太陽能電池是什么原理？ 這款太陽能電池創(chuàng)造最新世界紀(jì)錄！

眾所周知，太陽能電池是利用光生伏打效應(yīng)，把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。所謂光生伏打效應(yīng)是某種材料吸收的光能之后產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。在固體中，尤其在半導(dǎo)體內(nèi)，光能轉(zhuǎn)換成電能的效率特別高。太陽能電池的工作原理可以概括成下面幾個(gè)主要過程:

(1).必須有光的照射，可以是單色光，太陽光或模擬太陽光源等。

(2).光子注入到半導(dǎo)體后，激發(fā)出電子-空穴對(duì),這些電子-空穴對(duì)必須有足夠的壽命保證，在他們被分離之前不會(huì)復(fù)合消失。

(3).必須有個(gè)靜電場(chǎng)(PN結(jié))，起分離電子-空穴對(duì)的作用。

(4. 被分離的電子和空穴，經(jīng)電極收集輸出到電池體外，形成電流。

太陽能發(fā)電原理

太陽能電池發(fā)電的主要原理是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。硅原子有4個(gè)電子，如果在純硅中摻入有5個(gè)電子的原子如磷原子，就成為帶負(fù)電的N型半導(dǎo)體;若在純硅中摻入有3個(gè)電子的原子如硼原子，形成帶正電的P型半導(dǎo)體。當(dāng)P型和N型結(jié)合在一起時(shí)，接觸面就會(huì)形成電勢(shì)差，成為太陽能電池。當(dāng)太陽光照射到P-N結(jié)后，空穴由N極區(qū)往P極區(qū)移動(dòng)，電子由P極區(qū)向N極區(qū)移動(dòng)，形成電流。

制作時(shí)，多晶硅經(jīng)過鑄錠、破錠、切片等程序后，制作成待加工的硅片。在硅片上摻雜和擴(kuò)散微量的硼、磷等，就形成P-N結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷，將精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)，同時(shí)制成背電極，并在有柵線的面涂一層防反射涂層，電池片就至此制成。電池片排列組合成電池組件，就組成了大的電路板。一般在組件四周包鋁框，正面覆蓋玻璃，反面安裝電極。有了電池組件和其他輔助設(shè)備，就可以組成發(fā)電系統(tǒng)。為了將直流電轉(zhuǎn)化交流電，需要安裝電流轉(zhuǎn)換器。發(fā)電后可用蓄電池存儲(chǔ)，也可輸入公共電網(wǎng)。發(fā)電系統(tǒng)成本中，電池組件約占50%，電流轉(zhuǎn)換器、安裝費(fèi)、其他輔助部件以及其他費(fèi)用占另外50%。

太陽能電池芯片

太陽能電池芯片是具有光電效應(yīng)的半導(dǎo)體器件，半導(dǎo)體的PN結(jié)被光照后產(chǎn)生電流，當(dāng)光直射太陽能電池芯片，其中一部分被反射，一部分被吸收。一部分透過電池芯片、被吸收的光激發(fā)被束縛的高能級(jí)狀態(tài)下的電子，使之成為自由電子，這些自由電子在晶體內(nèi)向各方向移動(dòng)，余下空穴(電子以前的位置)?？昭ㄒ矅@晶體飄移，自由電子(-)在N結(jié)聚集，空穴(+)在P結(jié)聚集，當(dāng)外部環(huán)路被閉合，電流產(chǎn)生。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池(組)組成。如輸出電源為交流220V或

110V，還需要配置逆變器。各部分的作用為：

(一)太陽能電池板：太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來，或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。

(二)太陽能控制器：太陽能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。

(三)蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來，到需要的時(shí)候再釋放出來。

(四)逆變器：在很多場(chǎng)合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場(chǎng)合，需要使用多種電壓的負(fù)載時(shí)，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能(注意，不是簡(jiǎn)單的降壓)。

美國(guó)科學(xué)家制造了一種三結(jié)太陽能電池，其效率達(dá)到了39.5%，創(chuàng)下了單太陽光照下任何類型電池的世界紀(jì)錄。盡管這一概念所依賴的材料和工藝對(duì)大多數(shù)商業(yè)用途來說仍過于昂貴，但它很快就會(huì)在衛(wèi)星和其他太空技術(shù)中得到實(shí)際應(yīng)用。

由美國(guó)能源部國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家在沒有聚光器的正常照明下創(chuàng)造了太陽能電池效率的新世界紀(jì)錄，基于三層III-V材料的電池效率達(dá)到39.5%。

這一新的記錄打破了NREL之前39.2%的記錄，通過各種創(chuàng)新，該小組能夠極大地簡(jiǎn)化該設(shè)備，使用三端串聯(lián)而不是之前的六端。此前三結(jié)型太陽能電池的記錄是夏普公司在2013年創(chuàng)下的37.9%

