光伏效應(yīng)的產(chǎn)生原理及其應(yīng)用研究

電子科技大學(xué) 于 瑋

光伏效應(yīng)的產(chǎn)生原理及其應(yīng)用研究

電子科技大學(xué) 于 瑋

光伏效應(yīng)是一種重要的光子效應(yīng),本文詳細(xì)分析了它的產(chǎn)生機(jī)理,并簡要介紹了它在太陽能、交通、通訊、石油等領(lǐng)域的應(yīng)用。

光伏效應(yīng)原理;應(yīng)用

0.前言

在全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的社會(huì)中,能源消費(fèi)速度持續(xù)增加。伴隨著時(shí)間的推移,將來化石能源危機(jī)必然會(huì)愈演愈烈。當(dāng)能源稀缺性更強(qiáng)時(shí),能源的商品的價(jià)格也會(huì)越高。當(dāng)化石能源逐漸變得越來越緊張后,可再生能源的開發(fā)必定成為各個(gè)國家能源戰(zhàn)略的核心部分。光生伏特效應(yīng)就是一種可以將太原能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男?yīng),它對(duì)于妥善處理全球能源危機(jī)的作用無疑是巨大的。

1.光伏效應(yīng)的產(chǎn)生原理

首先通過介紹晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),闡述其含義,可以更好的理解光伏效應(yīng)的原理。

在制備晶體硅太陽能電池的過程中,先向晶體硅里摻入三價(jià)的硼原子,構(gòu)成p型硅片,之后在其表面摻入磷原子,得到一層比較薄的n型硅片。由于p型硅片空穴較多,而n型硅片內(nèi)的電子很多,因而在硅片內(nèi)部形成一個(gè)可以形成電勢差的特殊薄層,也就是p-n結(jié)。

當(dāng)硅片不受太陽光照射時(shí),其內(nèi)部的電子的運(yùn)動(dòng)是由n型區(qū)擴(kuò)散向p型區(qū),從而在內(nèi)部形成擴(kuò)散電流;n型區(qū)由于失去電子因而帶正電,而p型區(qū)則因?yàn)榈玫诫娮訋ж?fù)電,這就形成了內(nèi)建電場,方向是從n型區(qū)指向p型區(qū)。這一過程使得內(nèi)建電場不斷增長,從而阻止電子擴(kuò)散的進(jìn)行,達(dá)到平衡。

當(dāng)太陽光照射在硅片上時(shí),光能被界面上的束縛電子吸收,擺脫原本原子核的束縛,激發(fā)成為在硅片內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的光電子。原本在p型區(qū)中的光電子在電場的作用下,穿過p-n結(jié)轉(zhuǎn)移至n型區(qū),造成的電荷,使得電勢的大小p型區(qū)高于n型區(qū),在前電極與背電極之間形成電壓,也就是所說的光生伏特。經(jīng)過上面的闡述,可以知道光生伏特效應(yīng)指的是當(dāng)非均勻半導(dǎo)體(p-n結(jié)等)受到太陽光等光源照射時(shí),光電子受內(nèi)建電場作用而在其內(nèi)部形成電動(dòng)勢的現(xiàn)象,并且光生伏特是內(nèi)光電效應(yīng)的一種特殊表現(xiàn)形式。

太陽能電池被光線照射之后,光能被界面層所吸收,帶有足夠能量的內(nèi)部光子可以激發(fā)共價(jià)鍵中的電子,形成p-n結(jié)中的電子-空穴對(duì)。由于空間電荷形成的電場作用,位于界面層處的電子及空穴被相互分離開來,從而阻止了其它們的復(fù)合。電子向帶有正電荷的n型區(qū)方向移動(dòng),而空穴則向帶有負(fù)電荷的p型區(qū)方向移動(dòng)。p型區(qū)和n型區(qū)之間受到界面層的電荷分離作用,因此兩區(qū)之間能夠形成可測試的向外電壓,這時(shí)候如果將硅片的前電極和背電極連上電極并接上電壓表檢測。晶體硅太陽能電池可以達(dá)到0.5～0.6V的開路電壓。光照在界面層上所形成的電子-空穴對(duì)數(shù)目的增加,產(chǎn)生的電流值也逐漸增大。同樣,隨著界面層吸收光能的增多,界面層即電池面積也隨之增大,太陽能電池內(nèi)產(chǎn)生的電流值也逐漸增大。

