光伏效应的产生原理及其应用研究

电子科技大学 于 玮

光伏效应的产生原理及其应用研究

电子科技大学 于 玮

光伏效应是一种重要的光子效应,本文详细分析了它的产生机理,并简要介绍了它在太阳能、交通、通讯、石油等领域的应用。

光伏效应原理;应用

0.前言

在全球经济快速发展的社会中,能源消费速度持续增加。伴随着时间的推移,将来化石能源危机必然会愈演愈烈。当能源稀缺性更强时,能源的商品的价格也会越高。当化石能源逐渐变得越来越紧张后,可再生能源的开发必定成为各个国家能源战略的核心部分。光生伏特效应就是一种可以将太原能转变为电能的效应,它对于妥善处理全球能源危机的作用无疑是巨大的。

1.光伏效应的产生原理

首先通过介绍晶硅太阳能电池的结构,阐述其含义,可以更好的理解光伏效应的原理。

在制备晶体硅太阳能电池的过程中,先向晶体硅里掺入三价的硼原子,构成p型硅片,之后在其表面掺入磷原子,得到一层比较薄的n型硅片。由于p型硅片空穴较多,而n型硅片内的电子很多,因而在硅片内部形成一个可以形成电势差的特殊薄层,也就是p-n结。

当硅片不受太阳光照射时,其内部的电子的运动是由n型区扩散向p型区,从而在内部形成扩散电流;n型区由于失去电子因而带正电,而p型区则因为得到电子带负电,这就形成了内建电场,方向是从n型区指向p型区。这一过程使得内建电场不断增长,从而阻止电子扩散的进行,达到平衡。

当太阳光照射在硅片上时,光能被界面上的束缚电子吸收,摆脱原本原子核的束缚,激发成为在硅片内部运动的光电子。原本在p型区中的光电子在电场的作用下,穿过p-n结转移至n型区,造成的电荷,使得电势的大小p型区高于n型区,在前电极与背电极之间形成电压,也就是所说的光生伏特。经过上面的阐述,可以知道光生伏特效应指的是当非均匀半导体(p-n结等)受到太阳光等光源照射时,光电子受内建电场作用而在其内部形成电动势的现象,并且光生伏特是内光电效应的一种特殊表现形式。

太阳能电池被光线照射之后,光能被界面层所吸收,带有足够能量的内部光子可以激发共价键中的电子,形成p-n结中的电子-空穴对。由于空间电荷形成的电场作用,位于界面层处的电子及空穴被相互分离开来,从而阻止了其它们的复合。电子向带有正电荷的n型区方向移动,而空穴则向带有负电荷的p型区方向移动。p型区和n型区之间受到界面层的电荷分离作用,因此两区之间能够形成可测试的向外电压,这时候如果将硅片的前电极和背电极连上电极并接上电压表检测。晶体硅太阳能电池可以达到0.5～0.6V的开路电压。光照在界面层上所形成的电子-空穴对数目的增加,产生的电流值也逐渐增大。同样,随着界面层吸收光能的增多,界面层即电池面积也随之增大,太阳能电池内产生的电流值也逐渐增大。

光生伏特效应主要应用与光伏发电领域。光伏发电利用半导体界面的光生伏特效应,可以直接把光能转换为电能。光伏发电技术最主要元件就是太阳能电池。串联的太阳能电池经过封装保护后,形成的太阳电池组件具有很大的面积,光伏发电装置就是通过将电池与功率控制器等部件配合组成。

2.光生伏特效应的应用

2.1 用户太阳能电源

小型电源的功率区间位于10W-100W之间,该电源往往应用于缺电或无电的区域,比如高原、边境等军民的生活供电,还可以用于照明、小型家电等。3-5KW家庭屋顶并网发电系统;光伏水泵:用途是应用于无电区域的饮用水或农业灌溉水。

2.2 交通领域

光生伏特效应适用于交通行业中,例如航标灯、交通信号灯、标志灯、公路电话亭等。

2.3 通讯/通信领域

太阳能应用于微波中继站和光缆维护站,以及一些电源系统,所涉及的行业有广播电视行业、通讯行业等。还可以在农村载波电话中使用,一些小型通信机和士兵GPS供电也在一定范围的人群中使用。

2.4 光生伏特效应在石油、海洋、气象领域的应用

石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。

2.5 家庭灯具电源

如庭院灯、探照灯、登山灯、帐篷灯、露营等、节能灯等。

2.6 光伏电站

10KW-50MW独立光伏电站、风光(柴)互补电站以及一些比较大型停车厂充电站等。

2.7 太阳能建筑

可以使太阳能发电与建筑材料紧密结合,使未来的大型建筑实现供电自给自足,这是未来建筑行业能源利用的一大趋势。

2.8 其他领域

包括以下这些方面。与汽车配套:以太阳能作为能源为汽车/电动车提供动力源泉、蓄电池装置、车辆空调、换气扇、冷饮箱等;通过太阳能制氢加燃料电池而实现的再生发电系统;海水淡化装置实现供电;卫星和航天器以及空间太阳能电站。所谓光伏材料,就是可以把太阳能直接转化为电能的材料。光伏材料又叫作太阳能电池材料,通常情况下只有半导体材料具有该性能。能够作为太阳电池材料的材料有很多,主要有以下几种:有单晶硅、非晶硅、Gags和CdTe等。应用于空间领域的材料一般是单晶硅和GaAs、InP。应用于地面已被批量生产制造的硅有这些:单晶硅和多晶硅以及非晶硅。还有另外一些没有被开发的领域。目前,大力缩减材料成本和提高转换效率成为光伏效应的应用追求,使太阳能电池的电力价格跟火力发电的电力价格产生竞争,进而可以给更广泛应用光伏效应创造有利的条件。

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