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1、光电池的工作原理光电池工作原理目前，光电池的应用已经越来越广，作为一名华北电力大学的学生，生活在保定已三年，保定的太阳能产业异常发达，在全国也算是数一数二。保定的太阳能利用非常多，可谓地道的低碳城市。例如有些十字路口的红绿灯，街边的路灯，以及公交车站都是由太阳能电池作为能源控制的。在这样的环境下，笔者查阅了相关资料，对光电池的原理进行一些浅述。首先，先了解一下光电池的定义：光电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。光电池的种类很多，常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电池。要想了解
2、光电池的原理，首先要了解一下PN结的相关知识。人们把半导体材料分为P型半导体和N型半导体。根据电工学介绍，硅原子是一种半导体材料。在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。如果在硅或者锗的晶体中掺入磷（或者其他五价元素），由于林原子的最外层有五个价电子，而掺入的磷原子较少，整个晶体结构基本上不变，导致某些位置上的硅原子被磷原子取代，磷原子参加共价键结构只需要四个价电子，多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是自由电
3、子成了这种半导体的主要导电方式，我们称这种半导体为N型半导体。同理，如果在硅或者错的晶体中掺入三价元素，则每个三价元素周围会多出一个空穴，而空穴则成为这种半导体的主要导电方式，我们称这种半导体为P型半导体。当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电，形成P-N结。其次，光电池原理的另一个重要理论依据是光伏效应原理。光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。具体地说，如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子空穴对。界面层附近的电子
4、和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.50.6V。通过光照在界面层产生的电子空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形光电池工作原理目前，光电池的应用已经越来越广，作为一名华北电力大学的学生，生活在保定已三年，保定的太阳能产业异常发达，在全国也算是数一数二。保定的太阳能利用非常多，可谓地道的低碳城市。例如有些十字路口的红绿灯，街边的路灯，以及
5、公交车站都是由太阳能电池作为能源控制的。在这样的环境下，笔者查阅了相关资料，对光电池的原理进行一些浅述。首先，先了解一下光电池的定义：光电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。光电池的种类很多，常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电池。要想了解光电池的原理，首先要了解一下PN结的相关知识。人们把半导体材料分为P型半导体和N型半导体。根据电工学介绍，硅原子是一种半导体材料。在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个
6、电子对。这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。如果在硅或者锗的晶体中掺入磷（或者其他五价元素），由于林原子的最外层有五个价电子，而掺入的磷原子较少，整个晶体结构基本上不变，导致某些位置上的硅原子被磷原子取代，磷原子参加共价键结构只需要四个价电子，多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是自由电子成了这种半导体的主要导电方式，我们称这种半导体为N型半导体。同理，如果在硅或者错的晶体中掺入三价元素，则每个三价元素周围会多出一个空穴，而空穴则成为这种半导体的主要导电方式，我们称这种半导体为P型半导体。当P型和N型半导体结合在一起时，在两
7、种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电，形成P-N结。其次，光电池原理的另一个重要理论依据是光伏效应原理。光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。具体地说，如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典
8、型数值为0.50.6V。通过光照在界面层产生的电子空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。光电池的工作原理正是基于“光生伏特效应”。了解了以上两条基本知识，我们不难理解，光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。如果这时，我们把它作为一个电源，接上外电路，只要保证有源源不断的光照，那么光电池就会源源不断的供电，这就是光电池。经过查阅资料
9、，笔者了解到光电池有以下几个重要特性：1、光谱特性：光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8wm附近,硒光电池在0.5m附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.41.2wm,而硒光电池只能为0.380.75iimi可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。2 、光照特性：光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（即负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的
10、形式来使用，不宜用作电压源。3 、温度特性：光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。光电池应用广泛，而光伏发电系统的组成也比较简单。不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳电池的等效电路由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件
11、,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高；非晶硅太阳电池则具有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害；铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定得转换的效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池则现在还只能处在研发阶段。目前，铸造多晶硅太阳能电池已经取代直拉单晶硅成为最主要的光伏材料。但是铸造多晶硅太阳能电池的转换效
12、率略低于直拉单晶硅太阳能电池，材料中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是电池转换效率较低的关键原因，因此关于铸造多晶硅中缺陷和杂质规律的研究，以及工艺中采用合适的吸杂，钝化工艺是进一步提高铸造多晶硅电池的关键。目前量产的单晶硅电池转换效率在17%左右，多晶硅电池转换效率在16%左右。而薄膜电池量产的转换效率为10%左右。光电池拥有非常广阔的前景，太阳能是一种清洁能源，取之不尽，用之不竭，一旦光电伏特计系统被安装，就能将源源不断的光能转换成电能，它能提在数年内提供能量而不需要花费，并且只需要最小的维护。目前，光伏发电产品主要用于三大方面：
13、一是为无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活生产提供电力，还有微波中继电源、通讯电源等，另外，还包括一些移动电源和备用电源；二是太如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等；三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。我国并网发电还未起步，不过，xx年北京奥运会部分用电将会由太阳能发电和风力发电提供。目前，中国生产的太阳能电池在全球市场占有率高达60%以上，但几乎全部都是硅基。虽然中国是硅原料生产大国，但却不掌握硅提纯技术，所以太阳能产业所需的硅原料完全依赖进口，随着国际上硅原料成本不断上涨，中国的太阳能产业利润日益水平日益下降。另一方面，由于中国政府没有针对太阳能的实质性补贴政策
14、，中国太阳能的产能基本只能全部出口，而随着太阳能主要市场如欧洲和北美的贸易保护日益严重，国内太阳能产业生产情况日益严峻。所以，国内太阳能产业面临着巨大的转型压力，而转型的方向，就是基于染料敏化氧化钛技术的薄膜太阳能电池方向。薄膜电池的优势主要是制造工艺简单，成本低廉，且理论上相比硅具有对弱光敏感度高，全天累计发电时间大幅高于硅基电池等方面。目前国际上薄膜电池技术最强，产业化程度最高的国家是日本，使用*染料敏化技术，他们的薄膜电池已经能做到硅基电池的1/3-1/4的成本，转化率高达18%-22%；我们有义务去了解光电池，多支持光电池产品，客观的说，在传统能源日渐枯竭的今天，太阳能、风能、核能是最
15、具潜力的绿色能源，但目前的核能利用技术不成熟导致的核电站污染危机将会导致核电站建设和使用受限。风能发电又受到自然条件影响，所以都不适合取代传统的火电水电。太阳能发电将会成为将来能源的主流手段之一。光电池的工作原理太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成PN结。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在PN结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：（ 1）价带电子；（ 2）自由电子或空穴（FreeCarrier）；（ 3）存在于杂质能级上的电子。
