【刘工总结】光伏组件封装材料总结之——太阳能电池总结之光伏发电原理

绪论
光伏学是一门利用太阳能电池将太阳光直接转化为电能的一种技术。早在1839 年，法国人埃德蒙 贝克勒尔19 岁时，在他父亲的实验室里第一次论证（证实了）了光电池的设计。然而，对于这种效用的理解和开发依赖于一些20 世纪的重要的科学和技术的发展。一个是量子力学的发展，它是20 世纪最主要的智力成就之一。另一个是半导体技术的发展，它对电子学革命以及微芯片的扩散起着重要的作用。

将太阳光转换为电能需要两个条件：一是阳光，它是最基础的能量来源，二是太阳能电池，通过完美地内在过程将阳光转化为电能。

本次总结将以这两个方面作为阐述重点。

第一章 光伏发电原理

1.1、太阳光及其辐照度

太阳是一个气体高温球体，它的热量来源于内部的核聚变反应。它的内部温度高达20，000，000K。来自于太阳内部的剧烈辐射的能量被接近于它表面的氢离子层吸收。能量的转移是通过这种方式进行的，首先能量通过光学屏障（氢离子）转移，然后在太阳最外层表面再辐射，这就是我们看到的光球了。

尽管太阳表面的光是连续的，但是由于地球上大气层的吸收和散射,到达地球表面的光是不同的。天气晴朗时，太阳光直射通过大气层的距离最短，到达地球表面的辐照度是最大的。

太阳在头正上方φ 角时，光程大约是1/cosφ 。这光程通常称做大气质量。因此大气质量=1/cosφ 。当φ =0 时，大气质量等于1 或AM1 的辐照度。当φ =60时，大气质量等于2 或AM2 的辐照度。AM1.5 是光伏行业的标准辐照度（相当于太阳光的角度48.2o）在任何地方大气质量都可以通过下面公式估算出来：

式中h 是垂直物体的高度，s 是物体阴影的长度，如图1.1 所示。

图1-1 大气质量
 

1.5AM 光谱，总的能量密度接近970W/m2。这个光谱或1000W/m2 的归一化光谱是目前用于光伏行业的标准光谱。后者接近于地球表面获得的最大能量值。相当于归一化光谱的能量和光通量通过乘以1000/970 获得。


1.2、半导体

太阳能电池由半导体材料加工制造而成。

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。在半导体器件中最常用的是硅和锗两种材料，它们都是四家元素，在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。物质的化学性质是由价电子决定的，导电性能也与价电子有关。

纯净的半导体称为本征半导体。在硅或锗的单晶体结构中，原子在空间排列成很有规律的空间点阵（称为晶格）。由于晶体原子之间的距离很近，价电子不仅受到所属原子核的作用，而且还受到相邻原子核的吸引，是的一个价电子为相邻的原子核所共有，形成共价键。共价键具有很强的结合力，在热力学零度（-273.16℃）时，价电子没有能力脱离共价键的束缚，在这种情况下，晶体中没有自由电子，半导体是不能导电的。在室温下，少数价电子因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为自由电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴”，自由电子在电场的作用下定向移动形成的电流称为漂移电流。这种由于自由电子的存在引起的导电性称为半导体的电子导电性。

另外，共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现一个空穴，这个空穴又可被相邻的价电子填补，再出现空穴。这样，在半导体中出现了价电子填补空穴的运动。在电场的作用下，填补空穴的价电子做定向移动也形成漂移电流。为了区别于自由电子，就把这种运动叫做空穴运动，认为空穴是一种带正电的载流子。

根据半导体的电学特性，可将它分为两种类型，联结模型和能带模型，下面简要的介绍一下这两种模型。

1联结模型

联结模型是通过共价健连接各个硅原子来描述半导体特性，图 1.2说明了在一个硅晶格中电子的联结和移动过程。

图1-2：单晶硅晶格中价带上的电子示意图

在低温下，晶体不发生变化，相当于绝缘体。高温时，晶体内部结构被破坏，通过两种方法进行导电：电子通过破坏的共价健发生移动；
电子移动到有空穴产生的邻健。

一个可移动的空穴类似于液体中的气泡。虽然实际上是液体在移动, 也能很容易的辨别出气泡是朝反方向运动的。

2能带模型

能带模型是指半导体在价带和导带之间的能量变化。如图 1.3 所示。

图1-3电子在费米能级中的示意图

在价带上的电子被共价键束缚着、而在导带上的电子是自由的, 在外电场作用下电子从价带越迁到导带就会产生电流。空穴在价带朝反方向导电.