最近發(fā)表在《焦耳》雜志上的一篇論文“厚量子阱超晶格使三結(jié)太陽能電池具有39.5%的地面效率和34.2%的空間效率”對(duì)這種電池進(jìn)行了全面描述。該小組將鎵銦砷(GaInAs)、砷化鎵(GaAs)和砷化鎵銦(GaInP)層結(jié)合起來，創(chuàng)造出一種可以吸收大量太陽光譜的設(shè)備。

這種方法的關(guān)鍵是NREL最新的“量子阱”工作，它允許它更好地調(diào)整每一層來吸收太陽光譜的不同部分。NREL的高級(jí)科學(xué)家和電池設(shè)計(jì)師Ryan France說，“雖然砷化鎵是一種優(yōu)秀的材料，通常用于III-V型多結(jié)電池，但它不具有與三結(jié)電池相當(dāng)正確的帶隙，這意味著三個(gè)電池之間的光電流平衡不是最佳的?！?

“在這里，我們通過使用量子阱在保持優(yōu)異材料質(zhì)量的同時(shí)修改了帶隙，這使得該設(shè)備和潛在的其他應(yīng)用成為可能?！彼a(bǔ)充說。

量子阱是插入電池層的薄納米結(jié)構(gòu)，可以改變帶隙和其他特性。利用這些，小組能夠提高中間砷化鎵電池層的帶隙，以最大化其性能與其他兩個(gè)一致。雖然量子阱現(xiàn)象不是一個(gè)新發(fā)現(xiàn)，但在幾個(gè)納米尺度上使用這些材料所面臨的各種挑戰(zhàn)限制了它們?cè)谝酝芯恐械膶?shí)際效益。

該小組承認(rèn)，至少就目前而言，他們正在研究的這些電池的工藝和材料對(duì)大多數(shù)主流太陽能應(yīng)用來說過于復(fù)雜和昂貴。盡管NREL正在嘗試一些不同的方法，可以大大減少其成本，但目前，為衛(wèi)星和其他空間技術(shù)供電是基于這些“III-V”材料的任何類型太陽能電池的唯一可能應(yīng)用。

太陽能已經(jīng)成為時(shí)下節(jié)能環(huán)保的功臣，電用熱水器和燃?xì)鉄崴髦饾u被太陽能熱水器所替代，傳統(tǒng)的路燈也逐漸被太陽能草坪燈替代。

太陽能草坪燈的系統(tǒng)組成

太陽能草坪燈是一個(gè)獨(dú)立的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。它能夠獨(dú)立地完成把太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并能把電能轉(zhuǎn)換成熱能供照明和裝飾使用，而不需要電線的傳輸。主要的系統(tǒng)組成部分有光伏發(fā)電系統(tǒng)和供電系統(tǒng)。

光伏系統(tǒng)

一個(gè)獨(dú)立的光伏系統(tǒng)一般由三部分組成：太陽電池組件;充、放電控制器、逆變器、測(cè)試儀表和計(jì)算機(jī)監(jiān)控等電力電子設(shè)備和蓄電池或其它蓄能和輔助發(fā)電設(shè)備。

光伏發(fā)電系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)：沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不產(chǎn)生噪音;沒有空氣污染、不排放廢水;沒有燃燒過程，不需要燃料;維修保養(yǎng)簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低;運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定好;作為關(guān)鍵部件的太陽電池使用壽命長(zhǎng)，晶體硅太陽電池可達(dá)到25年以上;根據(jù)需要很容易擴(kuò)大發(fā)電規(guī)模。

供電系統(tǒng)

太陽能草坪燈是一個(gè)小型的太陽能供電系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單主要由太陽能電池板、充放電控制器、蓄電池、照明電路和燈桿等部分組成

太陽能草坪燈的結(jié)構(gòu)組成

由太陽能電池組件(光伏板)、超高亮LED燈(光源)、免維護(hù)可充電蓄電池、自動(dòng)控制電路、燈具等組成。

太陽能草坪燈的光源優(yōu)勢(shì)

目前多數(shù)草坪燈選用LED作為光源，LED壽命長(zhǎng)，可以達(dá)到100000小時(shí)以上，工作電壓低，非常適合應(yīng)用在太陽能草坪燈上。特別是LED技術(shù)已經(jīng)有了關(guān)鍵性的突破，并且其特性在過去5年中有很大提高，其性能價(jià)格比也有較大的高。另外，LED由低壓直流供電，其光源控制成本低，使調(diào)節(jié)明暗，頻繁開關(guān)都成為可能，并且不會(huì)對(duì)LED的性能產(chǎn)生不良影響。