光生伏特效應(yīng)主要應(yīng)用與光伏發(fā)電領(lǐng)域。光伏發(fā)電利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng),可以直接把光能轉(zhuǎn)換為電能。光伏發(fā)電技術(shù)最主要元件就是太陽能電池。串聯(lián)的太陽能電池經(jīng)過封裝保護(hù)后,形成的太陽電池組件具有很大的面積,光伏發(fā)電裝置就是通過將電池與功率控制器等部件配合組成。

2.光生伏特效應(yīng)的應(yīng)用

2.1 用戶太陽能電源

小型電源的功率區(qū)間位于10W-100W之間,該電源往往應(yīng)用于缺電或無電的區(qū)域,比如高原、邊境等軍民的生活供電,還可以用于照明、小型家電等。3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng);光伏水泵:用途是應(yīng)用于無電區(qū)域的飲用水或農(nóng)業(yè)灌溉水。

2.2 交通領(lǐng)域

光生伏特效應(yīng)適用于交通行業(yè)中,例如航標(biāo)燈、交通信號(hào)燈、標(biāo)志燈、公路電話亭等。

2.3 通訊/通信領(lǐng)域

太陽能應(yīng)用于微波中繼站和光纜維護(hù)站,以及一些電源系統(tǒng),所涉及的行業(yè)有廣播電視行業(yè)、通訊行業(yè)等。還可以在農(nóng)村載波電話中使用,一些小型通信機(jī)和士兵GPS供電也在一定范圍的人群中使用。

2.4 光生伏特效應(yīng)在石油、海洋、氣象領(lǐng)域的應(yīng)用

石油管道和水庫閘門陰極保護(hù)太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺(tái)生活及應(yīng)急電源、海洋檢測設(shè)備、氣象/水文觀測設(shè)備等。

2.5 家庭燈具電源

如庭院燈、探照燈、登山燈、帳篷燈、露營等、節(jié)能燈等。

2.6 光伏電站

10KW-50MW獨(dú)立光伏電站、風(fēng)光(柴)互補(bǔ)電站以及一些比較大型停車廠充電站等。

2.7 太陽能建筑

可以使太陽能發(fā)電與建筑材料緊密結(jié)合,使未來的大型建筑實(shí)現(xiàn)供電自給自足,這是未來建筑行業(yè)能源利用的一大趨勢。

2.8 其他領(lǐng)域

包括以下這些方面。與汽車配套:以太陽能作為能源為汽車/電動(dòng)車提供動(dòng)力源泉、蓄電池裝置、車輛空調(diào)、換氣扇、冷飲箱等;通過太陽能制氫加燃料電池而實(shí)現(xiàn)的再生發(fā)電系統(tǒng);海水淡化裝置實(shí)現(xiàn)供電;衛(wèi)星和航天器以及空間太陽能電站。所謂光伏材料,就是可以把太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的材料。光伏材料又叫作太陽能電池材料,通常情況下只有半導(dǎo)體材料具有該性能。能夠作為太陽電池材料的材料有很多,主要有以下幾種:有單晶硅、非晶硅、Gags和CdTe等。應(yīng)用于空間領(lǐng)域的材料一般是單晶硅和GaAs、InP。應(yīng)用于地面已被批量生產(chǎn)制造的硅有這些:單晶硅和多晶硅以及非晶硅。還有另外一些沒有被開發(fā)的領(lǐng)域。目前,大力縮減材料成本和提高轉(zhuǎn)換效率成為光伏效應(yīng)的應(yīng)用追求,使太陽能電池的電力價(jià)格跟火力發(fā)電的電力價(jià)格產(chǎn)生競爭,進(jìn)而可以給更廣泛應(yīng)用光伏效應(yīng)創(chuàng)造有利的條件。

[1]Donald A。Neamen。半導(dǎo)體物理與器件[M]。趙毅強(qiáng),姚素英,等譯。北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2][美]齊澤維茨(Zitzewitz,P。W。),等著。錢振華,等譯。科學(xué)發(fā)現(xiàn)者物理原理與問題下冊(cè)[M]。杭州:浙江教育出版社,2008:740,743.

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[4]楊小麗。光電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]。北京:北京郵電大學(xué)出版社,2005.