1.3、P-N结

本征半导体的导电能力是很弱的，但是在本征半导体中掺入微量的其他元素就会使半导体的导电性能发生显著变化。这些微量元素的原子称为杂质，掺入杂质的半导体称为杂志半导体，有N型和P型两类。

掺杂后的其他一些原子可能会打破硅晶格内电子和空穴原有的平衡,杂质原子与硅形成共价键后还空余一个电子时为N 型半导体材料。杂质原子与硅形成共价键后稍一个电子时为 P型。如图1.4所示.

图1-4单晶硅掺杂后成为N型和P型示意图

在一块完整的硅晶体片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体。那么在两种半导体的交界面附近就形成了P-N结。

1.3.1、P-N结内部载流子

P-N结内部有两种载流子，即多子和少子。多子与少子是相对而言的，以N型半导体为例，其中电子的浓度远大于空穴的浓度，那么电子就成为多(数载流)子，空穴为少(数载流)子。多子和少子在数量上相差6-7个数量级。

当P型半导体和N型半导体结合在一起时，由于交界面两侧同电性的载流子浓度有很大的差别，必然会导致扩散运动。

图1-5多子的扩散运动

扩散的结果是在P区留下带负电的杂质离子，在N区留下带正电的杂质离子，这就形成了一层很薄的空间电荷区，又称耗尽层。由耗尽层形成的内电场一方面阻碍多子的继续扩散，另一方面又促使少子向对方漂移，当扩散运动和漂移运动相等时，PN结处在动态平衡状态。

图1-6 P-N结两种载流子处于动态平衡状态

1.3.2、P-N结的特性

1.单向导电性

如果给PN结施加正向电压，即P区加正电压，N区加负电压。此时，在外电场作用下，多子被推向耗尽层，使耗尽层变窄，内电场被虚弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。多子的扩散电流通过回路形成正向电流，此时耗尽层的电压差只要零点几伏，所以施加不大的正向电压就可以产生很大的电流。

如果施加反向电压的话，内电场被增强，扩散运动被阻止，但促使了少子漂移运动，在回路中形成了反向电流。因为少子浓度很低，所以电流非常小。

P-N结加正向电压是，形成加大较大的正向电流；而在施加反向电压时，反向电流很小。这种特性称为单向导电性。

P-N结两端的电压U和流过P-N 结的电流I之间的关系为：




其中， 为反向饱和电流，UT=kT/q称为温度电压当量，其中k为波尔兹曼常数，T为热力学温度，q为电子的电量。在300K时，UT=26mV。


1.4、光生伏打效应

1839年贝克勒尔利用一些材料受光照而产生了电流。这就是众所周知的光生伏特效应。

1.4.1、发电原理

太阳能电池是由半导体材料制作而成，内部是由多个P-N结并联而成。在没有光照的情况下，太阳能电池可以看作是一个二极管，其内部载流子处在动态平衡状态，不存在电流。

设入射光垂直P-N结面。如果结较浅，光子将进入P-N结区，甚至更深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子-空穴对。在光激发下多数载流子浓度一般改变较小，而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数载流子的运动。

图1-7光照对内电场电势的影响

由于pn结势垒区内存在较强的内建电场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过p-n结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在p-n结两端形成了光生电动势，这就是p-n结的光生伏打效应。由于光照在p-n结两端产生光生电动势，相当于在p-n结两端加正向电压V，使势垒降低为qVD-qV，产生正向电流IF。

在p-n结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，p-n结两端建立起稳定的电势差Voc，（p区相对于n区是正的），这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。

图1-8太阳能发电原理示意图

1.4.2、光伏效应的条件

1、半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数α，即要求入射光子的能量hν大于或等于半导体材料的带隙Eg，使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。

2、具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子，在p区内积累了非平衡空穴，而在n区内积累起非平衡电子。产生了一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场，于是在p区和n区间建立了光生电动势（或称光生电压）。（作者微信公众账号：光伏经验网）

独家申明：凡注明“阳光工匠光伏网独家”来源的文字、图片、图表与音视频稿件等资料，版权均属阳光工匠光伏网所有。任何媒体、 网站或个人未经本网协议授权不得全部或者部分转载、链接、转帖 或以其他方式复制发布/发表。经本网许可后转载务必请注明 来自“阳光工匠光伏网”和作者，违者本网将依法追究责任。



>>推荐阅读：【刘工总结】光伏组件封装材料总结之—背膜资料总结

下一篇：【刘工总结】光伏组件封装材料总结之—太阳能电池总结之太阳能电池的性质（12月9日发布）