显的改变,所以只产生少数载流子的扩散电流。以P区为例,由于耗尽层靠近P区内的电子不断流向N区,造成在耗尽区边缘的电子浓度低,因此P区内光照产生的电子会扩散流入耗尽区,再流入N区,形成P区流向N区的电子扩散电流。同理,N区会产生流向P区的空穴扩散电流。耗尽区的漂移电流、P区的电子扩散电流、N区的空穴扩散电流的总和就是所谓的光电流,也就是短路电流,其流向与PN结二极管正向偏置下的电流相反。 当电池片工作时,即两端连接有负载时,光照产生的光电流从P端流出,流过负载,导致负载两端形成电位差,此电位差的方向如同正向偏压,造成耗尽区内建电场电位降低,因此多数载流子扩散电流升高,抵消部分光电流,即有负载时的输出电流小于短路电流。 为了进一步明确太阳电池的工作状态,可以用等效图来说明。它主要由一个恒流源Iph,一个并联的理想整流二极管,串联电阻Rs和并联电阻Rsh组成。太阳电池经光照后产生一定的光电流,其中一部分用来抵消通过二极管的结电流 ,另一部分为供给负载的电流I。其端电压U、结电流 以及工作电流 的大小都与负载电阻RL有关,但负载电阻并不是唯一的决定因素。
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