太陽能電池是如何進(jìn)行發(fā)電的？原理是什么？

太陽能電池又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片。它只要被滿足一定照度條件的光照到，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。在物理學(xué)上稱為太陽能光伏(Photovoltaic，縮寫為PV)，簡稱光伏。太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的晶硅太陽能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的薄膜電池實施太陽能電池則還處于萌芽階段。

太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。所謂光生伏特效應(yīng)，簡單地說，就是當(dāng)物體受到光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。在氣體、液體和固體中均可產(chǎn)生這種效應(yīng)，但在固體尤其是在半導(dǎo)體中，光能轉(zhuǎn)換為電能的效率特別高。因此半導(dǎo)體中的光電效應(yīng)引起人們的格外關(guān)注，研究得最多，并發(fā)明制造出了半導(dǎo)體太陽能電池。并且當(dāng)太陽光或其他光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時，就會在PN結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，叫做光生電壓。

當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體聚集在一起時，在兩個半導(dǎo)體的邊界區(qū)域會形成一種特殊的薄膜。在界面的P型一側(cè)出現(xiàn)負(fù)電壓，在N型一側(cè)出現(xiàn)正電壓。這是由于P型半導(dǎo)體有許多空穴，N型半導(dǎo)體有許多自由電子，其濃度很低。N段電子在P段散射，P段空穴在N段散射。 在N段散射后，在P段產(chǎn)生一個 "內(nèi)部電場"，防止散射。一旦達(dá)到平衡，就會形成一個特殊的膜，產(chǎn)生一個電位差，即p-n轉(zhuǎn)換。到目前為止，大多數(shù)太陽能組件制造商通過擴散工藝在P型硅板上創(chuàng)建N型條帶，P-N(或N+/P)過渡在兩個區(qū)段的交叉點形成。太陽能電池板的主要結(jié)構(gòu)是一個大型平面P型節(jié)點。

當(dāng)一束光從太陽能電池板發(fā)射出來，光在邊界層被吸收，足夠能量的光子可以激發(fā)P-硅和N-硅共價鍵中的電子，形成電子-空穴對?？拷吔鐚拥碾娮雍涂昭ū豢臻g電荷的電場相互分離，然后重新結(jié)合。電子進(jìn)入正電壓區(qū)N，空穴進(jìn)入負(fù)電壓區(qū)P。電荷在邊界層上的分離在P和H區(qū)之間產(chǎn)生了一個可測試的電壓。在這一點上，可以添加電極，并在硅片的兩側(cè)打開一個電壓表。對于石英硅太陽能組件，開路電壓通常為0.5-0.6V。邊界層中由光產(chǎn)生的電子孔比電流更重要。邊界層吸收的光能越多，邊界層面積就越大，即太陽能得到的電池電流就越多。

太陽能電池種類

單晶硅太陽能電池這種電池是目前來說，技術(shù)最成熟的一種，而且效率也比較高，因此被廣泛利用在各種發(fā)電廠中。但是硅引起的光電效應(yīng)容易衰退，穩(wěn)定性不是很好，因此未來發(fā)展的關(guān)鍵問題就是如何解決穩(wěn)定性的問題。

單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，雖然其轉(zhuǎn)換效率高，但是制作單晶硅太陽能電池需要大量的高純度硅材料，且工藝復(fù)雜，電耗很大池工藝影響，且太陽能電池組件平面利用率低，致使單晶硅成本價格居高不下。要想大幅度降低其成本是非常困難的。

多晶體薄膜電池

多晶硅薄膜太陽電池是將多晶硅薄膜生長在低成本的襯底材料上，用相對薄的晶體硅層作為太陽電池的激活層，不僅保持了晶體硅太陽電池的高性能和穩(wěn)定性，而且材料的用量大幅度下降，明顯地降低了電池成本。多晶硅薄膜太陽電池的工作原理與其它太陽電池一樣，是基于太陽光與半導(dǎo)體材料的作用而形成光伏效應(yīng)。

有機聚合物電池

又叫非晶硅太陽能電池由透明氧化物薄膜(TCO)層、非晶硅薄膜P-I-N層(I層為本征吸收層)、背電極金屬薄膜層組成，基底可以是鋁合金、不銹鋼、特種塑料等。它與單晶硅和多晶硅太陽能電池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，電耗更低。這種電池的材料造價較低，利用率高，節(jié)能環(huán)保，而且材料的獲得比較方便，因此這種電池是未來太陽能電池發(fā)展的一個必然趨勢。

多元化合物薄膜太陽能電池

多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。

因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產(chǎn)品。砷化鎵(GaAs)III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。