光電池

　　定義

　　1.是一種在光的照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的半導(dǎo)體元件。光電池的種類(lèi)很多，常用有硒光

　　電池、硅光電池和硫化鉈、硫化銀光電池等。主要用于儀表，自動(dòng)化遙測(cè)和遙控方面。有的光電池可以直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽@種光電池又叫太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池作為能源廣泛應(yīng)用在人造地衛(wèi)星、燈塔、無(wú)人氣象站等處

　　2.光電池是一種特殊的半導(dǎo)體二極管，能將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)化為直流電。有的光電池還可以將紅外光和紫外光轉(zhuǎn)化為直流電。光電池是太陽(yáng)能電力系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)組成部分，太陽(yáng)能電力系統(tǒng)在替代電力能源方面正有著越來(lái)越重要的地位。最早的光電池是用摻雜的氧化硅來(lái)制作的，摻雜的目的是為了影響電子或空穴的行為。其它的材料，例如CIS，CdTe和GaAs，也已經(jīng)被開(kāi)發(fā)用來(lái)作為光電池的材料。有二種基本類(lèi)型的半導(dǎo)體材料，分別叫做正電型（或P型態(tài)）和負(fù)電型（或N型態(tài)）。在一個(gè)PV電池中，這些材料的薄片被一起放置，而且他們之間的實(shí)際交界叫做P-N結(jié)。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)方式，P-N結(jié)暴露于可見(jiàn)光，紅外光或紫外線下，當(dāng)射線照射到P-N結(jié)的時(shí)候，在P-N結(jié)的兩側(cè)產(chǎn)生電壓，這樣連接到P型材料和N型材料上的電極之間就會(huì)有電流通過(guò)。一套PV電池能被一起連接形成太陽(yáng)的模組，行列或面板。用來(lái)產(chǎn)生可用電能的PV電池就是光電伏特計(jì)。光電伏特計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是沒(méi)有污染，只需要裝置和陽(yáng)光就可工作。另外的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是太陽(yáng)能是無(wú)限的。一旦光電伏特計(jì)系統(tǒng)被安裝，它能提供在數(shù)年內(nèi)提供能量而不需要花費(fèi)，并且只需要最小的維護(hù)。

　　光電池也叫太陽(yáng)能電池，直接把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)變成電。因此光電池的特點(diǎn)是能夠把地球從太陽(yáng)輻射中吸收的大量光能轉(zhuǎn)化換成電能。

　　2發(fā)展歷史

　　1839年，安托石-貝克雷爾制造出了最早的光電池。貝克雷爾電池是一個(gè)圓柱體，內(nèi)裝硝酸鉛溶液，溶液中進(jìn)入一個(gè)鉛陽(yáng)極和一個(gè)氧化銅陰極。這種電池一經(jīng)陽(yáng)光照射，就會(huì)供給電流。

　　1875年，德國(guó)技師維爾納-西門(mén)子是制成第一個(gè)硒光電池，并提議用于光量測(cè)定。西門(mén)子的光電池是根據(jù)1873年英國(guó)人史密斯發(fā)現(xiàn)的“內(nèi)光電效應(yīng)”提出的。

　　L.H.亞當(dāng)斯于1876年指出，硒在光的作用下，不僅出現(xiàn)電阻的變化，而且在一定條件下還出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)，從而發(fā)現(xiàn)了“阻擋層效應(yīng)”。阻擋層效應(yīng)則成了光電池的基本原理。光電池被廣泛地用于自動(dòng)控制技術(shù)、信息電子學(xué)和測(cè)量技術(shù)。這些元件的性能約自1950年起，因半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而得到顯著改善。

　　3構(gòu)造

　　A.單層光電池（Single-layerSolarCell）：

　　光電池像“三明治（Sandwich)"，外兩層是保護(hù)層，中間的一層是主體，由

　　硅（Silicon）物質(zhì)組成。

　　硅原子中的“外層繞軌電子(Orbitelectron)”比較松動(dòng)，易被「擊(Bombard)」出。

　　這和用硅制造「半導(dǎo)體（電晶體)」的考慮是一樣的。再就是「硅」到處都是，

　　便宜，而且“物性”穩(wěn)定。

　　光（Light）是由「光子(Photon)」連續(xù)不斷自太陽(yáng)（Sun）射來(lái)。

　　白光中有「紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫」7色頻率（Frequency）的

　　“成份光(componentlight)”?，F(xiàn)今商用「光電池」所依賴(lài)的是「紅光頻率」。

　　光電池的表面，只讓「紅色光通過(guò)」，將他色光一律反射出去。

　　「紅光子(RedlightPhoton)」將“矽”中的「外軌電子(OrbitElectron)」

　　釋出，由一導(dǎo)線引至轉(zhuǎn)換器（Inverter*）中，直流電變成交流電

　　(AlternatingCurrent)。這種交流電與電力公司的供電一樣，可以「照明」、

　　「熱水」、「烹飪」等用。

　　*即“整流器(Rectifier)”的對(duì)等裝置。整流器可將交流電變成直流電。

　　日間每家「產(chǎn)生」的電用不完，賣(mài)回給電力公司。晚間沒(méi)有電，向電力公司買(mǎi)！

　　這樣，屋頂裝有「光電池」的家庭，每月只付有限的電費(fèi)。家居負(fù)？大為減輕。

　　B.多層光電池（Multi-layerSolarCell）：

　　單只用一個(gè)頻率的光電池之效率很低。送至Mars火星上的Mover用的就是這種多層光電池（Multi-layerSolarCell）三年多了，運(yùn)轉(zhuǎn)仍好。

