太陽能電池板原理_太陽能電池的工作原理

隨著全球能源日趨緊張，太陽能成為新型能源得到了大力的開發，其中我們在生活中使用最多的就是太陽能電池了。太陽能電池是以半導體材料為主，利用光電材料吸收光能後發生光電轉換，使它產生電流，那麼太陽能電池的工作原理是怎麼樣的呢?太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。當太陽光照射到半導體上時，其中一部分被表面反射掉，其餘部分被半導體吸收或透過。被吸收的光，當然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導體的原子價電子碰撞，於是產生電子—空穴對。這樣，光能就以產生電子—空穴對的形式轉變為電能。

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一、太陽能電池的物理基礎

當太陽光照射p-n結時，在半導體內的電子由於獲得了光能而釋放電子，相應地便產生了電　子——空穴對，並在勢壘電場的作用下，電子被驅向型區，空穴被驅向P型區，從而使凡區有過剩的　電子，P區有過剩的空穴。於是，就在p-n結的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。

如果半導體內存在P—N結，則在P型和N型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅向N區，空穴驅向P區，從而使得N區有過剩的電子，P區有過剩的空穴，在P—N結附近形成與勢壘電場方向相反光的生電場。

製造太陽電池的半導體材料已知的有十幾種，因此太陽電池的種類也很多。目前，技術最成熟，並具有商業價值的太陽電池要算矽太陽電池。下面我們以矽太陽能電池為例，詳細介紹太陽能電池的工作原理。

1、本徵半導體

物質的導電性能決定於原子結構。導體一般為低價元素，它們的最外層電子極易掙脫原子核的束縛成為自由電子，在外電場的作用下產生定向移動，形成電流。高價元素(如惰性氣體)或高分子物質(如橡膠)，它們的最外層電子受原子核束縛力很強，很難成為自由電子，所以導電性極差，成為絕緣體。常用的半導體材料矽(Si)和鍺(Ge)均為四價元素，它們的最外層電子既不像導體那麼容易掙脫原子核的束縛，也不像絕緣體那樣被原子核束縛的那麼緊，因而其導電性介於二者之間。

將純淨的半導體經過一定的工藝過程製成單晶體， 即為本徵半導體。晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣，相鄰的原子 形成共價鍵。

晶體中的共價鍵具有極強的結合力，因此，在常溫下，僅有極少數的價電子由於熱運動(熱激發)獲得足夠的能量，從而掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子。與此同時，在共價鍵中留下一個空穴。原子因失掉一個價電子而帶正電，或者說空穴帶正電。在本徵半導體中，自由電子與空穴是成對出現的，即自由電子與空穴數目相等。

自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補空穴，使兩者同時消失，這種現象稱為複合。在一定的溫度下，本徵激發所產生的自由電子與空穴對，與複合的自由電子和空穴對數目相等，故達到動態平衡。

能帶理論：

1、單個原子中的電子在繞核運動時，在各個軌道上的電子都各自具有特定的能量;

2、越靠近核的軌道，電子能量越低;

3、根據能量最小原理電子總是優先佔有最低能級;

4、價電子所佔據的能帶稱為價帶;

5、價帶的上面有一個禁帶，禁帶中不存在為電子所佔據的能級;

6、禁帶之上則為導帶，導帶中的能級就是價電子掙脫共價鍵束縛而成為自由電子所能佔據的能級;

7、禁帶寬度用Eg表示，其值與半導體的材料及其所處的溫度等因素有關。T=300K時，矽的Eg=1.1eV;鍺的Eg=0.72eV。

2、雜質半導體

雜質半導體：通過擴散工藝，在本徵半導體中摻入少量雜質元素，便可得到雜質半導體。

按摻入的雜質元素不用，可形成N型半導體和P型半導體;控制摻入雜質元素的濃度，就可控制雜質半導體的導電性能。

N型半導體： 在純淨的矽晶體中摻入五價元素(如磷)，使之取代晶格中矽原子的位置，就形成了N型半導體。

由於雜質原子的最外層有五個價電子，所以除了與其周圍矽原子形成共價鍵外，還多出一個電子。多出的電子不受共價鍵的束縛，成為自由電子。N型半導體中，自由電子的濃度大於空穴的濃度，故稱自由電子為多數載流子，空穴為少數載流子。由於雜質原子可以提供電子，故稱之為施主原子。

P型半導體：在純淨的矽晶體中摻入三價元素(如硼)，使之取代晶格中矽原子的位置，就形成了P型半導體。

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