　　4工作原理

　　光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體pn結(jié)（pnjunction）的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽(yáng)能電池(solarcell)。太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽(yáng)電池組件（module），再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是較少受地域限制，因?yàn)殛?yáng)光普照大地；光伏系統(tǒng)還具有安全可靠、無(wú)噪聲、低污染、無(wú)需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電及建設(shè)同期短的優(yōu)點(diǎn)。

　　工作原理

　　光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，當(dāng)P-N結(jié)受光照時(shí)，樣品對(duì)光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢(shì)壘阻擋而不能過(guò)結(jié)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)（少子）擴(kuò)散到結(jié)電場(chǎng)附近時(shí)能在內(nèi)建電場(chǎng)作用下漂移過(guò)結(jié)。光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離。這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個(gè)與熱平衡P-N結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場(chǎng)使勢(shì)壘降低，其減小量即光生電勢(shì)差，P端正，N端負(fù)。于是有結(jié)電流由P區(qū)流向N區(qū)，其方向與光電流相反。如果這時(shí)分別在P型層和N型層焊上金屬導(dǎo)線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過(guò)，如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái)，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。

　　太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能。不論是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要

　　太陽(yáng)電池的等效電路

　　由太陽(yáng)能電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件，所以，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便。理論上講，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場(chǎng)合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級(jí)電站，小到玩具，光伏電源無(wú)處不在。以晶體硅材料制備的太陽(yáng)能電池主要包括：單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。單晶硅電池具有電池轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好，但是成本較高；非晶硅太陽(yáng)電池則具有生產(chǎn)效率高，成本低廉，但是轉(zhuǎn)換效率較低，而且效率衰減得比較厲害；鑄造多晶硅太陽(yáng)能電池則具有穩(wěn)定得轉(zhuǎn)換的效率，而且性能價(jià)格比最高；薄膜晶體硅太陽(yáng)能電池則還只能處在研發(fā)階段。鑄造多晶硅太陽(yáng)能電池已經(jīng)取代直拉單晶硅成為最主要的光伏材料。但是鑄造多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率略低于直拉單晶硅太陽(yáng)能電池，材料中的各種缺陷，如晶界、位錯(cuò)、微缺陷，和材料中的雜質(zhì)碳和氧，以及工藝過(guò)程中玷污的過(guò)渡族金屬被認(rèn)為是電池轉(zhuǎn)換效率較低的關(guān)鍵原因，因此關(guān)于鑄造多晶硅中缺陷和雜質(zhì)規(guī)律的研究，以及工藝中采用合適的吸雜，鈍化工藝是進(jìn)一步提高鑄造多晶硅電池的關(guān)鍵。量產(chǎn)的單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率在17%左右，多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率在16%左右。而薄膜電池量產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%左右。

　　光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面：一是為無(wú)電場(chǎng)合提供電源，主要為廣大無(wú)電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力，還有微波中繼電源、通訊電源等，另外，還包括一些移動(dòng)電源和備用電源；二是太陽(yáng)能日用電子產(chǎn)品，如各類(lèi)太陽(yáng)能充電器、太陽(yáng)能路燈和太陽(yáng)能草坪燈等；三是并網(wǎng)發(fā)電，這在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)大面積推廣實(shí)施。我國(guó)并網(wǎng)發(fā)電還未起步，不過(guò)，2008年北京奧運(yùn)會(huì)部分用電將會(huì)由太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電提供。

　　5太陽(yáng)電池

　　除了常用的單晶、多晶、非晶硅電池之外，多元化合物太陽(yáng)電池指不是用單一元素半導(dǎo)體材料制成的太陽(yáng)電池。各國(guó)研究的品種繁多，大多數(shù)尚未工業(yè)化生產(chǎn)，主要有以下幾種：a)硫化鎘太陽(yáng)能電池b)砷化鎵太陽(yáng)能電池c)銅銦硒太陽(yáng)能電池(新型多元帶隙梯度Cu(In，Ga)Se2薄膜太陽(yáng)能電池)

　　6分類(lèi)

　　直流電源可以分為電流電源，電壓電源，光電池的特性很接近理想電流電源的特性，可以認(rèn)為是理想電流電源。